-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mechanisch-elektrischen Fügeverbindungen zwischen mindestens zwei elektrisch leitenden Verbunden eines Verbundsystems und multifunktionales Verbundsystem.
-
Zur Erweiterung des Einsatzspektrums bieten neuartige Hochleistungsverbundwerkstoffe die Möglichkeit der Integration von zusätzlichen Funktionen wie z. B. Zustandserfassung oder aktive Strukturbeeinflussung. Diese Funktionen werden durch werkstoffintegrierte Funktionselemente, wie Sensoren oder Aktoren, der dazugehörigen Kontaktierung sowie Softwareroutinen umgesetzt. Dabei ist es äußerst problematisch eine zuverlässige elektrisch und mechanisch kombinierte Verbindung von Bauteil-zu-Bauteil oder externen Geräten zu realisieren, vor allem bei der Verwendung elektrisch leitender Werkstoffe wie z. B. kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK), Metall-Metall- oder Metall-Kunststoff-Verbunden. Dort muss zusätzlich eine elektrische Isolierung zur Grundstruktur gewährleistet werden. Typischerweise werden dabei die mechanischen und elektrischen Aspekte der Verbindung separat betrachtet, d. h. die Bauteile werden miteinander mechanisch verbunden z. B. durch Niete, Schrauben, Bolzen oder Klebstoff und dann wird nachträglich die elektrische Verbindung realisiert.
-
In herkömmlicher Weise werden für eine rein elektrische Kontaktierung der verbundintegrierten Leiterbahnen meist die Leiterbahnen bereits auf der Bauteiloberfläche isolationsfrei angeordnet oder die Verbunddeckschichten oberflächlich mechanisch abgetragen. Anschließend wird eine Isolationsschicht zum Verbund hin aufgebracht und daraufhin durch den Einsatz von z. B. leitfähigem Klebstoff oder standardmäßig aufgeklebten Steckerelementen die elektrische Verbindung realisiert, wie in den Druckschriften
X. P. Qing, S. J. Beard, A. Kumar, T. K. Ooi, et al.: Built-in Sensor Network for Structural Health Monitoring of Composite Structure, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 18(1), S. 39–49, 2006, Kostka, P.; Holeczek, H.; Hufenbach, W.; Langkamp, A.: Verfahren zur Herstellung von elektrisch kontaktierbaren Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen und zugehöriges Rotorsystem mit solchen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen in
DE 10 2012 025 519 A1 , Buckmüller, P.; Richter, H.: Untersuchungen zur MID-Kontaktierung mit Rundkontaktstiften. In: MID-Workshop Innovative Anwendungen der MID-Technik, 2009, S. 121–132,
Franke, J.: Räumliche elektronische Baugruppen (3D-MID). Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2013, ISBN: 978-3-446-43441-7, Wiedemann, M.: Funktionsintegration im Leichtbau,
http://elib.dlr.de/71812/1/Funktionsintegration_im_Leichtbau_MW2.pdf. Version: Januar 2011 beschrieben ist.
-
In den Druckschriften
AT 501 429 A1 mit einem Verfahren zur Durchkontaktierung und
DD 297 284 A5 mit einem elektronischen Kontaktelement als Durchkontaktierung einer Leiterplatte sind kombinierte elektrisch-mechanische Verbindungen aus der Leiterplattenfertigung beschrieben, wobei die dort zu realisierenden Verbindungen nicht in ein elektrisch leitfähiges Medium (hier der Grundwerkstoff wie z. B. CFK) eingebettet sind. Die dort realisierten Verbindungen müssen zudem nur sehr geringe Verbindungsfestigkeiten aufweisen. Zusätzlich zeigt sich, dass bei mechanischer Abtragung des Grundwerkstoffs zur Fügestellenvorbereitung die entstehenden Nebenprodukte wie etwa Staub, Späne oder abgetrennte Faserteile und andere Ablagerungen auf den Leiterbahnen bilden. Die Ablagerungen können mit steigender Belastung die vorgesehene Isolationsschicht durchdringen, was den Verlust der elektrischen Isolation zum Grundwerkstoff bewirkt. Für die Verbindung von glasfaserverstärkten Polypropylenverbunden mit integrierten Leiterbahnen sind bereits in den Druckschriften
Hufenbach, W., Adam, F., Gude, M., Körner, I., Heber, T., Winkler, A.: Detection of material integrated conductors for connective riveting of function-integrative textile-reinforced thermoplastic composites. Kompozyty – Composites 11(2011) 2, pp. 152–156,
Hufenbach, W., Adam, F., Winkler, A., Heber, T., Körner, I., Kupfer, R.: Mechanical and electrical joining of function-integrative textile-reinforced thermoplastic composites. Tagungsband International Conference Polymer Composites, 2011, Plzen: University of West Bohemia, 2011, pp. 57–62. – ISBN 978-80-7043984-5,
Hufenbach, W., Adam, F., Winkler, A., Weck, D., Kupfer, R.: Integration and evaluation of mechanical and electrical joints in function-integrative textile reinforced thermoplastic composites. Tagungsband 15th European Conference an Composite Materials: ECCM-15 (Venice, Italy, 24–28 June 2012), paper-ID. 1561,
Hufenbach, W., Adam, F., Körner, I., Winkler, A., Weck, D.: Combined joining technique for thermoplastic composites with embedded sensor networks. Journal of Intelligent Material Systems and Structures 24(2013) 10, pp. 1226–1232 kombinierte mechanisch-elektrische Verbindungen beschrieben. Dort ist jedoch die elektrische Isolation der Fügestelle zur Grundstruktur, nicht relevant, da die dafür eingesetzten Werkstoffe selbst nicht elektrisch leitfähig sind.
-
In der Druckschrift
EP 1 168 463 A1 sind elektrisch leitfähige Verbunde mit integrierten piezoelektrischen Sensoren und Aktoren beschrieben, bei denen die notwendigen elektrischen Zuleitungen durch eine zeitaufwendige Durchführung der Leiterbahnen durch den Laminataufbau an die Verbundoberfläche erfolgt. Ein daran befestigtes Steckerelement realisiert dort die rein elektrische Verbindung des aktiven Bauteils. Eine mechanische Verbindung mit einem zweiten Bauteil ist mit dieser Verbindung nicht möglich.
-
In der Druckschrift
WO 2009/049 613 A2 sind ein aktorisch wirksames und/oder sensitives Element, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung beschrieben und ein Verfahren zur Herstellung von LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics)-Modulen dargestellt. Dies stellt jedoch nur eine geringe Relevanz zur Integration von Leiterbahnen in elektrisch leitfähige Strukturbauteile und keine Relevanz zu kombinierten elektrisch-mechanischen Fügestellen dar.
-
Die Nachteile der genannten und herkömmlichen Verfahren bestehen darin: Zurzeit werden die Leiterbahnen in arbeitsintensiven Verfahren meist an die Oberfläche verlegt oder nachträglich durch mechanische Bearbeitung wie etwa Fräsen oder Anschleifen freigelegt. Dies schädigt die Werkstoffstruktur, entweder durch den lokalen Eintrag der Wärme – kritisch sowohl bei kunststoffbasierten als auch metallischen Verbundwerkstoffen – oder Unterbrechung des Kraftflusses über die Fasern – problematisch hauptsächlich bei Faserverbunden –, was wiederum eine Minderung der mechanischen Verbundeigenschaften des gesamten Verbundsystems bedingt. Zusätzlich können die entstehenden Nebenprodukte des spanenden Prozesses sowie herausstehende Faserenden die elektrische Isolation zum Grundwerkstoff beeinträchtigen. Weiterhin werden die existierenden Verbindungen maßgeblich hinsichtlich einer mechanischen Bauteilverbindung ausgelegt. Zusätzlich werden bei Integration bzw. Applikation von Funktionselementen separate elektrische Verbindungsstellen, wie etwa Lotstellen oder Steckerelemente vorgesehen, die nicht wesentlich zur mechanischen Verbindung der Bauteile beitragen, wie in der Druckschrift
DE 10 2012 025 519 A1 in dem Verfahren zur Herstellung von elektrisch kontaktierbaren Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen und zugehöriges Rotorsystem mit solchen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen beschrieben ist.
-
Ein weiterer Nachteil ist, dass z. B. in der Luftfahrtindustrie die Leiterbahnen bzw. vorkonfektionierten Kabelbäume auf der Tragstruktur angebracht werden, was einen aufwändigen Zertifizierungsprozess erfordert.
-
In der Druckschrift
DE 695 07 459 T2 ist eine Vorrichtung mit oberflächenkontaktierten Bauteilen tragenden Innenschichten beschrieben,
wobei ein mehrschichtiges Substrat vorgesehen ist, mit
einer Mehrzahl von Schichten aus isolierendem Material, einschließlich mindestens einer oberen Schicht und einer unteren Schicht,
mindestens einer Mulde, die in mindestens einer der Schichten ausgebildet ist,
wobei sich die Mulde von einer Außenfläche des mehrschichtigen Substrats zu einer Innenfläche des mehrschichtigen Substrats erstreckt,
wobei eine oberflächenmontagekompatible Bondkontaktierungsfläche, die in jeder Mulde auf der Innenfläche des mehrschichtigen Substrats ausgebildet ist,
wobei Anschlussstifte eines elektrischen Verbindungselements in jeder Mulde angebracht sind, um so an die besagte Bondkontaktierungsfläche anzustoßen.
-
Ein Nachteil besteht u. a. darin, dass in der Vorrichtung elektrisch nicht leitende Werkstoffe bzw. Schichten als Grundstruktur (isolierende Platten) betrachtet werden. Die elektrisch leitenden Strukturen sind nicht noch einmal separat isoliert, so dass mit diesem Verfahren keine elektrisch leitende Verbunde mit integrierten Funktionsschichten gefügt werden können, da es dort zu elektrischen Kurzschlüssen über die Platten/Verbunde kommen würde. Zusätzlich sind die dort aufgeführten Verbindungen nicht für die Übertragung höherer mechanischer Lasten geeignet.
-
Die Druckschrift
US 2009/0 201 654 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der elektrischen Leistung von Durchgangskontaktlöchern bei einer hohen Datentransmissionsrate. Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Reduzierung von an einem Durchkontaktierungsloch bestehenden parasitären Effekten in Leiterplatten-Übertragungskanälen. Um die parasitären Überschuss-Effekte der Durchgangsloch-Kapazität in Leiterplatten-Strukturen zu reduzieren, wird die Leiterplatten-Durchgangslochgestaltung für serielle Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen durch die Verwendung einer niedrigen Dielektrizitätskonstantenverstärkung und von zur z-Achse führenden Verfahren verbessert. Ein Verfahren, um dies zu erreichen, schafft einen Kanal innerhalb der Leiterplatte mittels eines Durchgangskontaktloches, wobei der erzeugte Kanal mit einer vorbestimmten Menge an dielektrischem Material gefüllt wird, wobei beim Bilden des Durchgangskontaktlochs eine elektrische Verbindung zwischen der oberen Struktur-Schicht und mindestens einer inneren Signalsubstratschicht der Struktur erzeugt wird. Ein Nachteil besteht darin, dass keine elektrisch leitenden Grundwerkstoffe gefügt werden können, da der dort betrachtete Leiterplattengrundwerkstoff als elektrisch nichtleitend vorgesehen ist und somit zu den Leiterzügen der PCB und den Verbindungselementen keine separate Isolation notwendig ist. Weiterhin werden die Verbindungselemente nur als Durchkontaktierungselemente betrachtet, die nicht als Lastübertragungselemente für höhere Lasten vorgesehen sind.
-
Die Druckschrift
US 2014/0 097 011 A1 betrifft eine Verbund-Komponente mit elektrischen Leiterbahnen, wobei die Verbund-Komponente aus
- – einer faserplastischen Materialkomponente besteht, die zumindest zwei Schichten aus faserverstärktem Material aufweist, und
- – mindestens einer elektrischen Leiterbahn besteht, die zwischen mindestens den beiden Schichten aus faserverstärktem Material angeordnet ist.
-
Ein Nachteil besteht darin, dass die integrierten Leiterbahnen nach außen geführt werden bzw. ein aus dem Verbund hervorstehendes Anschlusselement an den Leiterbahnen angebracht sein muss. Als Leiterbahnelemente sind dort Drahtlitzen vorgesehen. Zudem sind die dort angestrebten Verbindungen hauptsächlich zur Übertragung elektrischer Signale und weder zur mechanischen Verbindung von mehreren Strukturbauteilen zueinander noch zur Übertragung höherer mechanischer Lasten ausgeführt.
-
Die Druckschrift
DE 692 25 495 T2 betrifft ein Verfahren zur Konstruktion von mehrschichtigen Schaltungen, Strukturen mit Personalisierungsmerkmalen und darin verwendete Komponenten.
-
Ein Nachteil der besteht darin, dass die in der
DE 692 25 495 T2 beschriebene Ausführung der mehrlagigen Schaltkreisplatinen bei Verwendung elektrisch leitfähiger Grund- und Verbundstrukturen nicht geeignet ist, da keine separaten Isolationsschichten vorgesehen sind. Die dargestellten Verbindungszonen sind zudem nicht für die Verbindung von mehreren Verbund- bzw. Leiterplattenlagen mit dem Ziel der Übertragung höherer mechanischer Lasten ausgelegt. Zudem werden die dort dargestellten Kontaktierungselemente und Leiter jeweils auf die Platinenoberfläche aufgebracht.
-
Die werkstoffliche Integration von Leiterbahnen in elektrisch leitfähige Hochleistungsverbunde erfordert im Vergleich zu oberflächlich freiliegenden Leiterbahnen eine geeignete Kontaktierungsmethode. Derzeit ist ein kombiniertes (mechanisch-elektrisches) Fügeverfahren, hinsichtlich einer elektrischen Isolation zum leitfähigen Grundwerkstoff wie etwa kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff nicht bekannt.
-
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von mechanisch-elektrischen Fügeverbindungen zwischen mindestens zwei elektrisch leitenden Verbunden eines Verbundsystems und ein multifunktionales Verbundsystem anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine sichere kombinierte, mechanisch-elektrische Fügeverbindung von elektrisch leitenden Verbundbauteilen mit in den Lagenaufbau integrierten Funktionselementen erreicht wird. Dabei sollen über diese Fügeverbindung sowohl mechanische Lasten als auch elektrische Signale übertragen werden können.
-
Zusätzlich zur mechanisch-elektrischen Funktion der Fügestelle soll die im Verbundaufbau integrierte Leiterbahn zum Verbundwerkstoff an sich eine elektrische Isolation aufweisen, d. h. die Leiterbahnen sollen durch den Aufbau der Funktionsschicht elektrisch isoliert sein.
-
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 7 gelöst. Das Verfahren zur Herstellung von mechanisch-elektrischen Fügeverbindungen zwischen mindestens zwei elektrisch leitenden Verbunden eines multifunktionalen Verbundsystems
umfasst gemäß dem Patentanspruch 1
zumindest folgende Schritte:
- – Aufbringen und Befestigen von elektrisch isolierenden Einlegern beidseits von mindestens zwei Kontaktierungsstellen von mindestens zwei Funktionsschichten, wobei jede Funktionsschicht je zwei isolierende Trägerfolien aufweist, zwischen denen sich Leiterbahnen oder mindestens ein mit Leiterbahnen verbundenes Funktionselement befinden, und wobei die Kontaktierungsstellen mit den Leiterbahnen verbunden sind und gegenüber den Leiterbahnen flächenmäßig vergrößert sind,
- – Bilden der Verbunde durch Zusammenstellen und Aufeinanderlegen von Verbundlagen beidseits der Funktionsschichten, wobei jeweils eine Funktionsschicht zwischen zwei Verbundlagen angeordnet wird, mittels Überstülpen von Verbundlagen auf die isolierenden Einleger unter Ausbildung von Löchern in den Verbundlagen zum Bilden der Verbunde, wobei die Ausbildung von Löchern durch Bohren oder bei Faserverbundlagen durch Durchstoßen der Verbundlagen oder durch Verdrängen der Fasern durch die Einleger derart erfolgt, dass die Fasern der Verbundlagen um die Einleger herum geführt werden, und dass die Verbundlagen die Funktionsschichten berühren und nachträglich konsolidiert oder ausgehärtet werden,
- – Ausbildung von positionsmäßig gemeinsam zugeordneten Durchgangslöchern in den isolierenden Einlegern und den dem Einleger zugehörigen Kontaktierungsstellen,
- – Übereinanderlegen von mindestens zwei Verbunden an den vorgesehenen übereinander befindlichen Kontaktierungsstellen mit Schaffung mindestens eines Totaldurchgangslochs aus jeweils einem ausgebildeten Durchgangsloch der Verbunde,
- – Einführen eines steifen, elektrisch leitenden Fügeelements in das durch beide Verbunde hindurchgehende Totaldurchgangsloch zur Ausbildung von elektrisch leitenden Kontaktzonen mit den Kontaktierungsstellen und
- – Arretieren der einander berührenden Verbunde zu dem multifunktionalen Verbundsystem durch Arretieren des Fügeelements außerhalb des Totaldurchgangslochs der Verbunde derart,
dass die miteinander durch das arretierte elektrisch leitende Fügeelement in Verbindung stehenden Verbunde durch die entstandene mechanisch-elektrische Fügeverbindung mechanisch und elektrisch leitend miteinander verbunden sind und durch die isolierenden Einleger außerhalb der Kontaktierungsstellen voneinander elektrisch isoliert sind.
-
Die Funktionselemente können sowohl aktive elektrische/elektronische Bauteile als auch passive Elemente wie etwa einfache Kupferfolien sein.
-
Die Einleger können kegelförmig ausgebildet sein.
-
Vor dem Aufbringen der elektrisch isolierenden Einleger beidseits auf den Bereich der Kontaktierungsstellen kann folgender Schritt durchgeführt werden: Einbringen von Aussparungen beiderseits an Bereichen der vorgesehenen elektrischen Kontaktierungsstellen in den Trägerfolien der zumindest mit Leiterbahnen versehenen Funktionsschicht.
-
Die Aussparungen können von den elektrisch isolierenden Einlegern abgedeckt werden.
-
Als elektrisch leitende Fügeelemente können Verbindungselemente für die mechanische Verbindung eingesetzt werden.
-
Des Weiteren können als elektrisch leitende Fügeelemente metallische Bolzenverbindungen oder metallische Stiftverbindungen vorgesehen werden.
-
Im besonderen Fall können die elektrisch leitenden Fügeelemente metallische Blindniete oder Schrauben sein.
-
Das multifunktionale Verbundsystem aus mindestens zwei Verbunden, hergestellt nach dem vorgenannten Verfahren,
umfasst gemäß dem Patentanspruch 7
zumindest
- – mindestens zwei miteinander in Verbindung stehende Verbunde, wobei jeder Verbund zumindest aufweist
- – eine Funktionsschicht mit je zwei isolierenden Trägerfolien, zwischen denen sich Leiterbahnen und/oder mindestens ein mit den Leiterbahnen verbundenes Funktionselement befindet,
- – eine gegenüber den Leiterbahnen flächenmäßig vergrößerte Kontaktierungsstelle, die zumindest mit den Leiterbahnen verbunden ist,
- – jeweils einen elektrisch isolierenden Einleger beiderseits sich gegenüberliegend der Kontaktierungsstelle,
- – mindestens zwei Verbundlagen, die jeweils beiderseits auf einer Funktionsschicht aufgebracht sind und im Bereich der Kontaktstellen und der Einleger mit Durchgangslöchern versehen sind,
- – jeweils mindestens ein Durchgangsloch durch die Einleger und die Kontaktstelle hindurch,
wobei die Verbunde an ihren zugewandten Berührungsflächen aneinander liegen und dabei ein Totaldurchgangsloch mit den Kontaktierungsstellen aus den Durchgangslöchern bilden, wobei in das Totaldurchgangsloch ein elektrisch leitendes Fügeelement zur Ausbildung von elektrisch leitenden Kontaktzonen mit den Kontaktierungsstellen eingebracht ist, wobei das Fügeelement außerhalb der Verbunde an den Verbunden arretierend anliegt und zumindest an dem elektrisch leitenden Fügeelement ein elektrisches/elektronisches Funktionselement aufweist.
-
Die Einleger können eine kegelartige und/oder kegelstumpfartige Form haben.
-
Beiderseits und sich gegenüberliegend der Kontaktierungsstellen können Aussparungen in den Trägerfolien der Funktionsschicht eingebracht sein.
-
Die elektrisch isolierenden Einleger können vollständig aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff oder aus einem mit einer Isolierenden Schicht beschichteten vorgegebenen geometrischen Körper bestehen.
-
Als elektrisch leitende Fügeelemente können Verbindungselemente für die mechanische Verbindung zur Erzeugung einer Kontaktzone mit den elektrisch leitfähigen Strukturen – Leiterbahnen, Funktionselement – der Funktionsschicht eingesetzt sein.
-
Die Verbindungselemente für die mechanische Verbindung zur Erzeugung von elektrisch leitfähigen Kontaktzonen können z. B. metallische Blindniete sein.
-
Das Totaldurchgangsloch kann aus mindestens zwei Durchgangslöchern bestehen, das durch jeweils mindestens zwei elektrisch isolierende Einleger und die elektrisch leitende Kontaktierungsstelle hindurchgeht, wobei die elektrisch leitende Kontaktierungsstelle mit dem elektrisch leitenden Fügeelement einerseits und schließlich mit den Leiterbahnen und/oder dem Funktionselement andererseits in einer verbindenden und elektrisch leitenden Kontaktzone verbunden ist.
-
Die Einleger können beiderseits der Funktionsschicht im Bereich der Kontaktierungsstelle an den beidseitigen Aussparungen in den Trägerfolien an der Funktionsschicht angebracht sein.
-
Die an der Funktionsschicht sich gegenüberliegenden Einleger können mit einem Klebstoff im Bereich der Aussparungen in den Trägerfolien an der Funktionsschicht befestigt sein.
-
Die an der Funktionsschicht sich gegenüberliegenden Einleger können mit einem zweiten Klebstoff auf der Funktionsschicht ohne Aussparungen in den Trägerfolien befestigt sein.
-
Die an der Funktionsschicht sich gegenüberliegenden Einleger können mit einer formschlüssigen Verbindung auf der Funktionsschicht mit Aussparungen befestigt sein.
-
Die ausgeformten Durchgangslöcher können auch mittels mechanischer Verfahren, z. B. Bohren, oder chemischer Verfahren, z. B. Herauslösen, erzeugt sein.
-
Der wesentliche Vorteil besteht in einer Kombination von mechanischen Funktionen und elektrischen Funktionen in einem elektrisch leitenden Fügeelement, wodurch sowohl die Anzahl als auch der Aufwand der Herstellungsprozessschritte verringert werden und der Herstellungsprozess der mechanischen Verbindung selbst nur gering beeinflusst wird. Mit derartigen Fügeverbindungen ist ein enormer funktionaler Zugewinn für Leichtbausysteme möglich, da die mechanische Fügeverbindung zusätzlich auch zur Übertragung elektrischer Signale, bei gleichzeitiger Gewährleistung einer ausreichenden elektrischen Isolation zum Grundwerkstoff, genutzt werden kann.
-
Weitere Vorteile der Erfindung sind ein reduzierter Fertigungsaufwand, eine materialschonende Verarbeitung, eine zuverlässige mechanische und elektrische Verbindung von mehreren Bauteilen sowie die Einzigartigkeit dieser kombinierten Verbindungen, der Verbindungselemente und deren Herstellung. Zusätzlich lässt sich durch entsprechende Gestaltung eines Einlegerpaars, z. B. durch komplementäre konvexe und konkave Einlegeranpressflächen, eine Positionierungshilfe realisieren.
-
Das Ergebnis der Erfindung ist ein multifunktionales Verbindungssystem.
-
Weiterbildungen und spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
-
Die Erfindung wird mittels eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbundsystems, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von mechanisch-elektrischen Fügeverbindungen zwischen mindestens zwei elektrisch leitenden Verbunden hergestellt wird,
-
2 einen Aufbau einer beispielhaften Funktionsschicht,
-
3 eine schematische Darstellung zum Anbringen des Einlegers an eine Funktionsschicht, wobei
- 3a Einleger mit einer ersten Klebstoffschicht in den Aussparungen der Funktionsschicht befestigt ist,
- 3b Einleger mit einer zweiten Klebstoffschicht auf der Funktionsschicht ohne Aussparungen befestigt ist,
- 3c Einleger mit einer formschlüssigen Verbindung an der Funktionsschicht befestigt ist
zeigen,
-
4 beispielhafte geometrische Konfigurationen des Einlegers für Funktionsschichten, wobei
- 4a einen Einleger des Typs A und
- 4b einen Einleger des Typs B mit chemisch lösbarem Kernteil
zeigen,
-
5 einen Ablauf der Verfahrensschritte zur Herstellung einer mechanisch-elektrischen Fügeverbindung, wobei
- 5a eine aktive Funktionsschicht mit beidseitig angebrachtem kegelförmigen Einleger,
- 5b ein Lagenaufbau und eine Konsolidierung (bei metallischen Verbunden sind vorgelochte Verbundlagen erforderlich), wobei die Verbundlagen durch kegelförmige Einleger aufgespreizt werden,
- 5c eine Fügeverbindungsvorbereitung mit einem Entfernen des
- 5d eine mechanische Vorbereitung der Fügezone mit Abschleifen auf das Niveau der Verbundlagen oder Lochen der Kontaktierungsstelle und
- 5e eine mechanisch-elektrische Fügeverbindung
zeigen.
-
Die 1 und die 2 werden im Folgenden gemeinsam betrachtet. In 1 wird eine schematische Darstellung eines multifunktionalen Verbundsystems 1 aus zwei Verbunden 2, 3 gezeigt, wobei das Verbundsystem 1 zumindest mindestens zwei miteinander in Verbindung stehende Verbunde 2, 3 umfassen kann.
-
Erfindungsgemäß umfasst zumindest jeder Verbund 2; 3
- – mindestens eine Funktionsschicht 9; 10 mit je zwei elektrisch isolierenden Trägerfolien 11, 12; 13, 14, zwischen denen sich Leiterbahnen 15; 16 und/oder mindestens ein mit den Leiterbahnen 15; 16 verbundenes Funktionselement 36 gemäß 2 befindet,
- – eine gegenüber den Leiterbahnen 15; 16 und mit den Leiterbahnen 15; 16 in Verbindung stehende, flächenmäßig vergrößerte Kontaktierungsstelle 17; 18,
- – jeweils einen elektrisch isolierenden Einleger 22, 23; 24, 25 sich gegenüberliegend und beiderseits der Kontaktierungsstelle 17; 18,
- – zwei Verbundlagen 5, 6; 7, 8, die jeweils beiderseits auf eine Funktionsschicht 9; 10 aufgebracht und je nach eingesetztem Material konsolidiert oder ausgehärtet sind,
- – mindestens ein ausgeformtes Durchgangsloch 42 durch die Einleger 22, 23; 24, 25 und durch die Kontaktierungsstelle 17; 18 hindurch,
wobei die beiden Verbunde 2; 3 an den zugewandten Berührungsflächen 26, 27 aneinander liegen und dabei ein Totaldurchgangsloch 19 mit den Kontaktierungsstellen 17; 18 aus den beiden Durchgangslöchern 42 bilden, wobei in das Totaldurchgangsloch 19 ein elektrisch leitendes Fügeelement 4 zur Ausbildung einer mechanisch arretierend und elektrisch leitend miteinander funktionierenden Kontaktzone 43, 44 mit den Kontaktierungsstellen 17, 18 eingebracht ist, wobei das Fügeelement 4 außerhalb der beiden Verbunde 2; 3 an den Verbunden 2; 3 arretierend anliegt und zumindest an dem elektrisch leitenden Fügeelement 4 mindestens ein elektrisches/elektronisches Funktionselement 36 gemäß 2 aufweist.
-
Das Bezugszeichen 30 stellt einen Restdorn des Blindniets 4 dar.
-
Beiderseits der Kontaktierungsstellen 17; 18 können Aussparungen 32, 33; 34, 35 in den elektrisch isolierenden Trägerfolien 11, 12; 13, 14 eingebracht sein, die auch durch Klebstoff 37, 38 gemäß 3a, 3b befestigt sein können. Dann können die Einleger 22, 23; 24, 25 auch zur Überbrückung der Aussparungen 32, 33; 34, 35 dienen.
-
In 2 ist ein schematischer Aufbau einer Funktionsschicht 9 gezeigt. Es werden darin eine Draufsicht und eine Seitenansicht der Funktionsschicht 9 gezeigt. Die Funktionsschicht 9 weist ein zumindest elektrisch leitendes Funktionselement 36 auf, von dem mehrere Leiterbahnen 15 wegführen, die an flächenmäßig ausgeweiteten Kontaktierungsstellen 17 enden. Über die Kontaktierungsstellen 17 werden andere Funktionsschichten, z. B. die Funktionsschicht 10 gemäß 1 angeschlossen.
-
Für den Aufbau der Funktionsschicht 10 gilt Gleiches wie für die Funktionsschicht 9, ebenso weitgehend für beide Funktionsweisen.
-
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung von zwei Einlegern 22, 23, die beidseits einer Funktionsschicht 9 im Bereich der Kontaktierungsstelle 17 mit ihren beidseitigen Aussparungen 32, 33 in den Trägerfolien 11, 12 an der Funktionsschicht 9 angebracht sind, wobei
die 3a zwei sich an der Funktionsschicht 9 gegenüberliegende Einleger 22, 23, die mit einem ersten Klebstoff 37 im Bereich der Aussparungen 32, 33 der Funktionsschicht 9 befestigt sind, zeigt,
die 3b zeigt zwei sich an der Funktionsschicht 9 gegenüberliegende Einleger 22, 23 mit einem zweiten Klebstoff 38 auf der Funktionsschicht 9 ohne Aussparungen in den Trägerfolien 11, 12 befestigt sind, und
die 3c stellt zwei sich an der Funktionsschicht 9 gegenüberliegende Einleger 22, 23 mit einer formschlüssigen Verbindung 39 auf der Funktionsschicht 9 mit Aussparungen 32, 33 befestigt sind, dar.
-
Damit können an den Kontaktierungsstellen 17; 18 Aussparungen 32, 33, 34, 35 oder auch keine Aussparungen vorhanden sein, da die Trägerfolie 11, 12, 13, 14 aus elektrisch isolierendem Material besteht.
-
In den 4, 4a, 4b sind beispielhafte geometrische Konfigurationen von kegelförmigen Einlegern 22 für Funktionsschichten 9, 10 dargestellt, wobei die 4a einen Einleger 22 eines festgelegten Typs A mit durchgängig kegelförmiger Ausbildung, wobei der Kegel aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht, zeigt, und die 4b einen Einleger 22 des Typs B mit einem chemisch lösbaren Kernteil 41 und mit einem Restteil 40 zeigt, wobei der Restteil in der Form eines kegelstumpfartigen Körpers eine Höhe aufweist, die der Dicke der eingesetzten Verbundlage 5, 6; 7, 8 entspricht, und ebenso aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht und der Kernteil 41 als chemisch lösbarer Werkstoff die Form einer Pfeilspitze hat. Die jeweils zweite Darstellung des Einlegers 22 des Typs A und des Typs B stellen die Draufsichten der Einleger 22 dar.
-
In der 5 wird der technische Ablauf der Verfahrensschritte zur Herstellung einer efindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Fügeverbindung 31 gemäß 1 schematisch dargestellt und dabei jeweils ein paralleler Ablauf zum Einen für den Einleger 22 des Typs A und zum Anderen für den Einleger 22 des Typs B zugeordnet (gestrichelte Trennlinie zwischen Typ A und Typ B) gezeigt, wobei die 5a wahlweise eine aktive, d. h., elektrisch/elektronisch funktionierende Funktionsschicht 9 mit beidseitig angebrachtem kegelförmigem Einleger 22, 23 zeigt, die jeweils an den Trägerfolien 11, 12, die Aussparungen 32, 33 abdeckend, befestigt sind. Anstelle einer aktiven Funktionsschicht 9 kann auch eine passive Funktionsschicht 9 mit nur auf-/eingebrachten Leiterbahnen oder elektrisch leitender Folie vorhanden sein.
-
Die 5b zeigt einen Lagenaufbau mit Verbundlagen 5, 6 und eine Konsolidierung der Verbundlagen 5, 6 an den Trägerfolien 11, 12, wobei bei metallischen Verbunden vorgelochte Verbundlagen erforderlich sind, wobei die Verbundlagen 5, 6 über die kegelförmigen Einleger 22, 23 übergespreizt werden. Die 5c stellt eine Fügeverbindungsvorbereitung mit einem Entfernen des Einlegerkemmaterials dar, wobei bei dem Einleger 22 des Typs A durch Bohren eine Entkernung in Richtung der Kegelachse oder bei dem Einleger 22 des Typs B durch chemisches Lösen des Kernteils 41 die Entkernung in Richtung der Kegelachse durchgeführt wird, so dass zumindest beim Einleger Typ A das Durchgangsloch 42 entsteht, die 5d zeigt eine mechanische Vorbereitung der Fügezone mit Abschleifen auf das Niveau der Verbundlagen 2, 3 beim Einleger 22 des Typs A oder Lochen der Kontaktierungsstelle 17 beim Einleger 22 des Typs B, so dass ein Durchgangsloch 42 beim Einleger 22 Typ B entsteht, und die 5e zeigt die erfindungsgemäße mechanisch-elektrische Fügeverbindung 31 zwischen den zwei Verbunden 2, 3 durch Einbringen eines elektrisch leitenden Fügeelements 4 in das Totaldurchgangsloch 19, das aus den beiden Durchgangslöchern 42 der Einleger 22, 23 bzw. 24, 25 besteht, mit anschließendem Bördeln bzw. Arretieren des elektrisch leitfähigen Fügeelements 4 an der Außenwand der äußeren Verbundlagen 6 und 7.
-
Das elektrisch leitfähige Fügeelement 4 kann ein metallisch ausgebildeter Blindniet sein.
-
Auf den Verbundlagen 2, 3 können außen isolierende Folien oder Schichten 20, 21 aufgebracht sein, um keinen elektrischen Kontakt zwischen den Bördelungen 28, 29 des gebördelten Fügeelements 4 und den Verbundlagen 6 und 7 zu ermöglichen.
-
Im Folgenden wird die Erfindung in spezieller Kurzform dargestellt:
Das Verbindungssystem wird in der Form eines speziellen Einlegers 22, 23 und 24, 25, durch z. B. Blindniet 4 und verbundintegrierten Leiterbahnen 15, 16 ausgeführt. Mithilfe einer sogenannten Funktionsschicht 9, 10 werden die Leiterbahnen 15, 16 mit den Funktionselementen 36 elektrisch verbunden und zur Grundstruktur mit Trägerfolien 11, 12 und 13, 14 isoliert. An den späteren Fügestellen der Verbundbauteile werden ausgehend von den Leiterbahnen werkstoff- und geometrieangepasste Einleger 22, 23 und 24, 25 in den Aufbau des Verbundsystems 1 eingebracht. Die Einleger 22, 23 und 24, 25 können vollständig aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff bestehen in Form eines Dorns entweder ohne (Typ A) oder mit einem chemisch lösbaren Kern (Typ B). Die Form des Domes bewirkt, dass z. B. bei Faserverbunden die nicht konsolidierten Verstärkungsrovings schonend an der Dornseitenfläche gespreizt werden, ohne diese zu beschädigen. Der Kern ist mit der Leiterbahn elektrisch verbunden. Nach der Verbundkonsolidierung wird die Dornmitte (Typ A) oder der Einlegerkern (Typ B) entweder durch mechanisches Abtragen oder chemisches Herauslösen entfernt, so dass einerseits die Leiterbahnkontaktierungsstelle 17, 18 frei liegt und andererseits die Isolation zur Grundstruktur 9, 10 durch den verbleibenden Dornrest 40 gewährleistet ist.
-
Dabei wird folgendes Verfahren realisiert:
Das Verfahren zur Herstellung von mechanisch-elektrischen Fügeverbindungen 31 zwischen mindestens zwei elektrisch leitenden Verbunden 2; 3 eines multifunktionalen Verbundsystems 1
weist zumindest folgende Schritte auf:
- – Aufbringen und Befestigen von aus isolierendem Material bestehenden Einlegern 22, 23; 24, 25 beiderseits der Kontaktierungsstelle 17; 18 auf der Funktionsschicht 9; 10,
- – Zusammenstellen und Aufeinanderlegen von Verbundlagen 5, 6; 7, 8 beiderseits der Funktionsschicht 9; 10 mittels Überstülpen der Verbundlagen 5, 6; 7, 8 auf die isolierenden Einleger 22, 23; 24, 25 unter Ausbildung von Durchgangslöchern 42 in den Verbundlagen 2; 3, wobei die Ausbildung von Durchgangslöchern 42 durch Bohren oder bei Faserverbundlagen durch Durchstoßen der Verbundlagen 2; 3 oder durch Verdrängen der Fasern durch die Einleger 22, 23; 24, 25 derart erfolgt, dass die Fasern der Verbundlagen 2; 3 um die Einleger 22, 23; 24, 25 zerstörungsfrei geführt werden, und dass die Verbundlagen 5, 6; 7, 8 die Funktionsschicht 9; 10 berühren und nachträglich konsolidiert oder ausgehärtet werden,
- – Ausbildung von positionszugeordneten gemeinsamen Durchgangslöchern 42 in den isolierenden Einlegern 22, 23; 24, 25 und der zugehörigen Kontaktierungsstelle 17; 18,
- – Begradigen von die Verbundlagen 5, 6; 7, 8 überstehenden Teilen der isolierenden Einleger 22, 23; 24, 25 auf das äußere Flächenniveau der Verbundlagen 5, 6; 7, 8,
- – Übereinanderlegen von mindestens zwei Verbunden 2; 3 an den vorgesehenen übereinander befindlichen Kontaktierungsstellen 17; 18 mit Schaffung mindestens eines Totaldurchgangslochs 19 mit jeweils einem ausgebildeten Durchgangsloch 42 der Verbunde 2; 3,
- – Einführen eines steifen, elektrisch leitenden Fügeelements 4 in das durch beide Verbunde 2; 3 hindurchgehende Totaldurchgangsloch 19 und
- – Arretieren der einander berührenden Verbunde 2; 3 zu dem multifunktionalem Verbundsystem 1 durch Arretieren des Fügeelements 4 außerhalb des Totaldurchgangslochs 19 der Verbunde 2; 3 derart, dass die miteinander durch das arretierte elektrisch leitende Fügeelement 4 in Verbindung stehenden Verbunde 2; 3 durch die entstandene mechanisch-elektrische Fügeverbindung 31 mechanisch und elektrisch leitend miteinander zu einer elektrisch leitenden Kontaktzone 43, 44 verbunden sind und durch die isolierenden Einleger 22, 23; 24, 25 außerhalb der Kontaktierungsstellen 17; 18 voneinander isoliert sind.
-
Vor dem Aufbringen der Einleger 22, 23; 24, 25 kann beiderseits auf den Bereich der Kontaktierungsstellen 17; 18 folgender Schritt bezüglich der elektrisch isolierenden Trägerfolien 11, 12; 13, 14 durchgeführt werden:
Einbringen von Aussparungen 32, 33; 34, 35 beiderseits an Bereichen der vorgesehenen elektrischen Kontaktierungsstellen 17; 18 an den Trägerfolien 11, 12; 13, 14 der zumindest mit Leiterbahnen 15; 16 versehenen Funktionsschicht 9; 10 und/oder mindestens einem mit den Leiterbahnen 15; 16 verbundenen Funktionselement 36 zwischen den zwei Trägerfolien 11, 12; 13, 14.
-
Die Aussparungen 32, 33; 34, 35 können von den isolierenden Einlegern 22, 23; 24, 25 randweise an den Aussparungskanten der Trägerfolien 11, 12; 13, 14 abgedeckt oder mit einem elektrisch isolierenden Klebstoff 37, 38 gefüllt werden.
-
Als elektrisch leitende Fügeelemente 4 können Verbindungselemente zur Ausbildung einer mechanischen Verbindung, z. B. Bolzenverbindungen oder Stiftverbindungen, insbesondere die bereits genannten metallischen Blindniete eingesetzt werden.
-
Der Vorteil der Erfindung besteht dann, dass eingebettete mechanisch-elektrische Fügeverbindungen 31 mit ihren Kontaktzonen 43, 44 kombiniert gefügt, d. h. durch eine mechanische Verbindung mit zusätzlicher elektrischer Übertragungsfunktion miteinander verbunden, werden.
-
Der wesentliche Vorteil besteht in einer Kombination von mechanischen Funktionen und elektrischen Funktionen in einer Fügeverbindung 31, wodurch die Anzahl als auch der Aufwand der Herstellungsprozessschritte verringert wird und der Herstellungsprozess der mechanischen Verbindung selbst nur gering beeinflusst wird. Mit derartigen Verbindungen ist ein enormer funktionaler Zugewinn für Leichtbausysteme möglich, da die mechanische Fügeverbindung zusätzlich auch zur Übertragung elektrischer Signale, bei gleichzeitiger Gewährleistung einer ausreichenden elektrischen Isolation zum Grundwerkstoff, genutzt werden kann.
-
Weitere Vorteile der Erfindung sind ein reduzierter Fertigungsaufwand, eine materialschonende Verarbeitung, eine zuverlässige mechanische und elektrische Verbindung von mehreren Bauteilen sowie die Einzigartigkeit dieser kombinierten Verbindungen, der Verbindungselemente und deren Herstellung. Zusätzlich lässt sich durch entsprechende Gestaltung eines Einlegerpaars 22, 23 sowie 24, 25, z. B. durch komplementäre konvexe und konkave Einlegeranpressflächen, eine Positionierungshilfe realisieren.
-
Literaturverzeichnis
-
- [1] X. P. Qing, S. J. Beard, A. Kumar, T. K. Ooi, et al.: Built-in Sensor Network for Structural Health Monitoring of Composite Structure, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 18(1): 39–49, 2006,
- [2] Kostka, P.; Holeczek, H.; Hufenbach, W.; Langkamp, A.: Verfahren zur Herstellung von elektrisch kontaktierbaren Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen und zugehöriges Rotorsystem mit solchen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen in DE 10 2012 025 519 A1 ,
- [3) Buckmüller, P.; Richter, H.: Untersuchungen zur MID-Kontaktierung mit Rundkontaktstiften. In: MID-Workshop Innovative Anwendungen der MID-Technik, 2009, S. 121–132,
- [4] Franke, J.: Räumliche elektronische Baugruppen (3D-MID). Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2013, ISBN: 978-3-446-43441-7,
- [5] Wiedemann, M.: Funktionsintegration im Leichtbau. http://elib.dlr.de/71812/1/Funktionsintegration_im_Leichtbau_MW2.pdf. Version: Januar 2011,
- [6] Hufenbach, W., Adam, F., Gude, M., Körner, I., Heber, T., Winkler, A.: Detection of material integrated conductors for connective riveting of function-integrative textile-reinforced thermoplastic composites. Kompozyty – Composites 11(2011) 2, pp. 152–156,
- [7] Hufenbach, W., Adam, F., Winkler, A., Heber, T., Körner, I., Kupfer, R.: Mechanical and electrical joining of function-integrative textile-reinforced thermoplastic composites. Tagungsband International Conference Polymer Composites, 2011, Plzen: University of West Bohemia, 2011, pp. 57–62. – ISBN 978-80-7043984-5,
- [8] Hufenbach, W., Adam, F., Winkler, A., Weck, D., Kupfer, R.: Integration and evaluation of mechanical and electrical joints in function-integrative textile reinforced thermoplastic composites. Tagungsband 15th European Conference an Composite Materials: ECCM-15 (Venice, Italy, 24–28 June 2012), paper-ID. 1561,
- [9] Hufenbach, W., Adam, F., Körner, I., Winkler, A., Weck, D.: Combined joining technique for thermoplastic composites with embedded sensor networks. Journal of Intelligent Material Systems and Structures 24(2013) 10, pp. 1226–1232,
- [10] Nicht sichtbarer Ultraschallsensor ( DE 10 2008 018 110 A1 ),
- [11] VERFAHREN ZUR DURCHKONTAKTIERUNG ( AT000000501429B1 , AT501429 A1 2006-08-15
- [12] ELEKTRONISCHES KONTAKTELEMENT ALS DURCHKONTAKTIERUNG EINER LEITERPLATTE ( DD000000297284A5 ),
- [13] Faserverbundwerkstoff mit darin integriertem piezoelektrischem Sensor oder Aktor ( EP000001168463A1 ),
- [14] AKTORISCH WIRKSAMES UND/ODER SENSITIVES ELEMENT, VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG SOWIE SEINE VERWENDUNG ( WO002009049613A ).
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- multifunktionales Verbundsystem
- 2
- erster Verbund
- 3
- zweiter Verbund
- 4
- Fügeelement
- 5
- erste Verbundlage des ersten Verbundes
- 6
- zweite Verbundlage des ersten Verbundes
- 7
- erste Verbundlage des zweiten Verbundes
- 8
- zweite Verbundlage des zweiten Verbundes
- 9
- erste Funktionsschicht
- 10
- zweite Funktionsschicht
- 11
- erste Trägerfolie der ersten Funktionsschicht
- 12
- zweite Trägerfolie der ersten Funktionsschicht
- 13
- erste Trägerfolie der zweiten Funktionsschicht
- 14
- zweite Trägerfolie der zweiten Funktionsschicht
- 15
- erste Leiterbahn
- 16
- zweite Leiterbahn
- 17
- erste Kontaktierungsstelle
- 18
- zweite Kontaktierungsstelle
- 19
- Totaldurchgangsloch
- 20
- erste Isolationsschicht
- 21
- zweite Isolationsschicht
- 22
- erster Einleger der ersten Kontaktierungsstelle
- 23
- zweiter Einleger der ersten Kontaktierungsstelle
- 24
- erster Einleger der zweiten Kontaktierungsstelle
- 25
- zweiter Einleger der zweiten Kontaktierungsstelle
- 26
- Berührungsfläche des ersten Verbundes
- 27
- Berührungsfläche des zweiten Verbundes
- 28
- erstes Halterungsorgan des Fügeelements
- 29
- formschlüssiges Abschluss- oder Arretierungsorgan des Fügeelements
- 30
- Restdorn vom Blindniet
- 31
- mechanisch-elektrische Fügeverbindung
- 32
- erste Aussparung an der ersten Kontaktierungsstelle
- 33
- zweite Aussparung an der ersten Kontaktierungsstelle
- 34
- erste Aussparung an der zweiten Kontaktierungsstelle
- 35
- zweite Aussparung an der zweiten Kontaktierungsstelle
- 36
- elektrisches/elektronisches Funktionselement
- 37
- erster Klebstoff
- 38
- zweiter Klebstoff
- 39
- formschlüssige Verbindung
- 40
- Restteil eines Einlegers Typ B
- 41
- Kernteil eines Einlegers Typ B
- 42
- Durchgangsloch
- 43
- erste Kontaktzone
- 44
- zweite Kontaktzone
