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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines thermoplastischen Kunststoffhalbzeugs zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung und ein thermoplastisches Kunststoffhalbzeug zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung.
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Stand der Technik
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Kunststoffe ohne leitfähige Zusatzstoffe sind in der Regel elektrisch isolierend. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz von Kunststoffen in weiten Teilen der Elektrotechnik. Kunststoffe als Dielektrika weisen die Eigenschaft auf, von elektrischen und magnetischen Feldern passiert zu werden.
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Verschiedene Maßnahmen gelten als bekannt, um Kunststoffbauteilen schirmende Eigenschaften zu verleihen. Einerseits sind sogenannte intrinsisch leitfähige Polymere, wie z.B. Polyacetylen, Polypyrrol, Polyanilin oder Polythiophen, verfügbar. Konjugierte Doppelbildungen ermöglichen hier eine freie Beweglichkeit von Ladungsträgern im dotierten Zustand.
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Des Weiteren können Kunststoffe durch Zugabe geeigneter Additive mit einer gewissen Leitfähigkeit ausgestattet werden. Voraussetzung für eine hinreichende Abschirmung ist, dass die Additive in ausreichender Menge dem Polymer zugesetzt und entsprechend verarbeitet werden, um ein leitfähiges Netzwerk auszubilden, denn die elektrische Leitung erfolgt über sich berührende Füllstoffpartikel, die durchgehende Strompfade bilden. Gebräuchliche Füllstoffe sind beispielsweise Ruß und andere Kohlenstoffmodifikationen, Metallfasern, -plättchen oder -flakes, metallisierte Glas- oder Kunststofffasern, sowie metallisierte Glaskugeln. Als metallische Füllstoffe oder Metallisierung kommen beispielsweise Kupfer, Aluminium, Messing oder Edelstahl zum Einsatz.
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Häufig wird auch ein übliches, nicht leitendes Gehäuse nachträglich mit einer leitfähigen Beschichtung versehen. Leitfähige Beschichtungen werden beispielsweise durch physikalische Gasphasenabscheidung, Flamm-, Plasma- oder Lichtbogenspritzen chemisch bzw. galvanisch aufgebracht.
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Darüber hinaus gibt es Ansätze, dicke thermoplastische Folien tiefzuziehen und nachträglich ein Drahtgitter oder ein Metallvlies einzulegen oder die Kombination beider Verfahrensschritte sowie dünne Gitter zu hinterschäumen.
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Die
US 4,486,490 offenbart ein elektrisch und thermisch leitfähiges Prepreg, das aus metallisch beschichteten Glasfasern und unbeschichteten Glasfasern besteht, welche zu einem flächigen Textil gewebt oder gelegt werden, und mit einem duroplastischen Matrixsystem imprägniert sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines thermoplastischen Kunststoffhalbzeugs zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung. Das Verfahren umfasst ein Zusammenfügen eines Verstärkungsmaterials und eines leitfähigen Materials, wobei das Verstärkungsmaterial aus Verstärkungsfasern oder einem Verstärkungstextil und das leitfähige Material aus leitfähigen Fasern, einem leitfähigen Textil oder leitfähigen Faserabschnitten ausgebildet ist, und wobei das leitfähige Material zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst des Weiteren ein Imprägnieren des Verstärkungsmaterials und des leitfähigen Materials mit einer thermoplastischen Matrix.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein thermoplastisches Kunststoffhalbzeug zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung, aufweisend ein Verstärkungsmaterial und ein leitfähiges Material, wobei das Verstärkungsmaterial aus Verstärkungsfasern oder einem Verstärkungstextil und das leitfähige Material aus leitfähigen Fasern, einem leitfähigen Textil oder leitfähigen Faserabschnitten ausgebildet ist, und wobei das leitfähige Material zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist und wobei das Verstärkungsmaterial und das leitfähige Material mit einer thermopastischen Matrix imprägniert sind.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist die Modifikation bzw. Funktionalisierung von endlosfaserverstärkten Plattenhalbzeugen mit thermoplastischer Matrix, sogenannten Organoblechen, um ein Halbzeug bereitzustellen, das nicht nur hervorragende mechanische Eigenschaften, d.h. Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht aufweist, sondern im Gegensatz zu anderen Kunststoffen bzw. konventionellen endlosfaserverstärkten Plattenhalbzeugen mit thermoplastischer Matrix auch elektrische oder magnetische Felder oder Wellen dämpft. Aus diesem Halbzeug lassen sich beispielsweise Gehäusebauteile für elektronische Geräte wie Steuergeräte, Antriebe oder Energiespeicher herstellen, die neben gewissen Anforderungen an die Mechanik auch eine wirkungsvolle Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung verlangen. Das Halbzeug kann ferner nach der Erwärmung beispielsweise umgeformt und mit einem Thermoplasten um- oder hinterspritzt werden und so beispielsweise zu Gehäusen geformt werden.
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Durch die Verwendung des thermoplastischen Materials sind zudem bekannte Kunststoffschweißverfahren anwendbar, um Bauteile, die aus dem erfindungsgemäßen Materialaufbau hergestellt sind, zu fügen. Des Weiteren sind die erfindungsgemäßen Metallfasern oder -drähte kratzunempfindlich, sodass ein robustes leitfähiges Netzwerk im Bauteil auch auf Dauer erhalten bleibt. Die Verwendung des Thermoplastmaterials weist ferner deutliche Vorteile hinsichtlich Handling, Transport, Lagerstabilität und Sauberkeit gegenüber duroplastischen Materialystemen auf.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figur.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Verstärkungsfasern und die leitfähigen Fasern zu einem Fasergewebe oder einem Fasergelege zusammengefügt werden. Je nach Anforderungen und verwendetem Material kann somit beispielsweise ein Hybridtextil bestehend aus einem Fasergewebe, in dem Verstärkungsfasern und leitfähige Fasern abwechselnd verwebt sind oder einem Fasergelege aus beiden Fasersorten ausgebildet werden.
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Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass das Verstärkungstextil, welches aus einem Fasergewebe, einem Fasergelege oder einem Vlies aus Verstärkungsfasern ausgebildet ist, und das leitfähige Textil, welches aus einem Fasergewebe, einem Fasergelege oder einem Vlies aus leitfähigen Fasern ausgebildet ist, bei gleichzeitigem Imprägnieren des Verstärkungstextils und des leitfähigen Textils mit einer thermoplastischen Matrix zusammengefügt werden. Das Zusammenfügen des Verstärkungstextils und des leitfähigen Textils erfolgt hierbei vorzugsweise durch das Imprägnieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die leitfähigen Faserabschnitte auf das Verstärkungstextil, welches aus einem Fasergewebe, einem Fasergelege oder einem Vlies aus Verstärkungsfasern ausgebildet ist, bei gleichzeitigem Imprägnieren des Verstärkungstextils und der leitfähigen Faserabschnitte mit einer thermoplastischen Matrix aufgebracht werden. Das Zusammenfügen des Verstärkungstextils und der leitfähigen Faserabschnitte erfolgt hierbei vorzugsweise durch das Imprägnieren.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Imprägnieren des Verstärkungsmaterials und des leitfähigen Materials mit einer thermoplastischen Matrix mittels Schmelz- oder Folienimprägnierung durchgeführt wird. Die Art der Imprägnierung kann somit an die individuellen Anforderungen angepasst werden.
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Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass nach Imprägnieren bei einem Konsolidieren des Verstärkungsmaterials und des leitfähigen Materials Lufteinschlüsse aus dem Kunststoffhalbzeug entfernt werden und/oder das Kunststoffhalbzeug zugeschnitten wird. Somit kann das thermplastische Kunststoffhalbzeug beispielsweise zu einem Gehäuse verarbeitet werden.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Verstärkungsfasern aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Nylonfasern oder Naturfasern ausgebildet sind, wobei die Naturfasern Flachsfasern, Hanffasern, Jutefasern, Kenaffasern, Ramiefasern oder Sisalfasern umfassen. Die Verwendung der vorstehend genannten Faserarten als Verstärkungsfasern kann somit je nach Erfordernis angepasst werden.
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Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass die leitfähigen Fasern metallisierte Verstärkungsfasern aufweisen, welche mit Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Wolfram, Messing, Platin, Kobalt, Mumetall beschichtet sind, oder Metallfasern oder -drähte aufweisen, welche aus Edelstahl, Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Wolfram, Messing, Platin, Kobalt oder Mumetall ausgebildet sind. Die Verwendung einer bestimmten Art von leitfähigen Fasern kann somit an ein jeweiliges Erfordernis angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Verstärkungsfasern und die leitfähigen Fasern zu einem Fasergewebe oder einem Fasergelege zusammengefügt sind. Je nach Anforderungen und verwendetem Material kann somit beispielsweise ein Hybridtextil bestehend aus einem Fasergewebe, in dem Verstärkungsfasern und leitfähige Fasern abwechselnd verwebt sind oder einem Fasergelege aus beiden Fasersorten ausgebildet werden.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Verstärkungstextil, welches aus einem Fasergewebe, einem Fasergelege oder einem Vlies aus Verstärkungsfasern ausgebildet ist, und das leitfähige Textil, welches aus einem Fasergewebe, einem Fasergelege oder einem Vlies aus leitfähigen Fasern ausgebildet ist, durch Imprägnieren des Verstärkungstextils und des leitfähigen Textils mit einer thermoplastischen Matrix zusammengefügt sind. Somit können das Verstärkungstextil und das leitfähige Textil ohne weitere Verfahrensschritte einfach und präzise zusammengefügt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die leitfähigen Faserabschnitte auf das Verstärkungstextil, welches aus einem Fasergewebe, einem Fasergelege oder Vlies aus Verstärkungsfasern ausgebildet ist, aufgebracht sind, und durch Imprägnieren des Verstärkungstextils und der leitfähigen Faserabschnitte mit einer thermoplastischen Matrix zusammengefügt sind. Somit können das Verstärkungstextil und das leitfähige Textil ohne weitere Verfahrensschritte einfach und präzise zusammengefügt werden.
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Die beiliegende Zeichnung soll ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulicht Ausführungsformen und dient im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.
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Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnung.
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Es zeigt:
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1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines thermoplastischen Kunststoffhalbzeugs zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung gemäß einer ersten bis dritten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines thermoplastischen Kunststoffhalbzeugs zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung gemäß einer ersten bis dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Das Verfahren zum Herstellen des thermoplastischen Kunststoffhalbzeugs zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung umfasst ein Zusammenfügen S1 eines Verstärkungsmaterials und eines leitfähigen Materials, wobei das Verstärkungsmaterial aus Verstärkungsfasern oder einem Verstärkungstextil und das leitfähige Material aus leitfähigen Fasern, einem leitfähigen Textil oder leitfähigen Faserabschnitten ausgebildet ist und wobei das leitfähige Material zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst des Weiteren ein Imprägnieren S2 des Verstärkungsmaterials und des leitfähigen Materials. Das Verfahren umfasst überdies ein Entfernen S3 von Lufteinschlüssen aus dem Kunststoffhalbzeug und optional einen Zuschnitt S4 des Kunststoffhalbzeugs.
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Die Verstärkungsfasern sind vorzugsweise aus Glasfasern ausgebildet. Alternativ können die Verstärkungsfasern auch aus Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Nylonfasern oder Naturfasern wie Flachsfasern, Hanffasern, Jutefasern, Kenaffasern, Ramiefasern oder Sisalfasern ausgebildet sein. Die leitfähigen Fasern sind vorzugsweise aus metallisierten Verstärkungsfasern ausgebildet. Diese sind vorzugsweise mit Kupfer beschichtet. Alternativ können diese ebenfalls mit Silber, Gold, Aluminium, Wolfram, Messing, Platin, Kobalt oder Mumetall beschichtet sein. Die leitfähigen Fasern können alternativ auch Metallfasern oder -drähte sein, welche aus Edelstahl, Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Wolfram, Messing, Platin, Kobalt oder Mumetall ausgebildet sind.
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Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird aus den Verstärkungsfasern und den leitfähigen Fasern ein Hybridtextil hergestellt. In dem Hybridtextil sind die Verstärkungsfasern und die leitfähigen Fasern abwechselnd verwebt. Alternativ kann das Hybridtextil auch aus einem Gelege der leitfähigen Fasern und der Verstärkungsfasern ausgebildet sein. Im Anschluss wird das Hybridtextil mit einer thermoplastischen Matrix imprägniert. Die Imprägnierung erfolgt vorzugsweise mittels Schmelzimprägnierung, d.h. einem Eintauchen des Hybridtextils in eine thermoplastische Schmelze.
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Alternativ kann die Imprägnierung auch mittels Folienimprägnierung, d.h. einem Einbetten des Hybridtextils zwischen thermoplastischen Folien erfolgen.
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Nach der Imprägnierung erfolgt eine Konsolidierung, d.h. ein Entfernen sämtlicher Lufteinschlüsse aus dem Halbzeug. Die Konsolidierung erfolgt vorzugsweise kontinuierlich, beispielsweise mittels einer Doppelwandpresse. Alternativ kann die Konsolidierung auch diskontinuierlich, beispielsweise mittels Autoklavtechnik erfolgen. Anschließend erfolgt optional ein Zuschneiden des Halbzeugs.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verstärkungstextil aus einem Fasergewebe, einem Fasergelege oder einem Vlies aus Verstärkungsfasern ausgebildet. Das leitfähige Textil ist aus einem Fasergewebe, einem Fasergelege oder einem Vlies aus leitfähigen Fasern ausgebildet. Das Verstärkungstextil und das leitfähige Textil werden bei gleichzeitigem Imprägnieren des Verstärkungstextils und des leitfähigen Textils zusammengefügt.
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Die Imprägnierung erfolgt vorzugsweise durch Schmelzimprägnierung. Alternativ kann die Imprägnierung auch mittels Folienimprägnierung durchgeführt werden. Anschließend erfolgt das Konsolidieren und optional ein Zuschneiden des Halbzeugs.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die leitfähigen Faserabschnitte auf das Verstärkungstextil, welches aus einem Fasergewebe, einem Fasergelege oder einem Vlies aus Verstärkungsfasern ausgebildet ist, bei gleichzeitigem Imprägnieren des Verstärkungstextils und der leitfähigen Faserabschnitte aufgebracht. Die leitfähigen Faserabschnitte sind Abschnitte von leitfähigen Fasern, welche vorzugsweise eine Länge von unter 10 mm aufweisen. Alternativ können die leitfähigen Fasern auch eine Länge von zwischen unter 10 mm bis mehrere Zentimeter aufweisen. Das Verstärkungstextil wird mit leitfähigen Faserabschnitten bestreut, bis diese über Stellen, an denen sich die leitfähigen Faserabschnitte berühren, ein ausreichend leitfähiges Netzwerk bilden. Die Imprägnierung erfolgt vorzugsweise mittels Schmelzimprägnierung. Alternativ kann die Imprägnierung auch durch Folienimprägnierung durchgeführt werden. Zwecks besserer Haftung der leitfähigen Faserabschnitte ist es alternativ auch denkbar, das Verstärkungstextil zuerst mittels Schmelzimprägnierung zu imprägnieren und anschließend leitfähige Faserabschnitte aufzustreuen. Gegebenenfalls kann anschließend eine erneute Schmelz- oder Folienimprägnierung erfolgen. Anschließend erfolgt die Konsolidierung S3 und optional ein Zuschneiden S4 des Halbzeugs.
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Ein thermoplastisches Kunststoffhalbzeug, welches gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, umfasst ein Verstärkungsmaterial und ein leitfähiges Material, wobei das Verstärkungsmaterial aus Verstärkungsfasern oder einem Verstärkungstextil und das leitfähige Material aus leitfähigen Fasern, einem leitfähigen Textil oder leitfähigen Faserabschnitten ausgebildet ist, und wobei das leitfähige Material zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist und wobei das Verstärkungsmaterial und das leitfähige Material mit einer thermoplastischen Matrix imprägniert sind.
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Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Verstärkungsfasern und die leitfähigen Fasern zu einem Fasergewebe oder einem Fasergelege zusammengefügt. Gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind das Verstärkungstextil, welches aus einem Fasergewebe, einem Fasergelege oder einem Vlies aus Verstärkungsfasern ausgebildet ist, und das leitfähige Textil, welches aus einem Fasergewebe, einem Fasergelege oder einem Vlies aus leitfähigen Fasern ausgebildet ist, durch Imprägnieren des Verstärkungstextils und des leitfähigen Textils mit einer thermoplastischen Matrix zusammengefügt.
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Gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die leitfähigen Faserabschnitte auf das Verstärkungstextil, welches aus einem Fasergewebe, einem Fasergelege oder einem Vlies aus Verstärkungsfasern ausgebildet ist, aufgebracht, und durch Imprägnieren des Verstärkungstextils und der leitfähigen Faserabschnitte mit einer thermoplastischen Matrix zusammengefügt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise kann das Kunststoffhalbzeug derart ausgebildet sein, dass das Verstärkungsmaterial und das leitfähige Material auch in einer anderen Kombination als vorstehend beschrieben zusammengefügt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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