DE102018114258A1

DE102018114258A1 - Paneel für eine magnetische Abschirmkabine, magnetische Abschirmkabine und Verfahren zum Herstellen eines Paneels und einer magnetischen Abschirmkabine

Info

Publication number: DE102018114258A1
Application number: DE102018114258.7A
Authority: DE
Inventors: Gerd Rauscher; Markus Hein; Maximilian STAAB; Niklas VOLBERS
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2019-12-19
Also published as: US11758704B2; US20190387651A1

Abstract

In einem Ausführungsbeispiel wird ein Paneel für eine Abschirmkabine bereitgestellt, das eine Basisplatte aus einem nichtmagnetischen Material und zumindest eine Blechlage aus einem weichmagnetischen Material aufweist. Die Basisplatte ist mit der zumindest einen Blechlage mittels eines viskoelastischen Klebers verbunden. Der Kleber weist eine Glasübergangstemperatur von -80°C bis -60°C auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Paneel für eine magnetische Abschirmkabine, eine magnetische Abschirmkabine und Verfahren zum Herstellen eines Paneels und einer magnetischen Abschirmkabine.
Magnetische Abschirmkabinen werden beispielsweise im medizinischen und Forschungsbereich verwendet, um magnetisch empfindliche Geräte wie Magnet-Enzephalographie-Systeme (MEG) gegenüber externen magnetischen Feldern abzuschirmen. Die Leistungsfähigkeit einer Abschirmkabine wird mithilfe des Schirmfaktors S sowie des sogenannten Restfelds angegeben. Der Schirmfaktor berechnet sich aus dem Quotienten der berechneten Stärke eines anregenden, periodischen Magnetfelds außerhalb und der gemessenen Stärke in der Abschirmkabine. Der Schirmfaktor selbst wird, abgesehen von den räumlichen Abmessungen einer Kabine, maßgeblich von der relativen Permeabilität µ des Wandmaterials, typischerweise Bleche aus einem weichmagnetischen Material, bestimmt. $S \approx const μ$
Die Höhe des Restfelds in einer Abschirmkabine gibt an, wie sehr statische, die Kabine umgebende Magnetfelder (hauptsächlich das Erdmagnetfeld mit rund B=4·10^-5 T), unterdrückt werden.
Bei manchen Anwendungen sind die Schwingungseigenschaften der Abschirmkabine auch zu berücksichtigen, da ein magnetischer Sensor, der in einem inhomogenen Magnetfeld schwingt, oszillierende Werte der magnetischen Feldstärke erfasst. Die Druckschrift US 6 282 848 B1 offenbart eine Konstruktion für eine Abschirmkabine, bei der der Boden, die Decke und die Wände der Kabine magnetisch und dielektrisch vom Gebäude, in dem sich die Abschirmkabine befindet, entkoppelt sind. In der Bodenkonstruktion ist ein weiteres Dämpfungsmittel eingebaut, damit mechanische Schwingungen von außerhalb der Kabine nicht in die Kabine übertragen werden.
Es ist jedoch wünschenswert, die Konstruktion einer Abschirmkabine zu vereinfachen und gleichzeitig eine gute magnetische Abschirmung und Schwingungsdämpfung zu gewährleisten.
Aufgabe besteht somit darin, eine magnetische Abschirmkabine zu schaffen, die eine gute Leistungsfähigkeit und verbesserte Schwingungsdämpfung aufweist.
Gelöst wird dies durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird ein Paneel für eine magnetische Abschirmkabine bereitgestellt, das eine Basisplatte aus einem nichtmagnetischen Material und zumindest eine Blechlage aus einem weichmagnetischen Material aufweist. Die Basisplatte ist mit der zumindest einen Blechlage mittels eines viskoelastischen Klebers verbunden. Der Kleber weist einen Glasübergang bei Temperaturen von -80°C bis -60°C, vorzugsweise -75°C bis -65°C, auf. auf.
Ein viskoelastischer Kleber wird somit verwendet, um die weichmagnetischen Bleche, die die magnetische Abschirmung ermöglichen, auf einer Basisplatte zu befestigen. Der viskoelastische Kleber ermöglicht neben der Befestigung eine zusätzliche schwingungsdämpfende Wirkung, ohne ein weiteres Bauelement zu verwenden. Das Paneel kann somit einfach hergestellt werden. Ferner wird durch den viskoelastischen Kleber eine Reduzierung der Permeabilität der Blechlage durch Biegen oder Verspannung, insbesondere bei der Herstellung des Paneels, vermieden, sodass die Leistungsfähigkeit der magnetischen Abschirmung verbessert werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen Paneelkonstruktion sind die Einzelbleche stabil, aber dennoch flexibel und schwingungsdämpfend miteinander verklebt worden. Dies beugt dem Aufbau lokaler Spannungen vor und macht die magnetische Leitfähigkeit weniger anfällig für Blechwelligkeiten. Darüber hinaus können die Blechpaneele flexibel auf eine nichtmagnetische, schwingungsdämpfende Unterlage aufgeklebt werden. Dadurch steigt deren Stabilität und gleichzeitig wird die Anfälligkeit für Vibrationen weiter reduziert.
Erfindungsgemäß wird somit ein Kleber verwendet, der sowohl elastische als auch viskose Eigenschaften aufweist. Der Kleber weist einen Glasübergang bei Temperaturen von -80°C bis -60°C, vorzugsweise -75 bis -65°C auf, wobei die Temperatur des Glasübergangs mittels einer DSC-Messung (Differential Scanning Calorimetery) mit 10 K/min ermittelt wird. Dieser Glasübergang ist zum Beispiel bei kristallinem Kleber wie Silikon nicht vorhanden.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Kleber eine Shore A-Härte nach DIN 53505 im Bereich von 30 bis 60 vorzugsweise eine Shore A-Härte nach DIN 53505 im Bereich von 35 bis 45 und eine Zugscherfestigkeit nach DIN 53504 von mindestens 0,3 N/mm², vorzugsweise eine Zugscherfestigkeit nach DIN 53504 von mindestens 0,9 N/mm² auf.
Die Flexibilität des Klebers wird durch die Eigenschaften von einer Shore A-Härte nach DIN 53505 im Bereich von 30 bis 60 und einer Zugscherfestigkeit nach DIN 53504 von mindestens 0,3 N/mm² gewährleistet. Durch die Härte wird die Elastizität des Klebers beschrieben. Ein viskoelastischer Kleber mit einer Shore A-Härte nach DIN 53505 im Bereich von 30 bis 60 ist sehr weich und somit geeignet für Schwingungsdämpfung. Durch die Zugscherfestigkeit wird die Klebkraft beschrieben. Mit einer Zugscherfestigkeit nach DIN 53504 von mindestens 0,3 N/mm² ist der Kleber geeignet, schwere Metallblechlagen zuverlässig zu verkleben.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Kleber ein Silan-modifizierter-Polymer- (SMP)-Kleber. Diese Klasse von Klebstoffen hat viskoelastische Eigenschaften und hat sich als besonders geeignet gezeigt.
Ein alternativer Kleber mit einer geeigneten Shore-A Härte nach DIN 53505 und Zugscherfestigkeit nach DIN 53504, der für manchen Anwendungen geeignet ist, ist ein Polyurethan- (PUR)-Kleber.
Um die Schwingungsdämpfung weiter zu verbessern, besteht in manchen Ausführungsbeispielen die Basisplatte aus einem vibrationsdämpfenden Material. In manchen Ausführungsbeispielen kann eine nichtmetallische Basisplatte verwendet werden, die ferner elektrisch isolierend sein kann. In einem Ausführungsbeispiel besteht die Basisplatte aus mitteldichter Holzfaser (MDF).
Für Anwendungen, bei denen resonante mechanische Schwingungen im Bereich vom 0 bis 20 Hz zu vermeiden sind, hat sich eine Basisplatte aus Aluminium im Test als ungeeignet erwiesen, da diese bei typischen Maßen eines Abschirmpaneels (rund 1,2 m x 1,2 m) resonant im Bereich von 0 bis 20 Hz schwingt. In diesem Frequenzbereich sind manche magnetischen Sensoren besonders empfindlich.
Das weichmagnetische Material der Blechlage stellt die magnetische Abschirmung dar. In einem Ausführungsbeispiel besteht die Blechlage aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die beispielsweise 70 bis 82 Gew.-% Nickel, 0 bis 11 Gew.-% Kupfer, 0 bis 6,5 Gew.-% Molybdän und 0 bis 6 Gew.-% Chrom, Rest Eisen enthält, wobei der Eisenmindestgehalt 9 Gew.-% beträgt.
Die Nickel-Eisen-Legierung kann zum Beispiel 76 bis 78 Gew.-% Nickel, 4,0 bis 5,0 Gew.-% Kupfer, 2,8 bis 3,8 Gew.-% Molybdän und mindestens 13 Gew.-% Eisen, oder 79 bis 81 Gew.-% Nickel, 4,6 bis 5,6 Gew.-% Molybdän, und mindestens 13 Gew.-% Eisen, oder 80 bis 82 Gew.-% Nickel, 5,5 bis 6,5 Gew.-% Molybdän, und mindestens 10 Gew.-% Eisen enthalten. Eine geeignete Nickel-Eisen-Legierung ist unter dem Handelsnamen Mumetall kommerziell erhältlich.
Ein Paneel weist typischerweise zumindest eine Linearabmessung von mindestens 0,8 m auf. Bei der Wärmebehandlung des weichmagnetischen Materials, um die magnetischen Eigenschaften, insbesondere die Permeabilität, einzustellen, sind jedoch kleinere Maße praktisch. In einem Ausführungsbeispiel wird die Blechlage aus mehreren auf der Basisplatte nebeneinander angeordneten Blechen gebildet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Bleche bzw. Bänder mit einem einfacheren Herstellungsverfahren hergestellt werden können und dann eine beliebige Zahl an Blechen bzw. Bändern nebeneinander auf die Basisplatte geklebt werden, um ein Paneel mit den gewünschten Maßen herzustellen. Die Maße des Paneels sind somit unabhängig von den Maßen des weichmagnetischen Materials, beispielsweise von der Breite der Bänder.
In manchen Ausführungsbeispielen weist das Paneel zumindest zwei übereinander angeordnete Blechlagen auf. Diese Blechlagen können jeweils aus mehreren nebeneinander angeordneten Blechen bestehen und die Bleche benachbarter Lagen kreuzweise zueinander verlaufen. Die Blechlagen können miteinander mittels des flexiblen Klebers befestigt werden.
Eine magnetische Abschirmkabine, die Paneele nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele aufweist, wird auch bereitgestellt.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Abschirmkabine mehrere Schirmschalen, und zumindest eine dieser Schirmschalen Paneele nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele auf.
Die magnetischen Eigenschaften von weichmagnetischen Materialien wie Nickel-Eisen-Legierungen können durch Verspannung, beispielsweise Biegen, beeinträchtigt werden. In einem Ausführungsbeispiel weist das Paneel nach Einbau in eine Abschirmkabine bei Schirmung einer magnetischen Flussdichte von 1,4±0,5 µT RMS eine effektive Permeabilität größer 20.000 auf. Das Paneel kann eine Linearabmessung größer 0,8 m aufweisen. Die mechanische Vibration des Paneels im verbauten Zustand kann innerhalb eines Frequenzbereichs von 0 bis 500 Hz eine maximale Beschleunigungsamplitude von 0,3 ms^-2 RMS aufweisen und somit eine Schwingungsdämpfungswirkung gewährleisten.
Das Prinzip der magnetischen Schirmung beruht darauf, dass der vorhandene magnetische Fluss um den zu schirmenden Raum herumgeleitet wird. Die (relative) Permeabilität eines magnetischen Werkstoffs entspricht seiner magnetischen Leitfähigkeit, gibt also an, wie effektiv er den Fluss um den geschirmten Raum führt. Für eine hohe Permeabilität soll sich die lokale Magnetisierung im Werkstoff möglichst ungehindert und isotrop, das heißt ohne Vorzugsrichtung, drehen können. Nickel-EisenLegierungen wie Mumetall zeichnen sich durch eine sehr geringe magnetokristalline Anisotropie aus. Darüber hinaus besitzt Mumetall eine sehr geringe Magnetostriktion, das heißt es ändert seine Ausdehnung unter dem Einfluss eines angelegten Magnetfelds nur wenig. Dieser Effekt ist dennoch so groß, dass durch Biegen oder Verspannen eines Mumetall-Bleches magnetische Vorzugsrichtungen erzeugt werden. Die entstehende Anisotropie führt zu einer Abnahme der Permeabilität.
Prozessbedingt sind Mumetallbleche nach der Hochtemperaturglühung leicht wellig. Wenn die geglühten Bleche unter hohem Druck und bei Verwendung eines weniger flexiblen Klebers wie einer Kleberfolie geklebt werden, werden die Bleche sehr plan gedrückt. Dadurch entstehende Spannungen können jedoch aufgrund der unflexiblen Klebefolie nicht abgebaut werden. Lokal entstehen somit ganz unterschiedliche magnetische Anisotropien, die optimale Leitung des magnetischen Flusses durch das Blech ist dadurch beeinträchtigt. Hinzu kommt, dass auch unvermeidbare Effekte wie beispielsweise Vibrationen der Paneele oder leichtes Verbiegen unter deren Eigengewicht bereits zu einem Spannungsaufbau führen können.
Diese Effekte können durch die Verwendung eines viskoelastischen Klebers vermieden werden, sodass eine Abschirmkabine mit einer guten Leistungsfähigkeit sowie mit Schwingungsdämpfung geschaffen wird. Darüber hinaus können die Blechpaneele flexibel auf eine nichtmetallische, schwingungsdämpfende Unterlage aufgeklebt werden. Dadurch steigt deren Stabilität und gleichzeitig wird die Anfälligkeit für Vibrationen weiter reduziert.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Paneels für eine Abschirmkabine wird bereitgestellt. Eine Abschirmlage bestehend aus mindestens einem Blech aus einem weichmagnetischen Material und wird auf einer nichtmagnetischen Basisplatte mittels eines viskoelastischen Klebers mit einer Shore A-Härte nach DIN 53505 im Bereich von 30 bis 60 und einer Zugscherfestigkeit nach DIN 53504 von mindestens 0,3 N/mm² befestigt. In einem Ausführungsbeispiel erfolgt ein Andrücken des Blechs an die Basisplatte mit einem maximalen Anpressdruck von weniger als 1,5 t/m², vorzugsweise maximal 1 t/m², vorzugsweise maximal 0,5 t/m².
Durch den viskoelastischen Kleber wird ein Paneel bereitgestellt, das gute weichmagnetische Eigenschaften und somit gute magnetische Abschirmung sowie vibrationsdämpfenden Eigenschaften aufweist, ohne dass weitere Bauelemente eingebaut werden.
Der maximale Anpressdruck kann so ausgewählt werden, dass eine maximale Reduzierung der Permeabilität des weichmagnetischen Materials unterhalb einer vorbestimmten Grenze liegt. In einem Ausführungsbeispiel ist die Reduktion der Permeabilität nach dem Verkleben niedriger als 6 %, vorzugsweise niedriger als 3 %.
In einem Ausführungsbeispiel werden mehrere Bleche nebeneinander auf die Basisplatte mittels des Klebers befestigt, um eine erste Abschirmlage zu bilden. Somit kann ein Paneel mit den gewünschten Maßen aus standardisiertem Material wie Bändern mit einer standardisierten Breite zusammengebaut werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird zumindest eine weitere Blechlage auf der Blechlage verlegt. Mehrere Bleche können nebeneinander auf der ersten Blechlage mittels des Klebers befestigt werden, um eine zweite Blechlage zu bilden, wobei die Bleche der zweiten Lage kreuzweise zu den Blechen der ersten Lage verlegt werden.
Der Kleber kann einen Glasübergang bei Temperaturen von -80°C bis -60°C, vorzugsweise -75°C bis -65°C, aufweisen, wobei der Glasübergang bei einer DSC-Messung mit einer Heizrate von 1 0K/Min ermittelt wird. Der Kleber kann eine Shore A-Härte nach DIN 53505 im Bereich von 35 bis 45 und eine Zugscherfestigkeit nach DIN 53504 von mindestens 0,9 N/mm² besitzen.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Kleber ein Silan-modifizierten-Polymer- (SMP)-Kleber.
Alternativ kann für manche Ausführungsbeispiele, beispielsweise für eine Basisplatte, die kein Aluminium aufweist, ein Polyurethan-Kleber verwendet werden.
Die Basisplatte kann nichtmetallisch und/oder elektrisch isolierend sein. Die Basisplatte kann ein vibrationsdämpfendes Material, wie mitteldichte Holzfaser (MDF) aufweisen.
Das weichmagnetische Material kann aus einer Nickel-Eisen-Legierung bestehen, die 70 bis 82 Gew.-% Nickel, 0 bis 11 Gew.-% Kupfer, 0 bis 6,5 Gew.-% Molybdän und 0 bis 6 Gew.-% Chrom, Rest Eisen enthält, wobei der Eisenmindestgehalt 9 Gew.-% beträgt.
In weiteren Ausführungsbespiele enthält die Nickel-Eisen-Legierung 76 bis 78 Gew.-% Nickel, 4,0 bis 5,0 Gew.-% Kupfer, 2,8 bis 3,8 Gew.-% Molybdän und mindestens 13 Gew.-% Eisen, oder 79 bis 81 Gew.-% Nickel, 4,6 bis 5,6 Gew.-% Molybdän, und mindestens 13 Gew.-% Eisen, oder 80 bis 82 Gew.-% Nickel, 5,5 bis 6,5 Gew.-% Molybdän, und mindestens 10 Gew.-% Eisen.
Das Paneel kann eine Linearabmessung größer 0,8 m aufweisen.
Eine Vielzahl von Paneelen nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele kann verwendet werden, um eine Abschirmkabine zu bilden. Die Paneele können nach einem der vorherstehenden Ausführungsbeispiele herstellt werden.
Eine Abschirmkabine kann weitere Bauelemente wie Verbindungsstücke aufweisen, die mit den Paneelen zusammengebaut werden, um die Abschirmkabine bzw. eine Schale einer Abschirmkabine zu bauen. Der flexiblen Kleber kann auch eingesetzt werden, um die Paneele mit diesen weiteren Bauelementen zu verbinden. Beispielsweise kann zumindest eines der Paneele auf einem weiteren Verbindungsstück mittels des flexiblen Klebers befestigt werden, um die Abschirmkabine zu bilden.
Die mechanische Vibration der Paneele im verbauten Zustand können innerhalb eines Frequenzbereichs von 0 bis 500 Hz durch eine maximale Beschleunigungsamplitude von 0,3 ms^-2 RMS charakterisiert sein.
Zusammengefasst werden ein Paneel, eine magnetische Abschirmkabine und/oder eine Schale einer Abschirmkabine bereitgestellt, die eine gute magnetische Abschirmung sowie verbesserte Vibrationsdämpfung aufweist. Der Verbund aus einer Basisplatte und weichmagnetischen Blechen wird mittels eines flexiblen Klebers, wie eines viskoelastischen Klebers, erzeugt, der neben der Befestigung der weichmagnetischen Bleche auf der Basisplatte eine zusätzliche schwingungsdämpfende Wirkung bereitstellt, ohne ein weiteres Bauelement zu verwenden. Das Paneel kann somit einfach hergestellt werden. Ferner wird durch den flexiblen Kleber eine Reduzierung der Permeabilität der Blechlage durch Biegen oder Verspannung der Blechlage, insbesondere bei der Herstellung des Paneels, vermieden, sodass die Leistungsfähigkeit der magnetischen Abschirmung verbessert werden kann.
Ausführungsbeispiele werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Paneels.
2 zeigt den Aufbau zum Messen eines Krümmungsparameters keines Paneels.
3 zeigt die relative Änderung der Permeabilitätswerte bei jeweils zwei Messrahmen aus Mumetall durch das Verkleben mit verschiedenen Klebstoffen.
4 zeigt die relative Änderung der Permeabilitätswerte eines SMP-Klebers in Abhängigkeit vom gewählten Anpressdruck.
5 zeigt das Schwingungsverhalten der Seitenwände von Vergleichsschale (VS) und erfindungsgemäßer Testschale (TS) gemäß eines Ausführungsbeispiels.
6 zeigt Ergebnisse der DSC-Messungen (10 K/min) eines Klebers gemäß eines Ausführungsbeispiels und eines Vergleichsklebers.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Paneels 10 nach einem Ausführungsbeispiel.
Das Paneel 10 weist eine Basisplatte 11 aus einem nichtmagnetischen Material und zwei Blechlagen 12, 13 aus einem weichmagnetischen Material auf. Die untere Blechlage 12 ist auf der Basispatte über einer Schicht 14 aus einem viskoelastischen Kleber, beispielsweise einem Silan-modifizierten Polymer-Kleber 15 befestigt. Die obere Blechlage ist auf der unteren Blechlage 12 ebenfalls über einer Schicht 16 aus dem Silan-modifizierten Polymer-Kleber 15 befestigt.
Jede der Blechlagen 12, 13 weist mehrere nebeneinander angeordnete Bleche bzw. Bänder 17, 18 auf, wobei die Bänder 17, 18 kreuzweise zueinander verlaufen. Das Paneel 10 kann jedoch eine einzige Blechlage oder mehr als zwei Blechlagen aufweisen. Bei Paneelen mit drei oder mehr Blechlagen verlaufen die Bänder benachbarter Lagen kreuzweise zueinander.
Die Blechlagen 12, 13 bzw. die Bänder 17, 18 weisen ein weichmagnetisches Material auf, beispielsweise eine Nickel-Eisen-Legierung wie Mumetall. Das weichmagnetische Material weist eine hohe Permeabilität auf, die eine magnetische Abschirmung gewährleistet. Die Basisplatte 11 weist eine mitteldichte Holzfaser (MDF) auf.
Erfindungsgemäß wird viskoelastischer Kleber, beispielsweise ein Silan-modifizierte Polymer-Kleber verwendet. Ein Silan-modifizierter Polymer-Kleber 15 ist flexibel und weist einen Glasübergang zwischen -75°C und -65°C, eine Shore A-Härte nach DIN 53505 im Bereich von 30 bis 60 und eine Zugscherfestigkeit nach DIN 53504 von mindestens 0,3 N/mm² auf. Das Paneel und eine aus mehreren solchen Paneelen gebaute Abschirmkabine weisen eine gute magnetische Abschirmung und gute Vibrationsdämpfung auf und sind einfach herzustellen.
Silan-Hybrid-Kleber (Silan-modifizierte Polymere (SMP)) sind eine Klebstoffklasse, die eine Kombination von Eigenschaften besitzen, welche für das Verkleben von Abschirmwandpaneelen vorteilhaft sind, beispielsweise haften sie auf Mumetalloberflächen ohne Einsatz eines Primers, sind temperaturbeständig und UV-stabil. Darüber hinaus sind diese Klebstoffe besonders viskoelastisch.
Diese ausgezeichneten Eigenschaften unterscheidet SMP-Klebstoffe von PU und Silikonen, die auch eine hohe Elastizität besitzen. SMP-Klebstoffe weisen zusätzlich eine ausgeprägte Zähigkeit auf, was eine Dämpfung von Schwingungen oder Schockbelastungen bewirkt. Der SMP-Klebstoff Soudaseal 2K der Firma Soudal wird für die hier beschriebenen Anwendungen als besonders geeignet gefunden. Eine wichtige Kenngröße für die Elastizität eines Klebers ist dessen Härte, also der Widerstand des Elastomers beim mechanischem Eindringen eines anderen Körpers. Soudaseal 2K als typischer Vertreter der SMP-Klasse besitzt eine Shore A - Härte von 40±5 auf einer Skala von 0-100 (DIN 53505) und ist demzufolge relativ weich. Gleichzeitig ist seine Klebekraft mit einer angegebenen Zugscherfestigkeit mit >1,3 MPa (DIN 53504) ausgesprochen hoch und er daher geeignet, um auch mehrere, schwere Metallblechlagen zuverlässig zu verkleben.
Zum verspannungsarmen Verkleben von Blechen und Basisplatte eignet sich für manche Anwendungen auch ein Kleber aus Polyurethan. Die Weichheit dieses Klebers lässt sich über den Anteil an amorphen Bestandteilen in einem weiten Bereich einstellen. Je höher der amorphe Anteil ist, desto niedriger liegt auch die Glasübergangstemperatur. Im Test erwies sich der PU-Kleber Technicoll 8324 1-K-PUR als relativ elastisch, und gleichzeitig ausreichend haftstark, die Weichheit zeigte sich in einer Glasübergangstemperatur (10 K/min) von rund -66°C, welche denjenigen von SMP-Klebern ähnelt. Der getestete PU-Kleber hat eine dem SMP-Kleber ähnliche Shore A-Härte und Zugscherfestigkeit.
Bei manchen Klebern aus Polyurethan sind im Vergleich zu SMP-Kleber zusätzliche Fertigungsschritte zu verwenden, beispielsweise eine Aktivierung des Klebers und eine längere Aushärtezeit. In Klebeversuchen zeigte sich, dass der Polyurethan-Kleber die Permeabilität des Paneels bei hohen Aussteuerungen stärker beeinträchtigt als SMP-Kleber. Folglich sind Polyurethan-Kleber für Anwendungen mit einem Erfordernis einer sehr hohen magnetischen Abschirmung nicht so geeignet wie SMP-Kleber.
Die Basisplatte kann aus einem nichtmetallischen Material bestehen und auch elektrisch isolierend sein.
Eine Basisplatte aus Aluminium hat sich im Test als ungeeignet für Anwendungen erwiesen, bei denen Resonanzfrequenzen im Bereich von 0 bis 20 Hz zu vermeiden sind, da diese Platte bei typischen Maßen eines Abschirmpaneels (rund 1,2 m x 1,2 m), resonant im Bereich von 0 bis 20 Hz schwingt. In diesem Frequenzbereich sind manche magnetischen Sensoren besonders empfindlich. In einem Ausführungsbeispiel wird somit Aluminium als Material für die Basisplatte ausgeschlossen.
Ein Paneel aus einer Basisplatte aus MDF und Blechlagen aus Mumetallblechen wurde mit verschiedenen Klebstoffen hergestellt und untersucht. Um dem Wandpaneel ein ausreichendes Maß an Stabilität und Planheit zu geben, wird die unterste Blechlage auf eine Basisplatte geklebt. Die Basisplatte kann aus einem schwingungsdämpfenden Material wie mitteldichter Holzfaser (MDF) bestehen. Als Basisplatte hat sich eine 19 mm dicke Platte aus mitteldichter Holzfaser (MDF) als geeignet herausgestellt. Neben seiner hervorragenden Planheit und Steifigkeit ist MDF stark schwingungsdämpfend: Durch die vielfach verzweigten Holzfasern des Materials wird eine durch mechanische Anregung eingebrachte Energie großräumig in der Platte verteilt und in thermische Energie umgewandelt.
Wandpaneele für eine Abschirmkabine werden auf diese Weise hergestellt und sind bis etwa 1,50 m x 1,50 m groß. Das Paneel kann aus einem oder mehreren Blechlagen aus Mumetall, beispielsweise vier bis sechs Blechlagen von beispielsweise je 0,5 mm bis 0,75 mm Dicke, bestehen. Jede Blechlage setzt sich aus Blechstreifen, beispielsweise von etwa 30 cm x 150 cm, zusammen. Die Bleche zweier benachbarter Lagen werden zueinander um 90° gedreht („kreuzweises Verkleben“).
2 zeigt den Aufbau des Tests. Aus geglühten Mumetallblechen wurden zwei Messrahmen (Abmessung außen 25 cm) ausgeschnitten und diese dann zweilagig (2 x 0,75 mm) miteinander verklebt. Anschließend wurden diese Messrahmen bei unterschiedlich starker Krümmung auf Ihre Permeabilität hin untersucht. Durch die Krümmung wurde das Mumetall unter Spannung gesetzt. Eine wichtige Kenngröße für die Qualität von Abschirmblechen ist die Permeabilität bei einer Aussteuerung von H=1 mA/cm, oft als µ1 bezeichnet. Entsprechend wird die Permeabilität bei einer Aussteuerung von H=4 mA/cm oft als µ4 bezeichnet.
Es wurde untersucht, welche Einbußen der Permeabilität sich für zweilagige Messrahmen allein aus dem Verkleben, also ohne jegliche makroskopische mechanische Krümmung, ergeben. Die Ergebnisse sind in 3 dargestellt. Dargestellt sind die relativen Änderungen der Permeabilitäten µ1 und µ4, die sich aus dem Vergleich vor und nach dem Kleben ergaben. Aufgetragen sind sechs verschiedene Klebstoffklassen, unter anderem eine Klebefolie der Firma TESA sowie ein flexibler SilikonKleber, ein flexibler Polyurethan- (PU)-Kleber und ein SMP-Kleber, in diesem Falle PATTEX One for All. Der Einsatz der zusätzlich untersuchten flexiblen Kleber PU sowie SMP, in diesem Falle PATTEX One for All, haben im Vergleich zu dem Silikonkleber eine geringere Verschlechterung der Permeabilität zur Folge. Der SMP-Kleber zeichnete sich dadurch aus, dass sowohl µ1 als auch µ4 nach dem Verkleben nahezu unverändert hoch blieben. Der getestete PU-Kleber beeinträchtigt zumindest µ1 nur wenig.
Unterschiedliche SMP-Kleber wurden untersucht. Die Klebekraft wurde anhand einer Messung der Zugscherfestigkeit an Teststreifen ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Dabei wurden zwei Blechstreifen verklebt und auseinandergezogen. Der Kleber Soudaseal 2K zeigte dabei die größte Zugscherfestigkeit der getesteten Kleber.
Tabelle 1

Kleber Zugscherfestigkeit[N/mm²]

Soudal Fix All Flexi 1,07

Soudal Fix All Crystal 1,40

Heller 2H 1,19

PATTEX PL 300 0,30

Soudaseal High Tack 0,70

Soudaseal 2K 1,83
Der Einfluss des Anpressdrucks auf die Permeabilität beim Verkleben der Mumetallbleche wurde untersucht.
4 zeigt den Einfluss des Anpressdrucks auf die relative Änderung der Permeabilität nach Verkleben von zweilagigen Messrahmen. Dargestellt sind die Permeabilitäten µ(H=0,5 mA/cm), µ1 und µ4. Bei einem relativ geringen Anpressdruck von 0,44 t/m² ist die relative Änderung der Permeabilität unabhängig von der untersuchten Aussteuerung mit -1 % bis +2 % sehr gering. Bei einem erhöhten Anpressdruck von 1 t/m², etwa 0,1 bar, werden die Veränderungen deutlicher sichtbar. µ4 sinkt um 5%, während sich µ1 dagegen leicht um 5% verbessert.
Ein noch höherer Anpressdruck von 2 t/m² führt dann zu einer deutlichen Abnahme der Permeabilität, vor allem bei höheren Aussteuerungen respektive µ4, wenngleich die Anfangspermeabilität µ1 unter diesem Anpressdruck noch nicht übermäßig einbricht. Ein Wert von 2 t/m² oder 0,2 bar ist als eine obere Grenze für einen vertretbaren Anpressdruck angenommen.
Für den SMP-Kleber Soudaseal 2K wurde eine Kleinserie von 24 Paneelen angefertigt und daraus eine abgeschlossene Testschale angefertigt. Die Paneele bestanden aus vier Lagen spannungsarm verklebter Mumetallbleche der Dicke 0,75 mm sowie der schwingungsdämpfenden MDF-Basisplatte der Dicke 19 mm. Stand der Technik besteht im Verkleben ohne zusätzliche Basisplatte. Die Testschale wurde innerhalb einer vorhandenen zweischaligen Standardkabine aufgebaut.
Die erste Versuchsreihe bestand aus Messungen des Schirmfaktors der insgesamt dreischaligen Abschirmkabine. Schirmfaktoren und Permeabilität der Standardkabine waren bereits bekannt. Mithilfe analytischer Berechnungen und nach Abgleich mit Daten aus FEM-Simulation konnte die Wandpermeabilität der Testschale auf µ≈21.000±1000 bestimmt werden.
Darüber hinaus wurden an den Wänden sowohl der Testschale als auch der Standardkabine Schwingungsmessungen durchgeführt. Die angewandte Methode bestand aus dem Anbringen eines Beschleunigungssensors direkt an der jeweiligen Wand und in relativ mittiger Position. Die niederfrequente Anregung geschah händisch und mithilfe eines Gummihammers. Die Ergebnisse der vergleichenden Schwingungsmessungen werden in 5 dargestellt.
Aufgetragen ist das Frequenzspektrum der Vibrationen der einzelnen Wände von 0 bis 500 Hz, die Stärke der Vibration wird über die Beschleunigung a ausgedrückt. Die Skizze oben rechts in 5 verdeutlicht die Bezeichnung der vier Seitenwände, jeweils der außenliegenden Standardkabine VS und der Testschale TS. Seitenwand 2 entspricht der Türseite der Kabine. Die Türseite 2 wurde aufgrund der besonderen Konstruktion um die Tür und der entsprechend angepassten Paneeldimensionen von der Darstellung ausgenommen. Die Dimensionen der einzelnen Wände und die Abstände zwischen Wandträgern variieren sowohl von VS zu TS, aber auch innerhalb der einzelnen Schalen. Daher unterscheiden sich die Resonanzfrequenzen der einzelnen Wände deutlich. Beim Vergleich aller Seitenwände von TS (durchgezogene Linien) zu denjenigen von VS (gepunktete Linien) ist allerdings deutlich zu sehen, dass das neue Wandpaneel aufgrund der dämpfenden MDF-Komponente Resonanzen geringerer Amplitude vorwies. Beispielsweise lag die höchste Resonanz aller VS-Wände bei a=0,6 m/s² RMS, bei den TS-Wänden maximal bei unter 0,2 m/s² RMS.
Ein SMP-Kleber hat einen kennzeichnenden Glasübergang, der in einer Dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) Messung ermittelt werden kann. Hierbei wird die Temperatur einer geringen Kleberprobe kontinuierlich verändert und die dabei aufgenommene oder abgegebene Wärmemenge bestimmt. Die Angabe der Rate, mit der die Temperatur in der DSC Messung verändert wird, ist zu berücksichtigen, da je nach Rate sich die gemessenen Übergangstemperaturen verschieben. Die gezeigten Kurven sowie hierin genannten Glasübergangstemperaturen beziehen sich auf die Rate 10 K/min.
Mithilfe von DSC-Messungen lassen sich unter anderem Kristallisationsprozesse und Glasübergangstemperaturen ermitteln. Diese sind charakteristisch für amorphe und kristalline Stoffe. 6 zeigt DSC-Messungen von Soudaseal 2K (einem SMP-Kleber), links, und Elastosil, einem Vergleichskleber auf Basis von Silikonkautschuk, rechts.
Deutlich zu sehen ist der Glasübergang von Soudaseal 2K bei etwa -71°C. Er äußert sich als lokale Änderung der Steigung in einem begrenzten Temperaturbereich. Die Vergleichsprobe auf Silikonbasis hingegen verzeichnete in demselben Temperaturbereich einen starken lokalen Anstieg mit einem Scheitelpunkt bei etwa -75°C. Dieser Anstieg lässt sich mit einem Kristallisationsprozess erklären.

Ergebnisse für verschiedene SMP-Kleber sowie andere Klebstoffklassen sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Alle getesteten SMP-Kleber zeigten einen Glasübergang bei ähnlichen Temperaturen, im Mittel bei -72,61°C. Unter den Vergleichsklebstoffen erwies sich der untersuchte Polyurethan-Kleber Technicoll 1-K-PUR als den SMP-Klebstoffen am ähnlichsten. Auch er zeigte einen Glasübergang, allerdings bei einer etwas höheren Temperatur von rund -66°C. Die Klebefolie 3M 583 besaß eine deutlich niedrigere Glasübergangstemperatur von -119,38°C. Die beiden getesteten Klebstoffe auf Basis von Silikon-Kautschuk (unter anderem Elastosil 6) unterschieden sich durch die Art des Übergangs von den restlichen untersuchten Klebstoffen. Sie zeigten ein teilkristallines Verhalten in Form eines Kristallisationspeaks. Tabelle 2

Klebstoffklasse	Getestetes Produkt	Art des Übergangs	Temperatur [°C]
Silan-modifizierter Polymer	Soudaseal 2K	Glasübergang	-70,66
Silan-modifizierter Polymer	Soudaseal High Tack	Glasübergang	-74,40
Silan-modifizierter Polymer	Soudal Fix All Crystal	Glasübergang	-71,74
Silan-modifizierter Polymer	Soudal Fix All Flexi	Glasübergang	-70,98
Silan-modifizierter Polymer	Pattex PL300	Glasübergang	-74,06
Silan-modifizierter Polymer	Pattex One For All	Glasübergang	-73,80
Polyurethan	Technicoll 1-K-PUR	Glasübergang	-66,01
Klebefolie (Synth. Elastomere mit Thermoplast, Harz)	3M Folie 583	Glasübergang	-119,38
1K-Silikonkautschuk, bei Raumtemperatur vernetzend	Elastosil	Kristallisation	-74,99
1K-Silikonkautschuk, bei Raumtemperatur vernetzend	DELO-GUM 3597	Kristallisation	-73,80

Zusammengefasst wird ein Paneel für eine magnetische Abschirmkabine bereitgestellt, bei dem die Einzelbleche stabil, aber dennoch flexibel und schwingungsdämpfend miteinander verklebt werden. Dies beugt dem Aufbau lokaler Spannungen vor und macht die magnetische Leitfähigkeit weniger anfällig für Blechwelligkeiten. Darüber hinaus werden die Blechpaneele flexibel auf eine nichtmetallische, schwingungsdämpfende Basisplatte aufgeklebt. Dadurch steigt deren Stabilität und gleichzeitig wird die Anfälligkeit für Vibrationen weiter reduziert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6282848 B1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 53505 [0012, 0013, 0028, 0033, 0049]
DIN 53504 [0012, 0013, 0028, 0033, 0049]

Claims

Paneel für eine Abschirmkabine, aufweisend: eine Basisplatte aus einem nichtmagnetischen Material und zumindest eine Blechlage aus einem weichmagnetischen Material, wobei die Basisplatte mit zumindest einer Blechlage mittels eines viskoelastischen Klebers verbunden ist, wobei der Kleber eine Glasübergangstemperatur von -80°C bis -60°C, vorzugsweise -75°C bis -65°C, aufweist.
Paneel nach Anspruch 1, wobei der Kleber eine Shore A-Härte nach DIN 53505 im Bereich von 30 bis 60 und eine Zugscherfestigkeit nach DIN 53504 von mindestens 0,3 N/mm² aufweist.
Paneel nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Kleber eine Shore A-Härte nach DIN 53505 im Bereich von 35 bis 45 und eine Zugscherfestigkeit nach DIN 53504 von mindestens 0,9 N/mm² besitzt.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kleber ein Silan-modifizierten-Polymer- (SMP)-Kleber ist.
Paneel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kleber ein Polyurethan-Kleber ist.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Basisplatte aus einem vibrationsdämpfenden Material besteht.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Basisplatte nicht aus Aluminium besteht.
Paneel nach Anspruch 6, wobei die Basisplatte aus mitteldichter Holzfaser (MDF) besteht.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das weichmagnetische Material aus einer Nickel-Eisen-Legierung besteht, die 70 bis 82 Gew.-% Nickel,0 bis 11 Gew.-% Kupfer, 0 bis 6,5 Gew.-% Molybdän und 0 bis 6 Gew.-% Chrom, Rest Eisen enthält, wobei der Eisenmindestgehalt 9 Gew.-% beträgt.
Paneel nach Anspruch 9, wobei die Nickel-Eisen-Legierung 76 bis 78 Gew.-% Nickel, 4,0 bis 5,0 Gew.-% Kupfer, 2,8 bis 3,8 Gew.-% Molybdän und mindestens 13 Gew.-% Eisen enthält.
Paneel nach Anspruch 9, wobei die Nickel-Eisen-Legierung 79 bis 81 Gew.-% Nickel, 4,6 bis 5,6 Gew.-% Molybdän, und mindestens 13 Gew.-% Eisen enthält.
Paneel nach Anspruch 9, wobei die Nickel-Eisen-Legierung 80 bis 82 Gew.-% Nickel, 5,5 bis 6,5 Gew.-% Molybdän, und mindestens 10 Gew.-% Eisen enthält.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Blechlage aus mehreren auf der Basisplatte nebeneinander angeordneten Blechen gebildet wird.
Paneel nach Anspruch 13, das zumindest zwei übereinander angeordnete Blechlagen aufweist, wobei diese Lagen jeweils aus mehreren nebeneinander angeordneten Blechen bestehen, und die Bleche benachbarter Lagen kreuzweise zueinander verlaufen und miteinander mittels des Klebers befestigt sind.
Paneel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Paneel eine Linearabmessung größer 0,8 m aufweist.
Magnetische Abschirmkabine, wobei diese Paneele nach einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist.
Abschirmkabine nach Anspruch 15, wobei diese mehrere Schirmschalen aufweist und zumindest eine dieser Schalen Paneele nach einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist.
Abschirmkabine nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei zumindest eines der Paneele nach Einbau in der Abschirmkabine bei Schirmung einer magnetischen Flussdichte von 1,4±0,5 µT RMS eine effektive Permeabilität größer 20.000 besitzt.
Abschirmkabine nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die mechanische Vibration zumindest eines der Paneele im verbauten Zustand innerhalb eines Frequenzbereichs von 0 bis 500 Hz durch eine maximale Beschleunigungsamplitude von 0,3 ms^-2 RMS charakterisiert ist.
Verfahren zum Herstellen eines Paneels für eine Abschirmkabine, das Folgendes aufweist: Befestigen einer Abschirmlage, bestehend aus mindestens einem Blech aus einem weichmagnetischen Material, auf einer nichtmagnetischen Basisplatte mittels eines viskoelastischen Klebers mit einer Shore A-Härte nach DIN 53505 im Bereich von 30 bis 60 und einer Zugscherfestigkeit nach DIN 53504 von mindestens 0,3 N/mm², wobei ein Andrücken des Blechs an die Basisplatte mit einem maximalem Anpressdruck von weniger als 1,5 t/m², vorzugsweise maximal 1 t/m², erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Anpressdruck maximal 0,5 t/m² beträgt.
Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, wobei der Kleber ein Silan-modifizierter Polymer- (SMP)-Kleber ist.
Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, wobei der Kleber ein Polyurethan-(PU)-Kleber ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Reduktion der Permeabilität nach dem Verkleben niedriger als 6 % ist, vorzugsweise niedriger als 3 %.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei mehrere Bleche nebeneinander auf die Basisplatte mittels des Klebers befestigt werden, um eine erste Abschirmlage zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei mehrere Bleche nebeneinander auf der ersten Blechlage mittels des Klebers befestigt werden, um eine zweite Blechlage zu bilden, wobei die Bleche der zweiten Lage kreuzweise zu den Blechen der ersten Lage verlegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei der Kleber eine Glasübergangstemperatur von -80°C bis -60°C, vorzugsweise -75°C bis - 65°C, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, wobei der Kleber eine Shore A-Härte nach DIN 53505 im Bereich von 35 bis 45 und eine Zugscherfestigkeit nach DIN 53504 von mindestens 0,9 N/mm² besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, wobei die Basisplatte ein vibrationsdämpfendes Material aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, wobei die Basisplatte mitteldichte Holzfaser (MDF) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 30, wobei das weichmagnetische Material aus einer Nickel-Eisen-Legierung besteht, die 70 bis 82 Gew.-% Nickel, 0 bis 11 Gew.-% Kupfer, 0 bis 6,5 Gew.-% Molybdän und 0 bis 6 Gew.-% Chrom, Rest Eisen enthält, wobei der Eisenmindestgehalt 9 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Nickel-Eisen-Legierung 76 bis 78 Gew.-% Nickel, 4,0 bis 5,0 Gew.-% Kupfer, 2,8 bis 3,8 Gew.-% Molybdän und mindestens 13 Gew.-% Eisen enthält.
Paneel nach Anspruch 31, wobei die Nickel-Eisen-Legierung 79 bis 81 Gew.-% Nickel, 4,6 bis 5,6 Gew.-% Molybdän und mindestens 13 Gew.-% Eisen enthält.
Paneel nach Anspruch 31, wobei die Nickel-Eisen-Legierung 80 bis 82 Gew.-% Nickel, 5,5 bis 6,5 Gew.-% Molybdän und mindestens 10 Gew.-% Eisen enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 34, wobei das Paneel eine Linearabmessung größer 0,8 m aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Abschirmkabine, aufweisend: Montage einer Vielzahl von Paneelen nach einem der Ansprüche 1 bis 19, um eine Abschirmkabine zu bilden.
Verfahren zum Herstellen einer Abschirmkabine, aufweisend: Herstellen einer Vielzahl von Paneelen in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 36 und Montage einer Vielzahl der Paneele, um eine Abschirmkabine zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 36 oder Anspruch 37, wobei zumindest eines der Paneele auf einem weiteren Verbindungsstück mittels des flexiblen Klebers befestigt wird, um die Abschirmkabine zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 38, wobei die mechanische Vibration der Paneele im verbauten Zustand innerhalb eines Frequenzbereichs von 0 bis 500 Hz durch eine maximale Beschleunigungsamplitude von 0,3 ms^-2 RMS charakterisiert ist.