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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bedrucken einer Außenhaut eines Fahrzeugbauteils.
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Bauteile moderner Fahrzeuge sind häufig mit elektronischen Elementen versehen. Beispiele für solche elektronischen Bauelemente sind Kommunikationselemente, Sensoren oder Signalleuchten. Die Integration solcher elektronischer Elemente in Fahrzeugbauteile ist aufwendig. Aus diesem Grund werden die elektronischen Elemente in der Regel als separate Bauteile ausgeführt. Hier eröffnet der Digitaldruck neue Möglichkeiten. Beim Digitaldruck wird das Druckbild direkt von einem Computer in die Druckmaschine übertragen und direkt auf die zu bedruckende Oberfläche aufgebracht. Werden anstelle von Druckfarben elektronische Funktionsmaterialien verwendet, lassen sich so elektronische Bauelemente, Baugruppen und Anwendungen drucken. Ein solcher Druck erfolgte bisher nur auf flachen, zweidimensionalen Oberflächen, also direkt auf eine flache Blechplatine oder auf Folien, die in einem weiteren Verfahrensschritt auf das Bauteil übertragen werden.
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Beispielsweise offenbart
EP 2 385 910 B1 ein Verfahren zur Integration eines elektrischen Elements in eine Dachstruktur. Dabei wird ein flaches, ungeformtes Substrat mit elektrisch leitfähigem Material bedruckt. Anschließend wird aus dem Substrat durch Umformen ein dreidimensionales Formteil hergestellt. Nachteilig ist hierbei, dass die gedruckte Anordnung der Leiterbahnen nicht der finalen, nach der Umformung erhaltenen Anordnung der Leiterbahnen entspricht. Durch die Umformung kommt es zu Verformungen des Substrats und somit auch der gedruckten Struktur. Diese Verformungen müssen beim Design der zu druckenden Struktur antizipiert und berücksichtigt werden. Ferner kann es beim Umformen des Substrats zu Beschädigungen der aufgedruckten Struktur kommen, so dass das hergestellte Fahrzeugbauteil verworfen werden muss.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem sich elektronische Bauelemente schnell, einfach und mit niedriger Fehlerquote auf einem Fahrzeugbauteil anbringen lassen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bedrucken einer Außenhaut eines Fahrzeugbauteils, wobei in einem Bereitstellungsschritt das Fahrzeugbauteil als dreidimensionales Formteil zur Verfügung gestellt wird und in einem auf den Bereitstellungsschritt folgenden Druckschritt mindestens ein elektrisches Funktionsmaterial auf mindestens eine Teilfläche einer Außenhaut des Fahrzeugbauteils gedruckt wird.
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Das elektrische Funktionsmaterial wird direkt auf die bereits geformte, dreidimensionale Oberfläche des Fahrzeugbauteils gedruckt. Bevorzugt wird das Fahrzeugbauteil als dreidimensionales Formteil vor dem Druckschritt aus einem Halbzeug, beispielsweise einer Blechplatine, geformt. Da das Fahrzeugbauteil vor dem Druckschritt bereits als Formteil bereitgestellt wird, wird eine Beschädigung der gedruckten Struktur durch Umformung des zugrundeliegenden Fahrzeugbauteils vermieden. Auch entspricht die gedruckte Struktur sowie ihre Anordnung auf der Oberfläche des Fahrzeugbauteils ihrer finalen Struktur bzw. ihrer finalen Anordnung. Etwaige Verschiebungen oder Verzerrungen durch einen Umformschritt müssen nicht antizipiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit das schnelle, einfache und fehlerarme Anbringen von elektrischen Bauelementen auf einem Fahrzeugbauteil.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst die Außenhaut eine bei Einbau des Fahrzeugbauteils in ein Fahrzeug nach außen gewandte, d.h. dem Innenraum des Fahrzeugs abgewandte, Seite des Fahrzeugbauteils. Insbesondere umfasst die Außenhaut den bei Einbau im Fahrzeug auf das Fahrzeugbauteil entfallenden Teil der äußeren Verkleidung des Fahrzeugs.
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Das mindestens eine elektronische Funktionsmaterial liegt bevorzugt in flüssiger oder pastöser Form vor. Bevorzugt weist das mindestens eine elektrische Funktionsmaterial eine organische oder anorganische Lösung, Dispersion oder Suspension auf. Bevorzugt weist das mindestens eine elektrische Funktionsmaterial ein konjugiertes, bevorzugt leitendes, halbleitendes elektrolumineszentes und/oder photovoltaisches Polymer, beispielsweise mit Polystyrensulfonat dotiertes Poly-3,4-ethylendioxythiopen (PEDOT:PSS), Polyanilin und/oder Polythiophene wie Poly(3-Hexylthiophen) oder Poly-9,9-diotylfluorocobitiophen, auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird im Druckschritt ein Applikator über die mindestens eine Teilfläche der Außenhaut bewegt und das mindestens eine elektrische Funktionsmaterial mittels des Applikators auf die Außenhaut aufgebracht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Applikator mittels eines Manipulators über die mindestens eine Teilfläche der Außenhaut bewegt, insbesondere wird der Applikator mittels eines Manipulators entlang der mindestens einen Teilfläche der Außenhaut verfahren. Der Manipulator ermöglicht das Verfahren des Applikators über die mindestens eine Teilfläche der Außenhaut. Dabei erfolgt das Verfahren des Applikators mittels des Manipulators in allen drei Raumrichtungen inklusive Rotation und Ausrichtung zur Bauteil Normalen, entsprechend der dreidimensionalen Form des Fahrzeugbauteils. Das Drucken erfolgt bevorzugt im Direct-To-Shape Druck. Eine Folie oder ein ähnliches Trägermaterial wird nicht benötigt.
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Bevorzugt weist der Manipulator mindestens einen Roboter auf. Bevorzugt weist der Applikator einen Druckkopf auf. Der Druckkopf weist bevorzugt eine Vielzahl an Reihen von Druckdüsen auf, die sich im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Druckkopfes erstrecken. Dabei bezeichnet die Bewegungsrichtung des Druckkopfes die Projektion der Bewegung des Druckkopfes auf die Außenhaut des Fahrzeugbauteils.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Außenhaut in einem Beschichtungsschritt beschichtet. Bevorzugt wird der Beschichtungsschritt vor dem Bereitstellungsschritt ausgeführt. Somit wird ein Drucken des mindestens einen elektrischen Funktionsmaterials auf die Beschichtung ermöglicht. Abschirmungs- oder Verdeckungseffekte durch die Beschichtung werden so vermieden. Alternativ wird der Beschichtungsschritt nach dem Druckschritt ausgeführt. Dies ermöglicht ein Drucken des mindestens einen elektrischen Funktionsmaterials unter die Beschichtung, die diese beispielsweise schützt. Im Beschichtungsschritt wird beispielsweise eine Lackierung auf die Außenhaut des Fahrzeugbauteils aufgebracht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird im Druckschritt mindestens ein Teil eines elektronischen Bauelements auf die mindestens eine Teilfläche der Außenhaut gedruckt. Die Größe der Teilfläche entspricht bevorzugt der zu druckenden Struktur. In einer alternativen Ausführungsform wird im Druckschritt ein komplettes elektronisches Bauelement auf die mindestens eine Teilfläche der Außenhaut gedruckt. Dies ist vor allem für Anwendungen relevant, die sich über das gesamte Fahrzeugbauteil erstrecken, beispielsweise Leitungsnetze, Abschirmnetze oder Strukturen zum Auslösen eines Wechsels der Farbe der Außenhaut.
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Beispielsweise umfasst das elektronische Bauelement einen Sensor, ein Bauelement zur Emission von Licht, ein Bauelement zur Energiegewinnung und/oder ein Bauelement zum Wechseln einer Farbe der Außenhaut. Das elektronische Bauelement weist bevorzugt ein Speicherelement, ein Anzeigensystem, eine Antenne und/oder eine Batterie auf. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das elektronische Bauelement eine Positionsleuchte oder einen Annäherungssensor für einen Parkassistenten eines Fahrzeugs.
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Bevorzugt wird das elektronische Bauelement mittels gedruckter Leiterbahnen und/oder konventioneller Anschlüsse kontaktiert.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Bedrucken einer Außenhaut eines Fahrzeugbauteils, insbesondere zum Bedrucken gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 13, wobei die Vorrichtung eine Formstation zum Formen eines als dreidimensionales Formteil ausgebildeten Fahrzeugbauteils (1) ausgehend von einem Halbzeug, insbesondere einer Blechplatine, und eine ihr nachgelagerte Druckstation aufweist, wobei die Druckstation einen Applikator zum Applizieren von elektrischem Funktionsmaterial auf mindestens eine Teilfläche einer Außenhaut (2) des Fahrzeugbauteils (1) aufweist und wobei die Druckstation einen Manipulator zum Verfahren des Applikators entlang mindestens einer Teilfläche der Außenhaut (2) des Fahrzeugbauteils (1) aufweist. Die Anordnung einer der Formstation nachgelagerten Druckstation ermöglicht das Bedrucken eines bereits geformten Fahrzeugbauteils. Das Drucken auf die geformte, dreidimensionale Oberfläche des Fahrzeugbauteils wird durch den dreidimensional verfahrbaren Manipulator ermöglicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht das schnelle, einfache und fehlerarme Aufbringen von elektronischen Bauelementen auf ein Fahrzeugbauteil.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zum Bedrucken einer Außenhaut eines Fahrzeugbauteils eine Beschichtungsstation auf. Bevorzugt ist diese der Druckstation nachgelagert, so dass eine Beschichtung, insbesondere ein Lack, auf die bedruckte Außenhaut des Fahrzeugbauteils aufgebracht werden kann. In einer alternativen Ausführungsform ist die Beschichtungsstation der Druckstation vorgelagert, so dass das beschichtete, insbesondere lackierte, Fahrzeugbauteil bedruckt werden kann. Die Beschichtungsstation ermöglicht das dem Druck vor- oder nachgelagerte Beschichten, insbesondere Lackieren, eines Fahrzeugbauteils.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch eine Vorrichtung zum Bedrucken einer Außenhaut eines Fahrzeugbauteils gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 illustriert schematisch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bedrucken einer Außenhaut eines Fahrzeugbauteils gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 illustriert schematisch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bedrucken einer Außenhaut eines Fahrzeugbauteils gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 7 zum Bedrucken einer Außenhaut 2 eines Fahrzeugbauteils 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist eine Formstation 8 zum Formen eines als dreidimensionales Formteil ausgebildeten Fahrzeugbauteils 1 ausgehend von einem Halbzeug, insbesondere einer Blechplatine, auf. In der Formstation 8 wird das flache, zweidimensionale Halbzeug, insbesondere die Blechplatine, umgeformt. Dies kann beispielsweise durch Warm- oder Kaltformen geschehen. Das Halbzeug, insbesondere die Blechplatine, wird so in ein gekrümmtes, dreidimensionales Formteil überführt. Die Formstation 8 stellt somit im Bereitstellungsschritt ein Fahrzeugbauteil 1 als dreidimensionales Formteil bereit.
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Der Formstation 8 nachgelagert ist eine Druckstation 9, in der der auf den Bereitstellungsschritt folgende Druckschritt durchgeführt wird. Die Druckstation 9 weist einen Applikator 3, beispielsweise einen Druckkopf, und einen Manipulator 4 auf, siehe auch 2. Der Applikator 3 wird mittels des Manipulators 4, beispielsweise mittels eines Roboters oder eines Roboterarms, entlang einer Oberfläche des Formteils, d.h. hier entlang der Außenhaut 2 des Fahrzeugbauteils 1, verfahren. Die Bewegung des Manipulators 4 erfolgt dabei aufgrund der Krümmung der Oberfläche des Formteils in allen drei Raumrichtungen, ist somit eine dreidimensionale Bewegung. Hierbei wird mittels des Applikators 3 elektrisches Funktionsmaterial 5 auf die Oberfläche des Formteils gedruckt. Bevorzugt weist die Druckstation 10 weiterhin einen Sensor auf, der den Abstand des Applikators 3 zur Oberfläche des Formteils, beispielsweise der Außenhaut 2 eines Fahrzeugbauteils 1, bestimmt. So kann sichergestellt werden, dass der Applikator 3 in konstantem Abstand zur Oberfläche des Formteils, z.B. der Außenhaut 2 eines Fahrzeugbauteils 1, geführt wird. Hierdurch wird die notwendige Druckqualität sichergestellt und eine Beschädigung des Applikators 3 und/oder des Formteils, beispielsweise des Fahrzeugbauteils 1, verhindert. Der Sensor ist bevorzugt im Applikator 3 angeordnet oder wird mittels des Manipulators 4 wie dieser geführt. Zusätzlich kann über einen Sensor zur Lageerfassung die Position und Ausrichtung des Bauteils bestimmt werden.
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Die Vorrichtung 7 zum Bedrucken einer Außenhaut 2 eines Fahrzeugbauteils 1 weist weiterhin eine Beschichtungsstation 10 auf. Diese ist im dargestellten Beispiel der Druckstation 9 nachgelagert. In der Beschichtungsstation 10 wird das Formteil nach dem Bedrucken, d.h. nach dem Aufbringen des elektrischen Funktionsmaterials 5, beschichtet. Beispielsweise wird das Formteil in der Beschichtungsstation 10 lackiert. Das elektrische Funktionsmaterial 5 wird somit durch die Beschichtung, insbesondere den Lack, geschützt. Alternativ kann die Beschichtungsstation 10 der Formstation 8 vorgelagert sein. Dies ermöglicht das Drucken von elektrischem Funktionsmaterial 5 auf die Beschichtung, insbesondere den Lack, des Formteils.
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Die Vorrichtung 7 ermöglicht das Aufbringen, insbesondere Drucken, elektrischen Funktionsmaterials 5 auf das bereits umgeformte, d.h. dreidimensionale Formteil. Sie ermöglicht somit einen Direct-To-Shape Druck elektrischer Funktionsmaterialien 5 auf als dreidimensionale Formteile zur Verfügung gestellte Fahrzeugbauteile 1. Mit dem vorliegenden Verfahren wird eine Beschädigung der gedruckten Struktur, insbesondere eines elektrischen Bauelements, durch eine auf den Druck folgende Umformung verhindert. Ferner wird die Produktion eines mit einem elektrischen Bauelements versehenen Formteils vereinfacht und beschleunigt, da beim Design der Form und Struktur des Drucks keine Verformungen des zugrundeliegenden Halbzeugs oder der zugrundeliegenden Blechplatine antizipiert werden müssen.
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2 zeigt schematisch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bedrucken einer Außenhaut 2 eines Fahrzeugbauteils 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Bereitstellungsschritt wird ein Fahrzeugbauteil 1, hier eine Motorhaube, als dreidimensionales Formteil zur Verfügung gestellt. In einem auf den Bereitstellungsschritt folgenden Druckschritt wird mindestens ein elektrisches Funktionsmaterial 5 auf mindestens eine Teilfläche einer Außenhaut 2 des Fahrzeugbauteils 1 gedruckt. Dazu wird im Druckschritt ein Applikator 3 mittels eines Manipulators 4 über die mindestens eine Teilfläche der Außenhaut 2 bewegt. Die Bewegung erfolgt dreidimensional und folgt der Form der Außenhaut 2. Der Applikator 3 bringt dabei mindestens ein elektrisches Funktionsmaterial 5 auf die Außenhaut 2 auf. Der Applikator 3 ist beispielsweise wie hier gezeigt als Druckkopf ausgeführt. Der Manipulator 4 weist einen Roboter oder einen Roboterarm auf, der eine dreidimensionale Bewegung entlang gekrümmter Flächen erlaubt. Im Druckschritt wird ein Teil eines elektronischen Bauelements auf die mindestens eine Teilfläche der Außenhaut gedruckt. Alternativ kann auch ein komplettes elektronisches Bauelement auf diese Weise auf die mindestens eine Teilfläche der Außenhaut 2 gedruckt werden. Dabei erfolgt das Aufbringen in Bewegungsrichtung 6 des Manipulators 4. Die Bewegungsrichtung 6 gibt die Projektion der Bewegung des Manipulators 4 auf die Außenhaut 2 des Fahrzeugbauteils 1 an. Beispiele für elektronische Bauelemente, die mit dem beschriebenen Verfahren teilweise oder vollständig auf die Außenhaut 2 gedruckt werden können, sind Sensoren, Bauelemente zur Emission von Licht (Dioden, OLEDs, ...), Bauelemente zur Energiegewinnung (Solarzellen, OPVCs, Batterien,...) oder Bauelemente zum Wechseln der Farbe der Außenhaut, sowie Schaltelemente (Transistoren, OFETs, Widerstände, ... ), Antennen (RFID, ...) und Anzeigensysteme. Das so teilweise oder vollständig gedruckte elektrische Bauelement wird mittels gedruckter und/oder konventioneller Leiterbahnen kontaktiert. Beispielsweise kann so ein elektrisches Bauelement umfassend eine Positionsleuchte oder einen Annäherungssensor für einen Parkassistenten eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt werden.
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3 zeigt schematisch einen Druckschritt und einen Applikator 3 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Druckschritt wird mindestens ein elektrisches Funktionsmaterial 5 auf eine Außenhaut 2 eines als dreidimensionalen Formteil bereitgestellten Fahrzeugbauteils 1 gedruckt. Das Drucken erfolgt mittels eines als Druckkopf ausgeführten Applikators 3. Bevorzugt weist der Druckkopf mehrere Reihen an Druckdüsen auf, die im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung 6 des Manipulators 4 angeordnet sind. Der Druckkopf wird entlang mindestens einer Teilfläche der Außenhaut 2 verfahren. Dabei wird elektrisches Funktionsmaterial so auf die Außenhaut 2 gedruckt, dass mindestens ein Teil eines elektronischen Bauteils entsteht. Beispielsweise können so Leiterbahnen gedruckt werden. Bevorzugt werden mehrere elektrische Funktionsmaterialien verwendet, die sich in mindestens einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft unterscheiden. Beispielsweise ist mindestens ein elektrisches Funktionsmaterial leitend, halbleitend, elektrolumineszent, photovoltaisch und/oder elektrisch isolierend. Das mindestens eine elektrische Funktionsmaterial weist beispielsweise mit Polystyrensulfonat dotiertes Poly-3,4-ethylendioxythiopen (PEDOTPSS), Polyanilin und/oder Polythiophene wie Poly(3-Hexylthiophen) oder Poly-9,9-diotylfluorocobitiophen, auf.
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Durch wiederholtes Abfahren desselben Teilbereichs können gleiche oder verschiedene Schichten elektrischen Funktionsmaterials 5 aufgebracht werden. So können beispielsweise Dünnschicht-Bauelemente auf die Außenhaut 2 gedruckt werden. Dabei ist die aufgebrachte Struktur formgleich mit der endgültigen Zielstruktur, da direkt auf das bereits geformte Fahrzeugbauteil 1 gedruckt wird. Auch werden Beschädigungen der gedruckten Struktur durch Umformungen vermieden. Es wird somit ein vereinfachtes, weniger fehleranfälliges und somit kostengünstiges Verfahren zur Applikation von elektronischen Bauelementen auf Fahrzeugbauteilen 1 zur Verfügung gestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugbauteil
- 2
- Außenhaut
- 3
- Applikator
- 4
- Manipulator
- 5
- Elektrisches Funktionsmaterial
- 6
- Bewegungsrichtung des Manipulators
- 7
- Vorrichtung zum Bedrucken einer Außenhaut eines Fahrzeugbauteils
- 8
- Formstation
- 9
- Druckstation
- 10
- Beschichtungsstation
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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