DE102017004106A1 - Composite material in sandwich structure with arranged on at least one cover layer printed structures and / or circuits with connection means and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Verbundwerkstoff in Sandwichstruktur mit zwei Deckschichten (2a, 2c) und einem dazwischen angeordneten Kern (2b), wobei der Verbundwerkstoff auf mindestens einer Deckschicht (2a, 2c) eine gedruckte Struktur und/oder Schaltung mit elektronischen Komponenten (6, 7) und/oder Anschlussmittel (5) für elektrische Leitungen trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff Kavitäten (K) aufweist, welche durch Öffnungen (Ö) in einer der beiden Deckschichten (2a, 2c) mit einem Material als Anker (3) gefüllt und durch eine auf einer der beiden Deckschichten (2a, 2c) flächig aufgetragenen Schicht (3) miteinander verbunden sind und dass auf die Schicht (3) eine gedruckte Struktur und/oder Schaltung (5) mit elektronischen Komponenten (6) und/oder Anschlussmittel (4) für elektrische Leitungen aufgebaut sind. Composite material in sandwich structure with two cover layers (2a, 2c) and a core (2b) arranged therebetween, wherein the composite material on at least one cover layer (2a, 2c) a printed structure and / or circuit with electronic components (6, 7) and / or Carries connecting means (5) for electrical lines, characterized in that the composite material cavities (K) which through openings (Ö) in one of the two cover layers (2a, 2c) filled with a material as an anchor (3) and through a one of the two cover layers (2a, 2c) layer applied layer (3) are interconnected and that on the layer (3) a printed structure and / or circuit (5) with electronic components (6) and / or connection means (4) for electrical lines are constructed.
Description
Die Erfindung betrifft, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Verbundwerkstoff in Sandwichstruktur mit zwei Deckschichten und dazwischen angeordneten Kern, wobei der Verbundwerkstoff auf mindestens einer Deckschicht eine gedruckte Struktur und/oder Schaltung mit Anschlussmittel an elektrische Leitungen trägt. Weiterhin betrifft, gemäß Patentanspruch 5, die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs.The invention relates, according to the preamble of
Im Bereich der gedruckten Elektronik (engl. „Printed Electronics“) wurden in den letzten Jahren enorme Fortschritte erzielt. Die Beherrschung der Technologie ermöglicht zahlreiche Vorteile wie u.a. der 3D-Anordnung von Schaltungen auf engstem Raum. Vor allem im Transportsektor könnten durch diese Technologie sowohl wichtiger Bauraum wie auch eine Integration neuer Funktionen realisiert werden. Die technologische Herausforderung hierbei liegt in der Anbindung der 3D-Schaltungsträger an das vorhandene Strom- bzw. Datensystem. Eine Translation von gedruckten Leiterbahnen auf Kabelsysteme wird benötigt. Eine beispielhafte Anwendung ist in
Beispielsweise ist aus der
Weiterhin ist aus der
Weiterhin ist aus der
Weiterhin ist aus der
Schließlich ist aus dem
Die Problematik der Anschlusstechnologie wird besonders bei empfindlichen Materialien wie Sandwichsubstrate deutlich. Wie auch die vorstehende Würdigung des Standes der Technik aufzeigt, sind unterschiedlich ausgestaltete Sandwichpaneele bekannt. In der Regel ist bauartbedingt eine Fixierung von Steckverbindung nur schwierig möglich. Klebeverbindungen zeigen nur geringen mechanischen Widerstand und benötigen einen weiteren Prozessschritt zur Anbindung an die gedruckten Leiterbahnen. Des Weiteren sind temperaturbelastende Prozessschritte wie Löten nicht möglich. Schließlich ist eine Adaptation der bekannten Anschlusstechnologien für die Leiterplattentechnologie in der Regel nur schwer möglich, da bekannte Sandwich-Panels nicht für eine passende Verankerung ausgelegt sind.The problem of connection technology is particularly evident in sensitive materials such as sandwich substrates. As also the above appreciation of the state of the art shows, differently designed sandwich panels are known. As a rule, a fixation of plug connection is difficult due to the design. Adhesive connections show only low mechanical resistance and require a further process step for connection to the printed conductor tracks. Furthermore, temperature-stressing process steps such as soldering are not possible. Finally is an adaptation of the known connection technologies for printed circuit board technology usually difficult, since known sandwich panels are not designed for a suitable anchorage.
Der Erfindung liegt - ausgehend von einem Sandwich-Panel, beispielsweise gemäß der
Diese Aufgabe wird bei einem Verbundwerkstoff in Sandwichstruktur, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gelöst, dass der Verbundwerkstoff Kavitäten aufweist, welche durch Öffnungen in einer der beiden Deckschichten mit einem Material als Anker gefüllt und durch eine auf einer der beiden Deckschichten flächig aufgetragenen Schicht miteinander verbunden wird und dass auf die Schicht eine gedruckte Struktur und/oder Schaltung mit elektronischen Komponenten und/oder Anschlussmittel für elektrische Leitungen aufgebaut wird.This object is achieved with a composite material in sandwich structure, according to the preamble of
Weiterhin wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs in Sandwichstruktur mit auf mindestens einer auf einer Deckschicht angeordneten gedruckten Struktur und/oder Schaltung mit Anschlussmittel für elektrische Leitungen, gemäß Patentanspruch 5, gelöst, bei dem:
- a) im Verbundwerkstoff eine Öffnung in einer der beiden Deckschichten erzeugt wird,
- b) im Kern eine Kavität erzeugt wird,
- c) in die Kavität oder bei einem Verbundwerkstoff mit offenzellig strukturiertem Kern ein Material als Anker gefördert wird,
- d) die Anker in einem Druckverfahren durch eine auf einer der beiden Deckschichten flächig aufgetragenen Schicht miteinander verbunden werden, derart, dass eine reibschlüssige und/oder formschlüssige und/oder eine auf Basis der Schrumpfung beruhende Verankerung erzielt wird und
- e) auf der Schicht eine gedruckte Struktur und/oder Schaltung ohne und mit elektronischen Komponenten und Anschlussmittel für elektrische Leitungen aufgebaut wird.
- a) an opening in one of the two cover layers is produced in the composite material,
- b) a cavity is produced in the core,
- c) a material is conveyed into the cavity or, in the case of a composite material having an open-cell structured core, as an anchor,
- d) the anchors are joined together in a printing process by a layer applied on one of the two cover layers, such that a frictional and / or positive and / or shrinkage-based anchoring is achieved, and
- e) on the layer a printed structure and / or circuit is constructed without and with electronic components and connection means for electrical lines.
Die Erfindung zeigt einen neuartigen Verbundwerkstoff und ein Herstellungsverfahren hierfür um Strukturen auf Materialien, insbesondere um Anschlussmittel für elektrische Leitungen auf Verbundwerkstoffen, wie Sandwichsubstraten, zu verankern. Dieser Prozess ist auf jegliche Materialien anwendbar, die entweder bereits Kavitäten besitzen oder in die durch Bohren, Fräsen oder dergleichen Kavitäten erzeugt werden können.The invention shows a novel composite material and a manufacturing method thereof for anchoring structures on materials, in particular for connecting connecting lines for electrical lines to composite materials, such as sandwich substrates. This process is applicable to any materials which either already have cavities or in which cavities can be produced by drilling, milling or the like.
In Weiterführung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 2, der Verbundwerkstoff als Sandwichpaneel mit Wabenkern ausgestaltet und die Öffnung ist, gemäß Patentanspruch 3, zur formschlüssigen Verbindung des Ankers in mindestens einer Honigwabe des Wabenkerns ausgestaltet.In continuation of the invention is, according to
Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass gleichzeitig eine fest verankerte, formstabile Steckverbindung als Brücke zwischen gedruckter Elektronik und anderen elektronischen Systemen bzw. Kabel-Systemen entsteht.This development of the invention has the advantage that at the same time a firmly anchored, dimensionally stable connector is formed as a bridge between printed electronics and other electronic systems or cable systems.
Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
-
1 a, b zwei Ausführungsformen eines Verbundwerkstoffes gemäß der Erfindung in Schrägansicht, -
2 a, b eine Ausführungsform eines Sandwichsubstrats in Schrägansicht, -
3 a, b , c eine Ausführungsform eines Volumenkörpers in Schrägansicht, -
4 a, b , c drei Ausführungsformen für Stützstruktur, Anschlussmittel und elektronischer Komponenten bei einem Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung in Schrägansicht und -
5 im Detail ein Sandwichsubstrat nach dem Stand der Technik.
-
1 a, b two embodiments of a composite according to the invention in an oblique view, -
2 a, b an embodiment of a sandwich substrate in an oblique view, -
3 a, b , c an embodiment of a solid in an oblique view, -
4 a, b , c three embodiments for support structure, connection means and electronic components in a composite material according to the invention in an oblique view and -
5 in detail, a sandwich substrate according to the prior art.
In
Substrate bzw. Werkstoffe, die bereits Kavitäten K aufweisen, beispielsweise ein in
Den Aufbau der Stützstrukturen durch additive Fertigungsverfahren (wie u.a. FDM (Fused Deposition Modeling; deutsch: Schmelzschichtung)) für Volumenkörper
Die Kombination von digitalen Druckverfahren zum strukturellen Aufbau, wie dem FDM Verfahren und zur Funktionalisierung durch u.a. selektive Metallisierungsverfahren, wie den Aerosol-Jet und Ink-Jet Verfahren ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen. Beispiele hierfür sind in
In
1) In der Luftfahrtindustrie findet die geschilderte Erfindung Einsatz bei Verkleidungselementen. Für dieses Substratmaterial/Verbundwerkstoff
zu a)to a)
Zum einen kann die Erfindung zur Erzeugung von Kontaktierungsmöglichkeiten verwendet werden. Hierbei wird das Sandwichsubstrat
Allgemein gilt, dass jede Ankerstruktur
Die neu gebildeten Strukturen werden im Anschluss ebenfalls mit dem FDM-Prozess auf der Substratoberfläche/Decklage
Auf der neu erzeugten Fläche
zu b)to b)
Durch den FDM-Prozess können auch Gehäuse für elektronische Komponenten bzw. Bauteile aufgebaut werden. Anwendungen sind hierbei die Integration von Chips, Antennen oder Sensoren auf Sandwichmaterialien
zu c)to c)
Des Weiteren besteht die Möglichkeit lediglich eine feste Verankerung mit dem hier beschriebenen Verfahren aufzubauen. Über eine gemeinsame Schnittstelle u.a. Schnappverbindungen können Steckverbindungen oder andere mechatronische und auch nicht-mechatronische Funktionselemente angebracht werden. Auf diese Weise können bereits etablierte universelle Steckverbinder leichter und schneller integriert werden, u.a. Steckdosen, USB-Schnittstelle oder gängige Steckverbindungen aus dem Transportwesen.Furthermore, it is possible to build only a solid anchorage with the method described here. Via a common interface, inter alia, snap connections plug connections or other mechatronic and also non-mechatronic functional elements can be installed. In this way, already established universal connectors can be integrated easier and faster, including sockets, USB interface or common connectors from the transport industry.
zu d)to d)
Neben elektronischen Komponenten bzw. der Kontaktierung existieren auch Anwendungsmöglichkeiten für den alleinigen Einsatz des FDM-Verfahrens. So sind Halterstrukturen für Kabel mit einer festen Verankerung
2) Anwendungen finden sich auch in der Automobilindustrie wieder bzw. in Industriesektoren, die stark durch die Verwendung von Metall bzw. Blechen geprägt sind (u.a. auch Schiff- und Raumfahrt). Hierbei können Bohrungen verwendet werden, um eine reib-, formschlüssige (z.B. bei konischen Kavitäten) oder auch eine auf Basis der Schrumpfung induzierte Verankerung
Eine Stützstruktur
Die Stützstrukturen
Der Aufbau von Schaltungen, das Anbringen von Kontaktierungselementen oder die Strom- und Datendistribution ist nun möglich. Hierbei ergeben sich gerade in der Automobilindustrie komplett neue Herstellungsmöglichkeiten. Eine Substitution bzw. partielle Substitution des Kabelbaums im Automobil bzw. in einzelnen Modulen, wie u.a. der Tür ist dadurch möglich.The construction of circuits, the attachment of contacting elements or the power and data distribution is now possible. This results in completely new production possibilities, especially in the automotive industry. A substitution or partial substitution of the wiring harness in the automobile or in individual modules, such as u.a. the door is possible.
3) Im Bereich der Kontaktierung von mechatronischen Systemen u.a. Bordnetzen ergeben sich für die Herstellung von Steckelementen neue Möglichkeiten durch das hier beschriebene Verfahren. Durch einen dreidimensionalen Aufbau eines Stecksystems mit direkter Verankerung
Hierbei können einzelne elektronische Komponenten bzw. ein Verbund dieser mit den beschriebenen Druckverfahren zur selektiven Metallisierung angeschlossen werden, um die Steckverbindung intelligent auszulegen. Funktionen können u.a. die folgenden sein: In this case, individual electronic components or a composite of these can be connected to the described printing method for selective metallization in order to design the connector intelligently. Functions can i.a. the following are:
Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Kontaktverschleiß, Strom/Spannung zur Batteriestatus-Detektion sowie die Identifikation des richtigen Gegenspielers (Stecker/Buchse), welche vor allem bei universell gleichgefertigten Strukturen von großem Vorteil ist.Measurement of temperature, humidity, contact wear, current / voltage for battery status detection as well as the identification of the right opponent (plug / socket), which is of great advantage especially for universally identical structures.
Das hier beschriebene Verfahren ist für alle Bauelemente zur Erzielung einer elektronischen Verbindung gültig, hierunter zählen u.a. Stecker und Buchsen.The method described here is valid for all components for achieving an electronic connection, including among others. Plugs and sockets.
Ferner ist die Erfindung bislang auch nicht auf die in den Patentansprüchen 1, und 5 definierten Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal der Patentansprüche 1 und 5 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann.Furthermore, the invention has hitherto not been restricted to the combinations of features defined in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Materialmaterial
- 22
- Sandwichsubstratsandwich substrate
- 2a2a
- erste Deckschichtfirst cover layer
- 2b2 B
- Kerncore
- 2c2c
- zweite Deckschichtsecond cover layer
- 33
- Anker und Strukturkörper (FDM Aufbau)Anchor and structural body (FDM structure)
- 44
- Kontaktierungselement, leitfähigContacting element, conductive
- 55
- Selektive MetallisierungSelective metallization
- 66
- Integrierte Schaltkreise (u.a. Flip-Chips)Integrated circuits (including flip-chips)
- 77
- elektronische Komponenten (SMD/THDs, Antennen, Sensoren, Vias) electronic components (SMD / THDs, antennas, sensors, vias)
- KK
- Kavitätcavity
- ÖÖ
- Öffnungopening
- WW
- Wabenstruktur (Honigwabe)Honeycomb structure (honeycomb)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1046576 B1 [0005]EP 1046576 B1 [0005]
- EP 2438665 B1 [0006, 0009]EP 2438665 B1 [0006, 0009]
- DE 202012010193 U1 [0007]DE 202012010193 U1 [0007]
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