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Die vorliegende Erfindung betrifft ein flexibles Produkt gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen flexiblen Produkts gemäß des Patentanspruchs 12.
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Auf vielen technischen Gebieten wächst das Bedürfnis, Sensoren oder sensorische Fähigkeiten in Produkte zu integrieren, um mehr Informationen über die Produkte während der Produktion und bzw. oder während der Nutzung zu erhalten. Aus diesen Informationen können Rückschlüsse zur Verbesserung zukünftiger Produktgenerationen bzw. zur Entwicklung neuer Produkte gezogen werden. Auch können z.B. die Haltbarkeit, der Verschleiß, die Belastung und dergleichen während der Nutzung erfasst werden, so dass eine rechtzeitige Wartung belastungsabhängig geplant bzw. ein Produkt rechtzeitig vor dem Versagen aus dem Verkehr gezogen und ggfs. ersetzt werden kann.
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Dies soll zunehmend auch für Produkte aus flexiblen Materialien wie z.B. für elastische Produkte z.B. aus Gummi wie z.B. Reifen, Förderbänder, Luftfedern, Antriebsriemen, Schläuche und dergleichen ermöglicht werden.
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Beispielsweise werden zunehmend Sensoren in z.B. Förderbänder integriert, um z.B. Beschädigungen wie insbesondere Risse in Längsrichtung erkennen zu können. Hierzu sind seit Längerem Leiterschleifen bekannt, welche aus metallischen Litzen bestehen, welche in dem Körper des Förderbands einvulkanisiert sind. Die Leiterschleifen werden üblicherweise durch elektromagnetische Felder von außerhalb auf ihre Integrität überprüft. Lässt sich eine Leiterschleife nicht mehr detektieren, kann auf eine Beschädigung des Förderbandes in diesem Bereich geschlossen und das Förderband ggfs. angehalten werden.
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Nachteilig ist hierbei, dass über derartige Leiterschleifen zwar eine einfache Detektion von Beschädigungen umgesetzt werden kann, jedoch keine sonstigen Informationen aus dem Produkt bzw. über das Produkt gewonnen werden können.
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Alternativ werden daher auch Transponder in Förderbändern eingesetzt, welche auf einer Platine ausgebildet sind und üblicherweise eine (Fernfeld-)Antenne z.B. aus Glasfasergewebe aufweisen. Zusätzlich können z.B. Sensoren, Spannungsquellen und dergleichen mit dem Transponder verbunden sein. Auch die Transponder werden zusammen mit ihrer Antenne und ggfs. mit weiteren Komponenten im Körper des Förderbands einvulkanisiert.
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Vergleichbare Anwendungen bzw. Bestrebungen gibt es auch für andere Elastomerprodukte wie z.B. Reifen, Luftfedern, Antriebsriemen, Schläuche und dergleichen, um möglichst viele Informationen wie z.B. Druck, Temperatur, mechanische Spannungen und dergleichen möglichst kontinuierlich in bzw. an dem Produkt erfassen zu können. Die erfassten Informationen sollen dabei vorzugsweise drahtlos nach außerhalb übertragen werden können.
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Nachteilig ist hierbei, dass zu diesem Zweck entsprechend funktionsreiche Sensoren bzw. Sensorschaltungen in das Produkt eingebracht bzw. auf das Produkt aufgebracht werden müssen, welche diese Informationen auch erfassen und vorzugsweise drahtlos nach außerhalb übertragen können. Dies ist bisher lediglich mit elektronischen Schaltungen möglich, welche als starre Platinen ausgebildet sind. Mit anderen Worten werden als Sensoren sowie als Übertragungsschaltungen bisher Chipmodule mit vergossenen elektrischen Bauelemente verwendet. Hierbei besteht die Gefahr, dass die starre Platine in dem Produkt aus flexiblem Material, d.h. in dem flexiblen und vorzugsweise elastischen bzw. elastomeren Produkt, durch dessen mechanische und bzw. oder thermische Verformungen wie z.B. durch Dehnung, Stauchung, Biegung und dergleichen im Betrieb zerstört werden kann. Auch müssen die Platinen bei der Verwendung in elastomeren Produkten deren Vulkanisationsprozess überstehen können.
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Zur Druckmessung in Elastomerprodukten ist es z.B. bekannt, Dehnungsmessstreifen zu verwenden und diese in das Elastomerprodukt einzubringen bzw. diese auf das Elastomerprodukt aufzubringen. Dabei sind die Dehnungsmessstreifen an sich ebenfalls auf einem eigenen Trägermaterial aufgebracht, welches im Vergleich zu dem Elastomerprodukt als relativ starr angesehen werden kann. Somit kann der Dehnungsmessstreifen die Bewegungen des Elastomerprodukts nur teilweise und üblicherweise unzureichend aufnehmen. Nachteilig ist hierbei ferner, dass Dehnungsmessstreifen vergleichsweise teuer sein können.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein flexibles Produkt der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, dessen Sensorelement ebenfalls möglichst flexibel, d.h. weitestgehend aus einem flexiblen Material, ausgebildet ist. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten derartigen flexiblen Produkten geschaffen werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein flexibles Produkt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein flexibles Produkt, vorzugsweise ein elastisches Produkt, besonders vorzugsweise ein elastomeres Produkt. Unter einem Produkt wird ein Gegenstand verstanden, welcher das Ergebnis eines Herstellungsprozesses ist. Das flexible Produkt weist wenigstens eine erste Schicht auf, welche zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, aus einem flexiblen, vorzugsweise aus einem elastischen, besonders vorzugsweise aus einem elastomeren, Material ausgebildet ist. Auch können entsprechende Kunststoffe als flexibles Material verwendet werden.
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Die Eigenschaft der Flexibilität des Produkts ist dabei als Materialeigenschaft zu verstehen, welche durch die Verwendung eines flexiblen Materials, vorzugsweise durch die Verwendung eines elastischen Materials und besonders vorzugsweise durch die Verwendung eines elastomeren Materials, vorzugsweise Gummi, erreicht werden kann.
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In und bzw. oder auf der ersten Schicht ist wenigstens ein Sensorelement angeordnet. Dabei kann das Sensorelement vollständig in der ersten Schicht, vollständig auf der ersten Schicht oder teilweise in der ersten Schicht sowie teilweise auf dieser angeordnet sein, je nach Anwendungsfall. Das Sensorelement ist ein elektrisches Bauelement oder eine elektrische Schaltung, kann jedoch auch ein elektronisches Bauelement oder eine elektronische Schaltung sein.
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Das erfindungsgemäße flexible Produkt ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, aus einem elektrisch leitfähigen flexiblen Material ausgebildet ist, welches wenigstens eine elektrische Eigenschaft unter Druck, Temperatur und bzw. oder Verformung verändern kann. Beispielsweise können als derartiges Material Silberlotpasten oder Tinten verwendet werden, wie weiter unten noch erläutert werden wird. Unter einer elektrischen Eigenschaft ist ein elektrischer Kennwert des Materials wie z.B. sein elektrischer (ohmscher) Widerstand, seine elektrische Induktivität, seine elektrische Kapazität und dergleichen zu verstehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass auf diese Art und Weise ein Sensorelement als Bestandteil der ersten Schicht derart ausgebildet werden kann, dass das Sensorelement aufgrund seiner flexiblen Materialeigenschaft den Bewegungen der ersten Schicht möglichst gut folgen kann. Hierdurch kann eine Beschädigung oder sogar Zerstörung des Sensorelements durch die Bewegungen der ersten Schicht vermieden werden. Gleichzeitig kann die Veränderung der elektrischen Eigenschaft wie z.B. eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstands vom Druck erfasst und als sensorische Eigenschaft ausgewertet werden. Je nach Anwendungsfall kann das Sensorelement als Kraftsensor, Drucksensor, Temperatursensor, Biegesensor und dergleichen ausgebildet sein.
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Dies kann z.B. dadurch bewirkt werden, dass sich z.B. bei einer Dehnung der ersten Schicht das Sensorelement, vorzugsweise in gleichem Maße, mit dehnt, wodurch aufgrund der hierdurch bewirken Querschnittsverringerung des Sensorelements dessen elektrische Leitfähigkeit sinkt bzw. dessen elektrischer Widerstand ansteigt. Dies kann erfasst und ausgehend von diesem Messwert auf die Dehnung der ersten Schicht an sich und sogar auf das Maß der Dehnung der ersten Schicht geschlossen werden. Auch kann aus einer Veränderung des elektrischen Widerstands auf eine Temperaturänderung geschlossen werden.
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Vorteilhaft ist hierbei ferner, dass Sensorelemente mit einem vergleichbar geringen Bauraum bzw. Volumen hergestellt werden können. Hierdurch können die gleichen Funktionalitäten auf weniger Raum geboten werden. Auch können auf dem gleichen Raum mehr Funktionalitäten realisiert werden.
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Vorteilhaft ist ferner, dass sich derartige Sensorelement mit konventionellen elektrischen und elektronischen Bauelementen sowie Schaltungen kombinieren lassen, so dass die Möglichkeiten zur Integration von Sensorelementen sowie von elektrischen und elektronischen Bauelementen sowie Schaltungen in flexible Produkte verbessert bzw. erweitert werden können.
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Vorteilhaft ist des Weiteren, dass eine sensorische Erfassung der physikalischen Eigenschaften des flexiblen Produkts näher bzw. direkter an der ersten Schicht erfolgen kann. Dies kann die Qualität der Aussagen, welche aus den sensorisch erfassten Daten gewonnen werden können, verbessern helfen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die erste Schicht wenigstens eine Aussparung auf, welche mit dem elektrisch leitfähigen flexiblen Material gefüllt ist. Auf diese Art und Weise kann das Sensorelement zumindest abschnittsweise in die erste Schicht eingebracht werden. Hierdurch kann ein möglichst flacher Aufbau des flexiblen Produkts erreicht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde die Aussparung durch Gravieren, vorzugsweise durch Laser-Gravieren, erzeugt. Hierdurch kann ein erprobtes und definiertes Verfahren genutzt werden, um eine Aussparung in eine derartige Schicht einzubringen. Dies kann einfach, schnell, kostengünstig und bzw. oder vielfältig bzw. variantenreich erfolgen. Auch können unterschiedliche Gravurstärken verwendet werden, welche auch innerhalb einer Aussparung variieren können.
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Dies gilt insbesondere für das Gravieren mittels Laser, so dass insbesondere elastomere Material gut graviert werden können. Ferner können Gravuren, welche mittels Laser erzeugt werden, insbesondere in der Tiefe sehr einfach und genau variiert werden.
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Vorteilhaft beim Gravieren und insbesondere beim Laser-Gravieren der Aussparung ist, dass dieser Herstellungsschritt vielfältig umgesetzt werden kann. So ist es möglich, die erste Schicht zu positionieren und das Gravurwerkzeug über die erste Schicht zu bewegen. Alternativ kann auch umgekehrt das Gravurwerkzeug feststehend angeordnet sein und die erste Schicht relativ zum Gravurwerkzeug bewegt werden. Auch besteht die Möglichkeit, die erste Schicht kontinuierlich zu bewegen und das Gravurwerkzeug fortlaufend über die sich bewegende erste Schicht zu bewegen und die Aussparung dort einbringen zu lassen. Hierdurch kann ein fortlaufender Herstellungsprozess erfolgen, der über sehr lange Strecken bis hin zu einem endlosen Prozess betrieben werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde die Aussparung durch Drucken mit dem elektrisch leitfähigen flexiblen Material gefüllt. Hierdurch kann dieser Schritt des Herstellungsverfahrens erprobt, einfach und bzw. oder schnell erfolgen. Als Druckverfahren können z.B. Siebdruck oder Flexodruck verwendet werden. Zum Drucken gehört auch das Rakeln.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde das Sensorelement durch Drucken auf der ersten Schicht aufgebracht. Auch diese Variante des erfindungsgemäßen Produkts kann unter Nutzung der zuvor beschriebenen Vorteile des Druckens hergestellt werden, um diese Vorteile auch in diesem Fall zu nutzen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das elektrisch leitfähige flexible Material zumindest abschnittsweise ein metallisches Material, vorzugsweise eine Silberlotpaste, oder ein organisches Material auf, vorzugsweise daraus besteht. Hierdurch kann die elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitiger Flexibilität des Materials erreicht werden. Auch können z.B. Tinten als elektrisch leitfähiges flexibles Material verwendet werden. Beispielsweise wird eine Tinte mit positivem Temperaturkoeffizienten von der Fa. Henkel als „Positive Temperature Coefficient (PTC) Ink“ vertrieben, so dass auf diese Art und Weise eine sensorische Temperaturerfassung in Abhängigkeit des elektrischen Widerstands umgesetzt werden kann.
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Vorzugsweise ist das elektrisch leitfähige flexible Material in einem ungesinterten Zustand elektrisch leitfähig, so dass die zuvor beschriebenen Eigenschaften bereits ohne eine entsprechende Wärmebehandlung erreicht werden können, da eine Wärmebehandlung das flexible Produkt verändern könnte. Insbesondere kann das elektrisch leitfähige flexible Material wie z.B. eine Tinte elastisch und damit dehnbar bleiben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das flexible Produkt wenigstens eine zweite Schicht auf, welche wenigstens das Sensorelement zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, abdeckt. Das Aufbringen der zweiten Schicht kann vorzugsweise durch Galvanisieren erfolgen, um eine möglichst dünne zweite Schicht auszubilden. Die zweite Schicht weist vorzugsweise das gleiche Material wie die erste Schicht auf.
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Falls das Sensorelement zumindest teilweise in einer Aussparung der ersten Schicht angeordnet ist, kann die Aussparung auf diese Art und Weise begrenzt und abgeschlossen werden, um das Volumen der Aussparung zu definieren. Ist das Sensorelement zumindest teilweise auf der ersten Schicht angeordnet, kann das Sensorelement zwischen den beiden Schicht angeordnet werden. In jedem Fall kann das Sensorelement durch die zweite Schicht in bzw. auf der ersten Schicht gehalten sowie gegenüber äußeren Einflüssen geschützt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung entspricht die Flexibilität, insbesondere die Dehnbarkeit, des Sensorelements wenigstens der Flexibilität, insbesondere der Dehnbarkeit, der ersten Schicht. Mit anderen Worten ist das Sensorelement ausgebildet, den Bewegungen und insbesondere den Dehnungen der ersten Schicht folgen zu können, so dass diese ausgeglichen sowie sensorisch erfasst werden können. Die Beweglichkeit bzw. Dehnbarkeit des Sensorelements kann jedoch auch größer als diejenige der ersten Schicht sein. Ist eine zweite Schicht vorhanden, gilt dies entsprechend für die zweite Schicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Sensorelement ausgebildet, seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von dehnenden und stauchenden Verformungen zu verändern. Hierdurch kann ein Sensorelement zur Erfassung von mechanischen Spannungen sowie Bewegungen geschaffen werden, welches als Kraftsensor, Drucksensor, Biegesensor und dergleichen eingesetzt werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das flexible Produkt ein flexibler Sensor, vorzugsweise ein elastischer Sensor, besonders vorzugsweise ein elastomerer Sensor. Auf diese Art und Weise kann ein Sensor als flexibler Körper ausgebildet werden, um vorzugsweise in bzw. auf anderen flexiblen Körpern wie z.B. einem Reifen, einem Antriebsriemen, einem Förderband, einer Luftfeder oder einem Schlauch verwendet zu werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das flexible Produkt ein Reifen, ein Antriebsriemen, ein Förderband, eine Luftfeder oder ein Schlauch. Hierdurch kann eine direkte Integration des Sensorelements in das flexible Produkt bereits bei dessen Herstellung erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines flexiblen Produkts wie zuvor beschrieben mit wenigstens den Schritten:
- • Bereitstellen einer ersten Schicht, welche zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, aus einem flexiblen, vorzugsweise aus einem elastischen, besonders vorzugsweise aus einem elastomeren, Material ausgebildet ist, und
- • Anordnen wenigstens eines Sensorelements in und bzw. oder auf der ersten Schicht,
wobei das Sensorelement zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, aus einem elektrisch leitfähigen flexiblen Material ausgebildet ist, welches wenigstens eine elektrische Eigenschaft unter Druck, Temperatur und bzw. oder Verformung verändern kann.
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Auf diese Art und Weise kann ein erfindungsgemäßes flexibles Produkt hergestellt werden.
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Zwei Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit den folgenden Figuren erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine perspektivische schematische Darstellung einer ersten Schicht eines flexiblen Produkts gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels;
- 2 die Darstellung der 1 mit einer zweiten Schicht;
- 3 eine perspektivische schematische Darstellung einer ersten Schicht eines flexiblen Produkts gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels; und
- 4 die Darstellung der 3 mit einer zweiten Schicht.
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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.
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1 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung einer ersten Schicht 10 eines flexiblen Produkts 1 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels. 2 zeigt die Darstellung der 1 mit einer zweiten Schicht 12.
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Die erste Schicht 10 besteht aus einem elastomeren Material, so dass die erste Schicht 10 flexibel ausgebildet ist. Die erste Schicht 10 erstreckt sich dabei im Wesentlichen in der Ebene der Längsrichtung X und der Querrichtung Y und ist in der Höhe Z vergleichsweise gering, d.h. dünn, ausgebildet.
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In der Höhe Z von oben ist in einem ersten Herstellungsschritt mittels eines Gravurwerkzeugs (nicht dargestellt) in Form eines Gravur-Lasers eine Aussparung 11 in die Oberfläche der oberen Seite der ersten Schicht 10 eingebracht worden. Diese Aussparung 11 kann einen beliebigen Verlauf aufweisen, wobei auch Verzweigungen, T-Kreuzungen, Kreuzungen etc. möglich sind. Insbesondere kann die Aussparung 11 in der Breite, d.h. in ihrer Erstreckung in der Längsrichtung X und der Querrichtung Y, sowie in der Tiefe, d.h. in der Höhe Z, variieren. Dieser erste Herstellungsschritt des Gravierens der Oberfläche der oberen Seite der ersten Schicht 10 resultiert in einer Grundstruktur, welche auch als Negativ des folgenden Druckschritts angesehen werden kann, in dem das Verfüllen der Aussparung 11 durch ein elektrisch leitfähiges flexibles Material erfolgt.
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In den vorliegenden Ausführungsbeispielen weist die Aussparung 11 in der Querrichtung Y mittig einen in der Erstreckung der Längsrichtung X und der Querrichtung Y rechteckig ausgebildeten Bereich auf, welcher durch die Verfüllung mit dem elektrisch leitfähigen flexiblen Material als Sensorelement 13 ausgebildet wird. In der Querrichtung Y schließen sich jeweils in der Längsrichtung X deutlich schmaler ausgebildete Bereich an, welche als Leiterbahnen 14 fungieren können. Als elektrisch leitfähiges flexibles Material kann ein solches eingesetzt werden, welches zumindest seinen elektrischen Widerstand eine elektrische Eigenschaft unter Druck, Temperatur und bzw. oder Verformung verändern kann. Beispielsweise kann über eine Änderung des elektrischen Widerstands des Sensorselements 13, welcher über die beiden Leiterbahnen 14 abgegriffen werden kann, eine sensorische Erfassung einer Temperaturänderung oder einer Druckänderung an dieser Stelle der ersten Schicht 10 bzw. des flexiblen Produkts 1 erfolgen.
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Die Aussparung 11 bzw. das dort ausgebildete Sensorelement 13 und die Leiterbahnen 14 werden anschließend von der zweiten Schicht 12 abgedeckt, welche vorzugsweise hinsichtlich ihres Materials und ihrer Dicke in der Höhe Z der ersten Schicht 10 entspricht. Hierdurch können das Sensorelement 13 und die Leiterbahnen 14 gegenüber äußeren Einflüssen geschützt werden. Anschließend wird das flexible elastomere Produkt 1 vulkanisiert, um seine endgültigen Materialeigenschaften zu erhalten.
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3 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung einer ersten Schicht 10 eines flexiblen Produkts 1 gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels. 4 zeigt die Darstellung der 3 mit einer zweiten Schicht 12. In diesem Fall ist die erste Schicht 10 ohne Aussparung 11 ausgebildet, so dass das Sensorelement 13 und die Leiterbahnen 14 in der Höhe Z von oben als flache Erhöhung auf der Oberseite der ersten Schicht 10 durch Aufdrucken ausgebildet sind. Diese Erhöhung kann jedoch gegenüber der Erstreckung der beiden Schichten 10, 12 in der Höhe Z vernachlässigt werden, so dass auch in diesem Fall die zweite Schicht 12 auf der ersten Schicht 10 zur Abdeckung des Sensorelements 13 und der Leiterbahnen 14 angeordnet werden kann, ohne dass dies nach außen hin zu einer merklichen Verformung des flexiblen Produkts 1 führt. Ansonsten entspricht das flexible Produkt 1 gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels dem flexiblen Produkt 1 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels.
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Bezugszeichenliste
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- X
- Längsrichtung; Tiefe
- Y
- Querrichtung; Breite
- Z
- vertikale Richtung; Höhe
- 1
- flexibles Produkt; elastisches Produkt; elastomeres Produkt; Sensor; Reifen; Antriebsriemen; Förderband; Luftfeder; Schlauch
- 10
- erste Schicht
- 11
- Aussparung
- 12
- zweite Schicht
- 13
- Sensorelement
- 14
- Leiterbahn
