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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betreibbaren Heizelements nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Es ist schon bekannt, dass mit elektrisch leitfähigen Kunststoffen durch Anlegen eines elektrischen Stroms Joulsche Wärme erzeugt werden kann. Zu einem Kunststoff bzw. einem Kunststoffgemisch mehrerer Kunststoffe werden Anteile an elektrisch leitfähigen Füllstoffen gemischt, wodurch der spezifische elektrische Widerstand des Materials zwischen 0,1 Ohm cm und 1000 Ohm cm eingestellt werden kann. Aus dem Material können Körper oder Substrate geformt werden, die nach der Kontaktierung mit elektrischem Strom warm werden. Als Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung ist beispielsweise das thermische Spritzen aus der
DE 10 2012 212 798 A1 bekannt. Kontaktierungen, die mit einem solchen Verfahren hergestellt werden, haben eine beschränkte Stromtragfähigkeit. Beim thermischen Spritzen wird nur eine dünne Schicht (< 0,5 mm) und damit nur ein begrenzter Leiterbahnquerschnitt erreicht, so dass die Leiterbahnen durch Eigenerwärmung für den Substratkunststoff zu warm werden bzw. es zu Rissen in der Leiterbahn kommen kann.
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Aber auch beim Spritzgießen höher elektrisch leitfähiger Kunststoffe zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung ist aufgrund der verbleibenden Kunststoffbestandteile nur ein begrenzt kleiner spezifischer elektrischer Widerstand erreichbar. Zudem lassen sich die hoch mit leitfähigen Füllstoffen angereicherten Kunststoffe nur mit sehr hohen Spritzdrücken verarbeiten.
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Zur Herstellung elektrischer Kontakte kommt die Verwendung von Metallen in Betracht. Die Verarbeitung von Metallen im Druckgießen ist Stand der Technik. Aus einer Veröffentlichung im Netz vom 30.10.2014 unter https://www.kunststoffe.de/fachinformationen/technik-trends/artikel/direkte-metallbeschichtung-von-spritzgiessbauteilen-945346.html ist es auch bekannt, den Druckguss von Metallen mit dem Spritzgießen von Thermoplasten, also elektrisch isolierenden Kunststoffen, zu kombinieren. Dieses Verfahren wird als Integriertes Metall-Kunststoff Spritzgießen (IMKS) bezeichnet und soll die Fertigung von Kunststoffbauteilen mit integrierten elektrisch leitfähigen Bereichen vereinfachen. Zur Verarbeitung der niedrig schmelzenden Metalllegierungen dient ein spezielles Metallspritzaggregat, das direkt am Spritzgießwerkzeug befestigt ist. Im Aggregat befindet sich ein Heißtiegel mit Dosierkolben, dem kleine Barren eines Zinnlots zugeführt werden. Die Metalllegierungen lassen sich aufgrund ihrer niedrigen Viskosität im flüssigen Zustand nahezu drucklos verarbeiten. Das Metall wird über eine temperierte Nadelverschlussdüse direkt angespritzt. Durch eine spezielle Wechseltemperierung können filigrane Leiterstrukturen auf die Kunststoffoberflächen aufgetragen werden, ohne den Kunststoffträger zu schädigen. Der Prozess kann beispielsweise mit einem 3-Stationen-Indexplattenwerkzeug durchgeführt werden. In der ersten Station wird der Leiterbahnträger aus Kunststoff hergestellt. In der zweiten Station beschichtet das Metall den Kunststoffträger. An der dritten Station wird die metallische Leiterbahn mit einer zweiten Kunststoffkomponente überspritzt und dadurch elektrisch isoliert. Das Verfahren verkürzt im Vergleich zu bisherigen Methoden die Prozesskette bei der Produktion elektronischer Bauelemente. Beispielsweise können Anlagen zur Fertigung von Metallkomponenten oder Stanzgittern eingespart werden. Auch zusätzliche Montageanlagen werden durch das IKMS überflüssig. Darüber hinaus reduzieren sich die Logistikkosten für Einzelteile. Durch die verkürzte Prozesskette lässt sich die Artikelqualität weiter erhöhen. Das IKMS-Verfahren bietet große Gestaltungsfreiheiten bei der Bauteilauslegung und reduziert den Platzbedarf der leitfähigen Komponenten.
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Aus der
EP 0 051 378 A2 sind des Weiteren elektrische Leiterplatten aus dieelektrischem Material mit metallischen, druckgegossenen elektrischen Leiterbahnen bekannt, die in Vertiefungen des dieelektrischen Materials gespritzt worden sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektrisch betreibbaren Heizelements mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, eine gute Kontaktierung eines Heizelements zu erzielen, weil ein Anschmelzen des Kunststoffs ermöglicht wird. Die Schmelztemperatur des Metalls kann oberhalb der Schmelztemperatur des Substratmaterials liegen und dieses schmelzen. Durch die hohen Fließgeschwindigkeiten beim Gießen bzw. beim Druckgießen von Metallen kann der geschmolzene Kunststoff mit dem Metall mitgeschwemmt werden. Die üblicherweise isolierende Spritzhaut von der Abformung der elektrisch leitfähigen Kunststoffe wird angeschmolzen und das Metall dringt direkt bis zu den leitfähigen Partikeln im Kunststoff ein. Ein geringer und über Lebensdauer konstanter elektrischer Übergangswiderstand wird erreicht.
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Des Weiteren ist vorteilhaft, daß gezielt Aufrauhungen und Strukturierungen in dem Substrat vorgesehen werden können, um das Anschmelzen noch zu verbessern. Insbesondere hervorstehende Bereiche werden schnell durch die Metallschmelze angeschmolzen und das Substrat von der äußersten isolierenden Kunststoffschicht freigelegt, so dass das Metall zu den leitfähigen Partikeln vordringt. Es können auch Verkrallungen in das Substrat eingebracht werden, so dass das Metall sich in diesen formschlüssig einfügt. Es können auch Substrate mit Innenkanälen hergestellt werden, in die in einem zweiten Schritt das Metall zur Kontaktierung gegossen wird. Hinterschneidungen können im Substrat vorgesehen werden, in denen das Metall sich formschlüssig mit dem Substrat verbinden kann. Es können auch geteilte Substrate hergestellt werden, diese anschließend zueinander gefügt werden, so dass auch in Innenbereichen Aufrauhungen, Strukturen und/oder Verkrallungen vorsehen werden können, um das Anschmelzen bzw. formschlüssige Verkrallen des Metalls im Substrat zu ermöglichen. Es ist des Weiteren vorteilhaft, daß mit diesem Verfahren klar definierte Oberflächenbereiche des Kunststoffs mit dem metallischen Material kontaktiert werden können, es entfällt im Vergleich zu einem thermischen Spritzen metallischen Materials die Notwendigkeit, entstandenes sogenanntes „Overspray“, also unerwünscht abgeschiedene Sprühwolken, nachträglich entfernen zu müssen. Es ist des Weiteren vorteilhaft, daß die Kontaktstellen und Leiterbahnen dreidimensionale Formen haben können. Dies ist der Formgebung durch das Gießen bzw. Spritzgießen zu verdanken. Es können in vorteilhafter Weise Aufrauhungen, Strukturierungen und Verkrallungen bei der Formgebung der Substrate mit abgeformt werden. Die Strukturen und Verkrallungen können in Größenordnungen von Mikrometern bis zu Millimetern mit abgeformt werden. Das Substrat kann in vorteilhafter Weise auch durch ein Extrusionsverfahren hergestellt werden, hierbei können Nuten für Leiterbahnen gleich im Extrusionswerkzeug vorgesehen werden. Das Substrat kann auch in einem dreidimensionalen Druckverfahren hergestellt werden und somit eine beliebige dreidimensionale Gestalt annehmen. Es können in vorteilhafter Weise gleich Kontaktstellen oder weiterführende Leiterbahnen aus dem Metall mit angeformt werden. Auf diese können Kabel geklebt, gelötet oder geschweißt werden oder auch Stecker aufgesteckt werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung aufgeführten weiteren Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Herstellungsverfahrens möglich.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 ein Heizelement,
- 2 ein weiteres Heizelement,
- 3 ein weiteres Heizelement,
- 4 ein weiteres Heizelement und
- 5 ein weiteres Heizelement.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Heizelement 10 mit einem Heizkörper, der aus einem Substrat 1 aus elektrisch leitfähigem Kunststoff gebildet wird. Das Substrat 1 ist über elektrische Leiterbahnen 2 elektrisch kontaktierbar. Diese Leiterbahnen werden erzeugt, indem sie vorzugsweise im Metalldruckguss auf das Substrat gespritzt werden. Gezeigt ist ferner schematisch eine an die im vorliegenden Fall vorhandenen zwei Leiterbahnen angeschlossene elektrische Stromquelle 6, welche den Heizstrom liefert, um das Heizelement bestimmungsgemäß als wärmelieferndes Bauteil verwenden zu können. Die Leiterbahnen überragen auf einer Seite des Substrats das Substrat, so daß der Anschluß der elektrischen Stromquelle an den betreffenden das Substrat überragenden Bereichen der Leiterbahnen erfolgen kann.
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2 zeigt ein Heizelement 50 mit zwei querstrukturierten Leiterbahnen 22. 2 a) stellt hierbei eine Draufsicht auf das Heizelement dar, und die 2 b) zeigt eine Querschnittsseitenansicht des Heizelements auf Höhe A - A, wie sie in 2 a) markiert ist. Das auch hier als Heizkörper dienende Substrat 1 aus elektrisch leitfähigem Kunststoff zeigt eine periodische Querstruktur 3 auf Höhe der Leiterbahnen, im vorliegenden Fall eine Rechteckstruktur mit entsprechend beabstandet angeordneten Vertiefungen, so daß die Leiterbahnen entlang ihrer Längserstreckungen periodisch in ihrer Schichtdicke variieren. Im vorliegenden Fall geht die Querstruktur nicht nur in die Tiefe des Substrats, wie in 2 b) gezeigt, sondern sie erstreckt sich auch in der in der 2 a) gezeigten Ebene quer zur Längserstreckung der Leiterbahnen, im vorliegenden Fall genau dort, wo auch das Substrat periodische Vertiefungen aufweist.
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3 zeigt ein Heizelement 100 mit zwei querstrukturierten Leiterbahnen 23. 3 a) stellt hierbei eine Draufsicht auf das Heizelement dar, die 3 b) zeigt eine Querschnittsseitenansicht des Heizelements auf Höhe A - A, wie sie in 3 a) markiert ist. 3 c) zeigt eine entsprechende Querschnittsseitenansicht des Heizelements in einer alternativen Ausführungsform. 3 b) und 3 c) illustrieren beispielhaft, dass die Querstrukturierung der Leiterbahnen beliebige Ausformungen haben kann. Dies schließt sowohl die Variation ihrer Geometrie als auch ihrer räumlichen Orientierung zur Hauptausrichtung der jeweiligen Leiterbahn ein. Im Unterschied zur Anordnung nach 2 sind die Leiterbahnen 23 gemäß den Ausführungsformen in 3 b) und 3 c) nur entlang ihrer Längserstreckung quer- bzw. tiefenstrukturiert, jedoch nicht querstrukturiert in der Oberflächenebene des Heizkörpers senkrecht zur Ebene A - A. Die abgeformten Kontaktierungsenden 4 der Leiterbahnen 23, welche also das Substrat einenends überragen, dienen als Steckkontakt zum Anschluß einer elektrischen Heizstromquelle.
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4 zeigt ein Heizelement 150, auch hier Teilfigur a) in Draufsicht und Teilfigur b) in Querschnittsseitenansicht auf der in Teilfigur a) markierten Höhe A - A. Das Heizelement 150 weist im Unterschied zu den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen zwei verborgene Leiterbahnen 2 auf, welche in Draufsicht nur im Bereich ihrer überstehenden Kontaktierungsenden ersichtlich sind. Die Querschnittsseitenansicht zeigt ihren Verlauf im Innern des Heizelements 150. Sie liegen zwischen einem oberen Substratteil 8 und einem unteren Substratteil 9.
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5 zeigt ein weiteres Heizelement 170 bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Heizelements. Teilfigur a) zeigt eine Draufsicht auf eine Halbschale 5 aus elektrisch leitfähigem Kunststoff, die Vertiefungen 55 aufweist. Diese Vertiefungen geben nachfolgend den Verlauf elektrischer Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des Heizelements bzw. eines Heizkörpers des Heizelements vor. Im vorliegenden Beispiel besteht der Heizkörper im vollendeten Zustand des Heizelements aus zwei solchen Halbschalen 5, die gemäß Teilfigur b), welche eine Querschnittsseitenansicht entlang der Fläche A - A darstellt, gefügt werden bzw. aufeinandergelegt und gegenseitig arretiert werden, so daß Kanäle bzw., wie im vorliegenden Fall dargestellt, querstrukturierte Kanäle gebildet werden, die in einem weiteren Schritt durch einen Metalldruckgussprozess mit einem metallischen Material zu Herstellung der elektrischen Leiterbahnen befüllt werden. Das Ergebnis des Herstellungsverfahrens ist in den c) und d) in den Teilfiguren a) und b) entsprechenden Ansichten abgebildet: Das Heizelement weist in das Innere des Heizkörpers hineinführende Leiterbahnen 2 auf, deren Lage außen durch deren überragenden Teile links erkennbar sind, welche, wie bereits ausgeführt, zum Anschluß an eine Heizstromquelle dienen.
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Es wird also ein neues Herstellungsverfahren bzw. Kontaktierungsverfahren für elektrisch leitfähige Substrate vorgeschlagen, um daraus Heizelemente herzustellen. Durch das Gießen bzw. Druckgießen von Metallen auf bzw. in die Substrate, insbesondere in mindestens einen Hohlraum bzw. innenliegenden Kanal des Substrats, in Form von Leiterbahnen bzw. Kontaktflächen kann die Kontaktierung zwischen dem erstarrten Metall und dem Substrat erreicht werden. Das Metall kann insbesondere durch Druckgießen auf das Substrat aufgebracht bzw. in dieses eingebracht werden. Die Substrate können aus elektrisch leitfähig gefüllten Thermoplasten (z.B. HD-PE, PP, PA, PPS, PEEK, PEI, PI, LCP, ...), Duroplasten (z.B. Phenolharzen, Epoxydharzen, ...) oder Elastomeren (Silikonen, Naturkautschuken, Fluorkautschuken, ...) gefertigt werden. Nach der Formgebung der Substrate werden diese in eine zweite oder eine erweiterte Form eingelegt, und es kann das Metall eingegossen werden. Beispielsweise kann das Substrat spritzgegossen werden und auf der gleichen Maschine kann mit einem Metalldruckgießaggregat auch das Metall verarbeitet werden. Dies ist das sogenannte IMKS-Verfahren, ein Integriertes Metall-Kunststoff-Spritzgussverfahren. Es werden bevorzugt niedrigschmelzende Legierungen beim Druckgießen von Kontaktierungen verarbeitet, um die Temperaturen unterhalb der Zersetzungstemperatur der Kunststoffe zu halten. Es ist von Vorteil, wenn die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials und des Kontaktierungsmaterials aufeinander abgestimmt sind. Durch die Wahl des Kunststoffs, der Füllstoffe und auch des Faseranteils kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrates auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der niedrigschmelzenden Metalle bzw. Lote angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012212798 A1 [0002]
- EP 0051378 A2 [0005]
