DE102017221540A1 - Verbundwerkstoff - Google Patents

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Martin Meier
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff (1), vorzugsweise einen Faserverbundwerkstoff (1), mit wenigstens einer ersten Schicht (10) mit wenigstens einer ersten Lage (11), welche wenigstens zwei Materialien mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften aufweist. Der Verbundwerkstoff (1) ist gekennzeichnet durch wenigstens ein gedrucktes elektrisches Bauelement (14), welches auf der ersten Lage (11) angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein Verbundwerkstoff oder auch Kompositwerkstoff ist ein Werkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien, welcher aufgrund dieses Verbundes der Materialien andere Werkstoffeigenschaften besitzt als seine einzelnen Materialien an sich. Weist wenigstens ein Material Fasern wie z.B. Kohlenstofffasern auf, so kann der Verbundwerkstoff als Faserverbundwerkstoffe bezeichnet werden.
  • Faserverbundwerkstoffe werden immer häufiger eingesetzt, da sie für ihr Gewicht eine vergleichsweise hohe Steifigkeit aufweisen, so dass bei gleicher Steifigkeit das Gewicht reduziert bzw. bei gleichem Gewicht die Steifigkeit erhöht werden kann. Dies kann im Leichtbau sehr nützlich sein. Insbesondere in der Luftfahrt werden daher seit langem Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Mittlerweile werden diese Vorteile jedoch auch in anderen Bereichen wie z.B. in der Automobilindustrie genutzt.
  • Unter einem Faserverbundwerkstoff wird üblicherweise ein Mehrphasen- oder Mischwerkstoff verstanden, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich aus einer bettenden Matrix eines ersten Materials sowie aus verstärkenden Fasern als zweites Material. Durch gegenseitige Wechselwirkungen der beiden Komponenten erhält dieser Werkstoff höherwertige Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten für sich.
  • Um dabei einen Faserverbundwerkstoff mit vergleichsweise hoher Steifigkeit bzw. vergleichsweise geringem Gewicht zu erhalten, werden üblicherweise Sandwichstrukturen eingesetzt. Beispielsweise wird eine dreischichtige Verbundkonstruktion in Sandwichbauweise als Sandwichplatte mit Wabenkern, kurz Wabenplatte, bezeichnet, die aus zwei tragenden Schichten als Deckhäute und einem Stützkern in Wabenform besteht. Der Stützkern wird auch als englisch Honeycomb (deutsch Honigwabe) bezeichnet, deren Strukturbionik übernommen und aus Pappe, harzgetränktem Papier, Faserkunststoff oder dünnen Aluminiumfolien hergestellt werden können. Die Deckhäute können aus Pappe, Kunststoff, Faserverbundwerkstoffen oder Metallblech bestehen. Verschiedene Materialkombinationen zwischen Stützkern und Deckhäuten sind möglich. Der Stützkern und die Häute werden üblicherweise verklebt.
  • Die Deckhäute bzw. Schichten können einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Beispielsweise können mehrere Lagen von Kohlefasergewebe in unterschiedlicher Orientierung wie z.B. 90-0-90 übereinander angeordnet werden. Meist verwendet man eine Sandwichstruktur, bei der ein Kernmaterial wie z.B. Aluminium-Honeycomb zwischen der äußeren Schicht und der inneren Schicht eingearbeitet ist. Dadurch erhöht sich die Steifigkeit deutlich, bei nur geringem Gewichtszuwachs. Eine derartige Sandwichstruktur kann als Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) bezeichnet werden.
  • Neben den vielen Vorteilen dieser Werkstoffgattung gibt es jedoch auch einige Nachteile. Eine grundlegende Schwierigkeit kann sein, dass das Material nicht wie etwa eine Metalllegierung eine sehr gleichbleibende und vorhersehbare Leistungsfähigkeit über einen langen Zeitraum liefern kann sondern aufgrund des komplexen schichtweisen Aufbaus mitunter kaum vorhersehbare Schäden auftreten können. Doch nicht nur der Schadensfall sondern auch das Verhalten hinsichtlich Verformung, Temperatur und Alterung sind bisher nur schwierig zu simulieren und noch schwieriger dauerhaft zu überwachen.
  • Sollen Daten eines Verbundwerkstoffs und insbesondere eines Faserverbundwerkstoffs wie z.B. Temperatur oder Dehnung erfasst werden, ist bisher der häufigste Lösungsansatz, den gewünschten Aufnehmer außen auf einer Seite einer der beiden Deckhäute der Sandwichstruktur aufzubringen. Jedoch ist es auf diese Art und Weise kaum möglich, Messwerte im Inneren des Materials der Schicht zu erfassen. Hierzu ist es bisher erforderlich, Sensoren durch Integration in einer Schicht des Verbundwerkstoffs anzuordnen, so dass die Messwerte möglichst nahe am relevanten Ort erfasst werden können. Zu diesem Zweck können die Sensoren während des Laminier-Vorgangs in die Schicht eingebracht werden.
  • Allerdings kann sich die Integration von herkömmlichen Elektronik-Bauteilen als Sensoren in eine Schicht eines Verbundwerkstoffs äußerst schwierig gestalten, da die meisten bekannten Sensoren relativ zur Höhe der Schicht vergleichsweise dick ausfallen. Dies kann zu Ausbeulungen der Schicht im Bereich des integrierten Elektronik-Bauteils führen, was üblicherweise nicht nur aus optischen Gründen sondern auch aufgrund der veränderten Materialeigenschaften an dieser Stelle höchst unerwünscht ist. Insbesondere kann die Übertragung der Kräfte entlang der Schicht durch das integrierte Elektronik-Bauteil beeinflusst und insbesondere gestört werden, so dass lokal eine verminderte Kraftübertragung und damit eine verminderte Steifigkeit auftreten kann.
  • Zur Vermeidung derartiger Ausbeulungen der Schichten können daher auch Aussparungen in zumindest einigen Lagen der Schicht eingebracht werden, so dass die Elektronik-Bauteile in den Aussparungen zumindest teilweise versenkt werden können. Dies kann die Ausbeulungen in der Höhe reduzieren oder sogar vollständig vermeiden, bedeutet jedoch andererseits einen zusätzlichen Aufwand in der Herstellung. Ferner können die zuvor beschriebenen Beeinflussungen der Schicht hierdurch zwar verändert und bzw. oder reduziert jedoch nicht vollständig vermieden werden, da die Lagen durch die Aussparungen abschnittsweise unterbrochen und hierdurch beschädigt werden können.
  • Alternativ können vergleichsweise flache Sensoren verwendet werden, um die zuvor beschriebenen Beeinflussungen der Schichten zu reduzieren. Derartige Sensoren sind jedoch üblicherweise großflächiger ausgebildet, so dass ein Klebefilm unterhalb und bzw. oder oberhalb des Sensors üblicherweise zu einer lokalen Entkoppelung der einzelnen Lagen der Schicht führen kann. Hierdurch können die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs beeinträchtigt und teilweise sogar erheblich verschlechtert werden. Bedenkt man hierbei, dass Sensoren wie z.B. Dehnungsmessstreifen häufig gerade an den am höchsten belasteten Stellen eines Bauteils angebracht werden, um diese sensorisch zu überwachen, so kann die Verwendung von verklebten flachen und großflächigen Sensoren aufgrund der Entkopplung der einzelnen Lagen der Schicht für viele Anwendungen gar nicht zulässig sein.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verbundwerkstoff der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, so dass elektrische Bauelemente wie z.B. Sensoren einfacher, wirkungsvoller und bzw. oder kostengünstiger in den Verbundwerkstoff integriert werden können als bisher bekannt. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten Verbundwerkstoffen geschaffen werden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verbundwerkstoff mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Somit betrifft die vorliegende Erfindung einen Verbundwerkstoff, vorzugsweise einen Faserverbundwerkstoff, mit wenigstens einer ersten Schicht mit wenigstens einer ersten Lage, welche wenigstens zwei Materialien mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften aufweist.
  • Der Verbundwerkstoff ist durch wenigstens ein gedrucktes elektrisches Bauelement gekennzeichnet, welches auf der ersten Lage angeordnet ist. Das gedruckte elektrische Bauelement kann dabei direkt oder indirekt, d.h. mit wenigstens einer dazwischenliegenden weiteren Lage, auf der ersten Lage angeordnet sein. Als Druckverfahren können z.B. Siebdruck, Offset-Druck, Flexodruck oder Rotogravure-Druck verwendet werden. Zum Drucken gehört auch das Rakeln. Zum Drucken kann ein elektrisch leitfähiges Material wie z.B. eine entsprechende Tinte verwendet werden. Auch kann ein metallisches Material, vorzugsweise eine Silberlotpaste, verwendet werden.
  • Unter einem elektrischen Bauelement werden dabei eine Leiterbahn einer elektronischen Schaltung sowie ein sonstiger Bestandteil einer elektronischen Schaltung verstanden. Das elektrische Bauelement bzw. die elektronische Schaltung kann beispielsweise ein Sensor oder ein Sensorelement wie z.B. ein Messfühler sein. Der Sensor bzw. das Sensorelement kann z.B. kapazitiv und bzw. oder induktiv arbeiten und bzw. oder einen ohmschen Widerstand erfassen können. Beispielsweise können Temperatur-, Kraft-, Druck- und bzw. oder Beschleunigungssensoren ausgebildet werden. Das elektrische Bauelement bzw. die elektronische Schaltung kann auch ein Aktor oder ein Aktorbestandteil sein. Das elektrische Bauelement bzw. die elektronische Schaltung kann ferner ein Speicher für elektrische Energie wie z.B. eine Batterie bzw. ein wiederaufladbarer Akkumulator sein. Auch kann das elektrische Bauelement bzw. die elektronische Schaltung eine Verarbeitungselektronik bzw. eine Recheneinheit sein, welche Signale und bzw. oder Daten verarbeiten kann. Ebenso kann das elektrische Bauelement bzw. die elektronische Schaltung eine Signalübertragungseinheit, vorzugsweise eine drahtlose Signalübertragungseinheit mit oder ohne Antenne wie z.B. NFC (Near Field Communication) oder RFID (Radio-Frequency IDentification), sein, welche Signal empfangen und bzw. oder versenden kann. Auch können hierdurch Heiz- und bzw. oder Kühlelemente ausgebildet werden. Ebenso lassen sich Beleuchtungs- bzw. Lichtelemente realisieren.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, dass durch Drucken sehr flache elektrische Bauelemente hergestellt und direkt dort platziert werden können, wo die elektrischen Bauelemente ihre Wirkung entfalten sollen. Auf diese Art und Weise können z.B. Sensoren direkt dort angeordnet werden, wo z.B. Kräfte oder Temperaturen erfasst werden sollen, so dass die Aussagekräftigkeit der Messwerte erhöht werden kann. Auch können derartige Sensoren in großer Zahl durch Drucken aufgebracht werden, so dass eine großflächige sensorische Überwachung überhaupt und insbesondere sehr kostengünstig ermöglicht werden kann. Dies gilt ebenso für aktive Elemente wie Heizelemente, Kühlelemente, Aktoren oder Beleuchtungselemente.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Patentanmeldung weist der Verbundwerkstoff wenigstens eine zweite Lage der ersten Schicht auf, welche wenigstens zwei Materialien mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften aufweist, wobei das gedruckte elektrische Bauelement zwischen den beiden Lagen angeordnet ist. Hierdurch kann das gedruckte elektrische Bauelement zum einen vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Zum anderen kann das gedruckte elektrische Bauelement innerhalb der ersten Schicht angeordnet werden, um z.B. Kräfte im Inneren der ersten Schicht zu erfassen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Patentanmeldung ist das gedruckte elektrische Bauelement direkt auf der ersten Lage angeordnet. Dies kann z.B. dadurch ermöglicht werden, indem die erste Lage ausreichend tragfähig ausgebildet ist, so dass die erste Lage von einer Seite bedruckt werden kann. Beispielsweise kann eine sog. Prepreg-Matte als erste Lage verwendet werden, welche als Lage aus einem Faserverbundwerkstoff ein Fasergewebe aufweist, welches bereits in einem vorangehenden Herstellungsschritt mit z.B. einem Harz getränkt wurde. Mit anderen Worten können vorimprägnierten Fasern als erste Lage verwendet werden.
  • Vorteilhaft ist hierbei, dass auf zusätzliche Lagen verzichtet werden kann, um das elektrische Bauelement aufzudrucken, so dass die erste Schicht durch das gedruckte elektrische Bauelement möglichst wenig in der Höhe verändert wird. Auf diese Art und Weise kann eine erfindungsgemäße Anordnung eines elektrischen Bauelements durch Drucken erfolgen, ohne die mechanischen Eigenschaften der ersten Schicht wie bisher bekannt zu beeinflussen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Patentanmeldung weist der Verbundwerkstoff wenigstens eine Trägerlage auf, welche zumindest abschnittsweise auf der ersten Lage, vorzugsweise direkt auf der ersten Lage und bzw. oder vorzugsweise zwischen den beiden Lagen, angeordnet ist, wobei das gedruckte elektrische Bauelement direkt auf der Trägerlage angeordnet ist. Hierdurch wird es ermöglicht, das elektrische Bauelement unabhängig von dem Herstellungsprozess des Verbundwerkstoffs herzustellen und beispielsweise als kleinflächiges vorgefertigtes gedrucktes elektrisches Bauelement bei Bedarf an ausgewählte Stellen des Verbundwerkstoffs auf- oder einzubringen. Dies kann die Herstellung vereinfachen und auch kostengünstiger gestalten. Auch kann der Hersteller des Verbundwerkstoffs vorgefertigte gedruckte elektrische Bauelemente zukaufen, so dass auf ein Bedrucken einer Lage des Verbundwerkstoffs verzichtet werden kann und dennoch die zuvor beschriebenen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs erreicht werden können. Vorteilhaft ist dabei auch, dass das Material der Trägerlage besser zur Aufnahme eines gedruckten elektrischen Bauelements geeignet sein kann als das Material der ersten Lage.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Patentanmeldung ist die Trägerlage aus einem Material der ersten Lage, vorzugsweise ferner der zweiten Lage, ausgebildet, wobei das Material der Trägerlage ausgebildet ist, sich während der Herstellung des Verbundwerkstoffs durch Wärme zu verflüssigen und zumindest teilweise in die erste Lage, vorzugsweise ferner in die zweite Lage, überzugehen. Auf diese Art und Weise kann zwar auf ein direktes Bedrucken der ersten Lage verzichtet werden. Gleichzeitig kann durch den Übergang des Materials der Trägerlage in das Material wenigstens der ersten Lage eine sichere Haftung zwischen dem gedruckten elektrischen Bauelement und der ersten Lage erreicht werden. Insbesondere kann bei der Anordnung der Trägerlage zwischen zwei Lagen mit dem gleichen Material eine nahezu unveränderte stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Lagen erreicht werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Patentanmeldung ist die Trägerlage aus einem Material ausgebildet, welches sich von den Materialien der ersten Lage, vorzugsweise ferner der zweiten Lage, unterscheidet, wobei das Material der Trägerlage gegenüber der Wärme der Herstellung des Verbundwerkstoffs temperaturbeständig ausgebildet ist. Hierdurch kann als Trägerlage ein Material verwendet werden, welches besser zur Aufnahme eines gedruckten elektrischen Bauelements geeignet sein kann als das Material der ersten Lage. Beispielsweise kann eine Folie wie z.B. eine EVA-Folie (EthylenVinylacetat-Copolymere) verwendet werden.
  • Das Bedrucken der Trägerlage kann in diesem Fall erfolgen, nachdem die Trägerlage auf die erste Lage aufgebracht wurde, so dass ein durchgängiger Herstellungsprozess betrieben werden kann.
  • Vorzugsweise erfolgt das Bedrucken der Trägerlage jedoch unabhängig von dem Herstellungsprozess des Verbundwerkstoffs, so dass die Trägerlage mit dem elektrischen Bauelement bedruckt und dann dieser Abschnitt aus dem Material der Trägerlage ausgeschnitten werden kann, um eine vorgefertigtes elektrisches Bauelement zu erhalten. Dieser Abschnitt kann dann bei dem Herstellungsprozess des Verbundwerkstoffs dort auf der ersten Lage angeordnet werden, wo das gedruckte elektrische Bauelement seine Wirkung entfalten soll. Der übrige Bereich der ersten Lage kann frei von der Trägerlage bleiben. Sollte das gedruckte elektrische Bauelement zwischen zwei Lagen der ersten Schicht angeordnet werden und das Material der Trägerlage zumindest gegenüber einer Lage eine schwächere stoffschlüssige Verbindung eingehen als die beiden Lagen untereinander, so kann durch die Verwendung eines möglichst kleinflächigen vorgefertigten elektrischen Bauelements diese Schwächung der Verbindung zwischen den beiden Lagen minimiert und gleichzeitig die Vorteile des Materials der Trägerlage zur Aufnahme des gedruckten elektrischen Bauelements genutzt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Patentanmeldung weist die Trägerlage wenigstens einseitig, vorzugsweise beidseitig, eine vergrößerte Oberfläche, vorzugsweise durch eine Vorbehandlung mittels Schleifen, auf. Hierdurch kann die Fläche, welche zur stoffschlüssigen Verbindung zur Verfügung steht, vergrößert und damit die haftende Wirkung der stoffschlüssigen Verbindung erhöht werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Patentanmeldung weisen die erste Lage und die zweite Lage jeweils Fasern, vorzugsweise Kohlenstofffasern, als ein Material auf, wobei die Fasern der beiden Lagen zueinander zumindest im Wesentlichen eine unterschiedliche Orientierung, vorzugsweise eine rechtwinkelige Orientierung, aufweisen. Hierdurch kann die Übertragung von Kräften in wenigstens diesen beiden Richtung der ersten Schicht verbessert werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Patentanmeldung weisen die erste Lage und die zweite Lage wenigstens ein gleiches Material auf, welches ausgebildet ist, während der Herstellung des Verbundwerkstoffs durch Wärme verflüssigt zu werden, so dass die beiden Lagen zumindest abschnittsweise stoffschlüssig miteinander verbunden werden können. Hierdurch kann eine möglichst haltbare stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Lagen geschaffen werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Patentanmeldung weist der Verbundwerkstoff wenigstens eine zweite Schicht auf, welche vorzugsweise zumindest abschnittsweise hinsichtlich des Aufbaus und der Materialien der ersten Schicht entspricht, und der Verbundwerkstoff weist wenigstens einen Kern auf, welcher zumindest abschnittsweise zwischen den beiden Schichten angeordnet ist. Hierdurch kann eine Sandwichstruktur wie eingangs beschrieben geschaffen werden, welche die Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen ersten Schicht aufweisen kann. Dabei können lediglich eine Schicht der Sandwichstruktur oder beide Schichten der Sandwichstruktur zumindest abschnittsweise entsprechend der erfindungsgemäßen ersten Schicht ausgebildet sein.
  • Hinsichtlich der Eigenschaften und Vorteile der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung lässt sich mit anderen Worten sagen, dass Bauteile von z.B. Luftfahrzeugen oder Landfahrzeugen wie insbesondere von Automobilen, welche den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff zumindest abschnittsweise aufweisen, mit zusätzlichen Funktionen wie z.B. Sensorik, Heizen oder Licht ausgestattet werden können, ohne dass eine zusätzliche Basisstruktur zur Aufnahme entsprechender elektrischer Bauelemente zurückbleibt oder erst gar nicht erforderlich ist. Großflächige Bauteile können genutzt werden, um entsprechend großflächige Mess-, Heiz- oder Beleuchtungselemente darzustellen. Auch können aktive Strukturen wie z.B. Aktoren auf derartige Bauteile aufgebracht werden. Dabei kann die Entkoppelung einzelner Lagen und die damit einhergehenden strukturmechanischen Nachteile auf ein Minimum reduziert werden. Auch kann dies kostengünstig umgesetzt werden, weil keine zusätzlichen Trägermaterialen verwendet werden müssen, falls eine Trägerlage überhaupt erforderlich ist. Durch die direkte Einbettung des elektrischen Bauelements in die Grundstruktur können z.B. jeweilig auftretende physikalische Kräfte direkt gemessen werden.
  • Mehrere Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:
    • 1 eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs;
    • 2 einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen ersten Schicht des Verbundwerkstoffs gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels;
    • 3 einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen ersten Schicht des Verbundwerkstoffs gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels; und
    • 4 einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen ersten Schicht des Verbundwerkstoffs gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels.
  • Die Beschreibung der o.g. Figuren erfolgt in kartesischen Koordinaten mit einer Längsrichtung X, einer zur Längsrichtung X senkrecht ausgerichteten Querrichtung Y sowie einer sowohl zur Längsrichtung X als auch zur Querrichtung Y senkrecht ausgerichteten vertikalen Richtung Z. Die Längsrichtung X kann auch als Tiefe X, die Querrichtung Y auch als Breite Y und die vertikale Richtung Z auch als Höhe Z bezeichnet werden.
  • 1 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs 1. Der Verbundwerkstoff 1 ist als Faserverbundwerkstoff 1 in Sandwichstruktur ausgebildet und weist in der Höhe Z eine erste, unterste Schicht 10 als erste Deckhaut 10, eine zweite, oberste Schicht 16 als zweite Deckhaut 16 sowie einen dazwischenliegenden Kern 15 auf, welcher als Wabenstruktur ausgebildet ist (nicht dargestellt).
  • Um bei einem derartigen Verbundwerkstoff 1 z.B. eine bessere sensorische Überwachung durchführen zu können, wird erfindungsgemäß in wenigstens die erste, unterste Schicht 10 ein elektrisches Bauelement 14 in Form eines Sensorelements 14 durch Drucken eingebracht. Hierdurch kann die Dicke der ersten, untersten Schicht 10 in der Höhe Z möglichst wenig erhöht und gleichzeitig das gedruckte elektrische Bauelement 14 möglichst genau dort angeordnet werden, wo z.B. die sensorische Erfassung z.B. einer Dehnung oder einer Temperatur erfolgen soll. Gleichzeitig kann dies vergleichsweise kostengünstig erreicht werden. Dies kann in verschiedenen Ausführungen erfolgen, wie im Folgenden anhand der 2 bis 4 beschrieben werden soll.
  • 2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen ersten Schicht 10 des Verbundwerkstoffs 1 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels. Die erste Schicht 10 weist in der Höhe Z von unten nach oben eine erste Lage 11 und eine darüber liegende zweite Lage 12 auf. Beide Lagen 11, 12 bestehen aus einem Faserverbundwerkstoff mit Faser 17 in einem Harz, wobei die Ausrichtung der Fasern 17 der beiden Lagen 11, 12 zumindest im Wesentlichen rechtwinkelig zueinander ist. Auf der ersten Lage 11 ist das elektrische Bauelement 14 durch Drucken direkt aufgebracht, so dass eine Erhöhung der Dicke der ersten Schicht 10 nahezu vollständig vermieden werden kann. Werden die beiden Lagen 11, 12 durch Erwärmung im Herstellungsprozess z.B. durch Laminieren miteinander stoffschlüssig verbunden, so wird die stoffschlüssige Verbindung der beiden Lagen 11, 12 durch das gedruckte elektrische Bauelement 14 kaum unterbrochen.
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen ersten Schicht 10 des Verbundwerkstoffs 1 gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels. In diesem Fall ist zwischen den beiden Lagen 11, 12 eine weitere Lage 13 in Form einer Trägerlage 13 durchgängig angeordnet. Das gedruckte elektrische Bauelement 14 ist auf der Oberseite der Trägerlage 13 angeordnet. Die Trägerlage 13 besteht aus lediglich einem Material, welches in dem zweiten Ausführungsbeispiels das Harz der beiden anderen Lagen 11, 12 ist, so dass die Trägerlage 13 auch als Harzlage 13 bezeichnet werden kann. Hierdurch kann es erreicht werden, dass das Material der Trägerlage 14 bei Erwärmung im Herstellungsprozess z.B. durch Laminieren der ersten Schicht 10 mit den anderen beiden Lagen 10, 12 verschmilzt, so dass ein vergleichbarer stoffschlüssiger Haftverbund wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erreicht werden kann. Es kann lediglich zu einer Vergrößerung der Dicke der ersten Schicht 10 durch das zusätzliche Material der Trägerlage 13 kommen, welche jedoch aufgrund ihrer durchgängigen Anordnung zwischen den beiden anderen Lagen 11, 12 zu einer Verdickung insgesamt führt, so dass lokale Aufwölbungen im Bereich des gedruckten elektrischen Bauelements 14 vermieden werden können.
  • 4 zeigt einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen ersten Schicht 10 des Verbundwerkstoffs 1 gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels. In diesem Fall besitzt die Trägerlage 13 ein Material wie z.B. eine EVA-Folie, welches nicht durch Erwärmung im Herstellungsprozess z.B. durch Laminieren in die anderen Lagen 11, 12 übergeht. Die Trägerlage 13 kann daher auch als Folienlage 13 bezeichnet werden. Gleichzeitig ist das Material der Trägerlage 13 besser zum Bedrucken geeignet als die Harzlage 13 des zweiten Ausführungsbeispiels, so dass eine Qualitätsverbesserung des Drucks des elektrischen Bauelements 14 erreicht werden kann. Dabei wird eine verschlechterte Haftung zwischen der Folienlage 13 und den beiden anderen Lagen 10, 11 in Kauf genommen, welche jedoch durch ein vorangehenden Schleifen der beiden Seiten der Folienlage 13 vor dem Bedrucken durch die vergrößerten Oberflächen der Folienlage 13 reduziert werden kann. Gleichzeitig wird die Folienlage 13 nicht durchgängig sondern lediglich lokal dort angeordnet, wo das gedruckte elektrische Bauelement 14 seine Wirkung haben soll. Somit kann die direkte Haftung zwischen den beiden anderen Lagen 10, 11 möglichst wenig unterbrochen werden. Auch kann das elektrische Bauelement 14 separat hergestellt, zugeschnitten und bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs 1 bereitgestellt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • X
    Längsrichtung; Tiefe
    Y
    Querrichtung; Breite
    Z
    vertikale Richtung; Höhe
    1
    (Faser-)Verbundwerkstoff; Sandwichstruktur
    10
    erste Schicht; erste Deckhaut
    11
    erste Lage der ersten Schicht 10; erste Faserschicht
    12
    zweite Lage der ersten Schicht 10; zweite Faserschicht
    13
    Trägerlage; Harzlage; Folienlage
    14
    gedrucktes elektrisches Bauelement; Sensorelement
    15
    Kern
    16
    zweite Schicht; zweite Deckhaut
    17
    Fasern der ersten Lage 11 und der zweiten Lage 12

Claims (10)

  1. Verbundwerkstoff (1), vorzugsweise Faserverbundwerkstoff (1), mit wenigstens einer ersten Schicht (10) mit wenigstens einer ersten Lage (11), welche wenigstens zwei Materialien mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften aufweist, gekennzeichnet durch wenigstens ein gedrucktes elektrisches Bauelement (14), welches auf der ersten Lage (11) angeordnet ist.
  2. Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine zweite Lage (12) der ersten Schicht (10), welche wenigstens zwei Materialien mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften aufweist, wobei das gedruckte elektrische Bauelement (14) zwischen den beiden Lagen (11, 12) angeordnet ist.
  3. Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gedruckte elektrische Bauelement (14) direkt auf der ersten Lage (11) angeordnet ist.
  4. Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens eine Trägerlage (13), welche zumindest abschnittsweise auf der ersten Lage (11), vorzugsweise direkt auf der ersten Lage (11) und/oder vorzugsweise zwischen den beiden Lagen (11, 12), angeordnet ist, wobei das gedruckte elektrische Bauelement (14) direkt auf der Trägerlage (13) angeordnet ist.
  5. Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (13) aus einem Material der ersten Lage (11), vorzugsweise ferner der zweiten Lage (12), ausgebildet ist, wobei das Material der Trägerlage (13) ausgebildet ist, sich während der Herstellung des Verbundwerkstoffs (1) durch Wärme zu verflüssigen und zumindest teilweise in die erste Lage (11), vorzugsweise ferner in die zweite Lage (12), überzugehen.
  6. Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (13) aus einem Material ausgebildet ist, welches sich von den Materialien der ersten Lage (11), vorzugsweise ferner der zweiten Lage (12), unterscheidet, wobei das Material der Trägerlage (13) gegenüber der Wärme der Herstellung des Verbundwerkstoffs (1) temperaturbeständig ausgebildet ist.
  7. Verbundwerkstoff (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (13) wenigstens einseitig, vorzugsweise beidseitig, eine vergrößerte Oberfläche, vorzugsweise durch eine Vorbehandlung mittels Schleifen, aufweist.
  8. Verbundwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (11) und die zweite Lage (12) jeweils Fasern (17), vorzugsweise Kohlenstofffasern (17), als ein Material aufweisen, wobei die Fasern (17) der beiden Lagen (11, 12) zueinander zumindest im Wesentlichen eine unterschiedliche Orientierung, vorzugsweise eine rechtwinkelige Orientierung, aufweisen.
  9. Verbundwerkstoff (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lage (11) und die zweite Lage (12) wenigstens ein gleiches Material aufweisen, welches ausgebildet ist, während der Herstellung des Verbundwerkstoffs (1) durch Wärme verflüssigt zu werden, so dass die beiden Lagen (11, 12) zumindest abschnittsweise stoffschlüssig miteinander verbunden werden können.
  10. Verbundwerkstoff (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine zweite Schicht (16), welche vorzugsweise zumindest abschnittsweise hinsichtlich des Aufbaus und der Materialien der ersten Schicht (10) entspricht, und durch wenigstens einen Kern (15), welcher zumindest abschnittsweise zwischen den beiden Schichten (10, 16) angeordnet ist.
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