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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mindestens eine elektronische Komponente aufweisenden Kunststoff-Spritzgussbauteils,
- - wobei zunächst eine Strukturschicht des Kunststoff-Spritzgussbauteils mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt wird,
- - wobei danach die elektronische Komponente, vorzugsweise als folienartige Bandware, auf die Strukturschicht zweckmäßigerweise stoffschlüssig aufgebracht, z.B. aufkaschiert wird, und
- - wobei die elektronische Komponente mindestens ein Anschlusselement zur elektrischen Stromversorgung aufweist.
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Im Stand der Technik sind beispielsweise als kapazitive „Touch“-Folien ausgebildete elektronische Komponenten bekannt, die auf die Rückseite von Kunststoffbauteilen kaschiert werden. Die Touch-Folie wird hierbei regelmäßig mit einer zentralen Auswerteeinheit sowie einer Stromversorgung verbunden. Somit wird die Oberfläche des Kunststoffbauteils zu einem Touch-Bedienfeld, mit dem sich beispielsweise elektrische Verbraucher steuern lassen. Bis zu einer gewissen Länge des Bauteils (ca. 60 cm) wird nur eine zentrale Auswerteeinheit benötigt. Touchfolien lassen sich prinzipiell auch auf Endlosprofile kaschieren. Eine Funktionsfähigkeit über beliebige Längen kann hierbei jedoch nur dann gewährleistet werden, wenn in bestimmten Abständen Auswerteeinheiten platziert werden. Das setzt nach dem Stand der Technik voraus, dass sich alle elektronischen Auswerteeinheiten in bestimmten Abständen auf der Folie befinden.
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Gedruckte Elektronik ist eine neuartige Form elektronischer Komponenten (z.B. OLED-Leuchtelemente), die sehr dünn, leicht und flexibel ausgebildet sind. Dies ermöglicht neue Anwendungen, z.B. durch eine Integration in bisher dafür nicht zugängliche Verfahren. Diese neuartigen Komponenten werden bislang in der Regel mittels Batch-Prozessen verarbeitet.
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Neuere Ansätze sehen vor, OLEDs in Extrusionsprodukte zu integrieren (z.B. Kantenbänder, Flächenleuchter etc.). Die elektrifizierten Extrudate sollen je nach Bedarf in ihrer Länge zuschneidbar sein. Die OLEDs werden als Rollenware oder einzeln auf einem Träger aus Rollenware in den Extrusionsprozess eingefahren. Nach der Extrusion sind die OLEDs komplett mit dem entsprechenden Polymer umschlossen. Um die Funktionalität herstellen zu können, muss das umschließende Polymer geöffnet werden, damit die elektrischen Anschlusselemente der OLEDs zugänglich sind. Dies ist jedoch problematisch, da die Anschlusselemente nur eine sehr geringe Dicke aufweisen und daher bei einer mechanischen Bearbeitung zum gewünschten Abtrag des Polymers (z.B. Bohren, Fräsen oder Stanzen) leicht beschädigt werden können.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, welches eine vereinfachte elektrische Kontaktierung des Anschlusselementes ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mittels eines Aufschichtvorganges auf das Anschlusselement eine elektrisch leitfähige, pulverförmige oder fließfähige Substanz aufgebracht, insbesondere aufgedruckt oder aufgesintert wird, so dass die durch den Aufschichtvorgang entstehende mindestens eine elektrische Leiterbahn elektrische Anschlussstellen des Kunststoff-Spritzgussbauteils für die elektronische Komponente bildet. Die fließfähige Substanz kann flüssig oder aber auch pastös ausgebildet sein. Bei der Substanz kann es sich beispielsweise um eine elektrisch leitfähige Tinte handeln, die auf das Anschlusselement aufgedruckt wird. Als Druckverfahren kommen grundsätzlich beispielsweise Siebdruck, Tief- und auch Flexodruck infrage. Ebenso liegen aber auch digitale Aufschichtverfahren, wie z.B. digitale Druck-, Dispens- oder Sinterverfahren im Rahmen der Erfindung. Nach dem Aufschichtvorgang kann ein Trocknungsvorgang zur Trocknung der aufgebrachten Substanz, z.B. durch Zufuhr von Wärme oder anderer elektromagnetischer Strahlung zweckmäßig sein. Die elektrische Leiterbahn kann als Elektrode ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine wesentlich einfachere elektrische Kontaktierung des Anschlusselementes im Kunststoff-Spritzgussbauteil möglich ist, wenn der elektrische Anschluss durch die Auftragung der elektrischen Leiterbahn in seiner Dimension vergrößert und damit mechanisch belastbarer wird. Die elektrische Leiterbahn stellt erfindungsgemäß eine mechanische Schutzabdeckung des Anschlusselementes dar. Die elektrische Leiterbahn ist mechanisch vergleichsweise robust ausgebildet und stellt eine große Kontaktierungsfläche zur Verfügung. Außerdem erlaubt die elektrische Leiterbahn, insbesondere wenn sie kontinuierlich entlang der Strukturschicht aufgetragen wird, eine positionsunabhängige elektrische Kontaktierung des Kunststoff-Spritzgussbauteils. Die elektrische Leiterbahn kann die elektronische Komponente mit Strom und/oder Daten versorgen. Die elektrische Leiterbahn weist zweckmäßigerweise eine Schichtdicke von mindestens 200 nm, insbesondere mindestens 1 µm auf. Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, dass die elektrisch leitfähige Substanz elektrisch leitfähige Partikel mit einer durchschnittlichen Korngröße von höchstens 5 µm, vorzugsweise höchstens 100 nm enthält.
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Vorzugsweise wird die elektronische Komponente lichtemittierend, insbesondere als OLED oder LED, ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung liegen jedoch auch andere elektronische Komponenten, wie z.B. Displays, Sensoren, insbesondere touchsensitive Folien oder dergl. Zweckmäßigerweise weist die elektronische Komponente mindestens zwei Anschlusselemente auf und zur elektrischen Kontaktierung dieser Anschlusselemente werden mindestens zwei voneinander beabstandete elektrische Leiterbahnen vorgesehen. Insbesondere kann die elektronische Komponente auf die Rückseite der Strukturschicht aufgebracht werden.
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Im Rahmen der Erfindung liegt es, dass die Rückseite der Strukturschicht mit einem haftfähigen Material, vorzugsweise einem Klebstoff (z.B. Schmelzklebstoff), versehen wird. Das haftfähige Material kann auch ein Copolymer, vorzugsweise ein Propfcopolymer, besonders bevorzugt ein Maleinsäureanhydrid-gepfropftes Polypropylen enthalten bzw. daraus bestehen. Das haftfähige Material kann ferner Laserpigmente enthalten, um mittels Laserstrahlung aktivierbar zu sein. Zweckmäßigerweise wird das haftfähige Material durch Extrusion oder aber auch flüssig, z.B. mittels eines Dispensers, aufgetragen. Durch eine nachfolgende Aktivierung des haftfähigen Martials kann das Kunststoff-Spritzgussbauteil an anderen Gegenständen, z.B. Möbelplatten, Türen, Fenster oder dergleichen, befestigt werden.
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Zweckmäßigerweise wird das haftfähige Material beidseitig am Rand (ggf. lediglich randseitig) auf die Strukturschicht aufgetragen wird und rahmt hierdurch die mit der elektrischen Leiterbahn versehene elektronische Komponente ein. Vorzugsweise liegen mindestens eine freie Oberfläche des haftfähigen Materials und mindestens eine freie Oberfläche der elektrischen Leiterbahn zumindest im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene, insbesondere in einer gemeinsamen Ebene. Dies hat den Vorteil, dass die Kontaktoberfläche der elektrischen Leiterbahn mit der Haftoberfläche des Kunststoff-Spritzgussbauteils abschließt und somit eine besonders leichte elektrische Kontaktierung der Leiterbahn z.B. mit dem Gegenstand erlaubt, an dem das Kunststoff-Spritzgussbauteil mit dem haftfähigen Material befestigt wird. Insbesondere kann hierdurch eine Sonderbearbeitung der Fläche, an der das Kunststoff-Spritzgussbauteil befestigt wird, vermieden werden.
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Vorzugsweise wird die elektronische Komponente zunächst mit der Strukturschicht verbunden und danach das Anschlusselement der elektronischen Komponente mit der elektrischen Leiterbahn versehen. Dies hat den Vorteil, dass die Herstellung der Strukturschicht einerseits und Aufschichtvorgang andererseits voneinander entkoppelt sind und jeweils für sich verfahrenstechnisch optimiert werden können. Ferner ist es produktionstechnisch vorteilhaft, wenn während des Aufschichtvorgangs die Strukturschicht als stabilisierende Unterlage unter der zu beschichtenden elektronische Komponente dient. Die Verbindung zwischen Strukturschicht und elektronischer Komponente kann z.B. mittels Laminierung bzw. Kaschierung hergestellt werden.
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Das Anschlusselement weist zweckmäßigerweise eine Querschnittsdicke von höchstens 20µm, vorzugsweise höchstens 2 µm, auf. Ferner kann die Strukturschicht eine Querschnittsdicke von mindestens 200 µm, vorzugsweise mindestens 500 µm, aufweisen. Das Anschlusselement ist somit im Vergleich zur Strukturschicht sehr dünn ausgebildet. Die Querschnittsbreite B der Strukturschicht beträgt zweckmäßigerweise mehr als 0,5 cm, insbesondere mehr als 2 cm, z.B. 0,5 bis 10 cm bzw. 2 bis 10 cm.
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Zweckmäßigerweise ist die Strukturschicht als, vorzugsweise transparente oder transluzente, Kunststoffschicht ausgebildet. Die Durchsichtigkeit der Strukturschicht ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die elektronische Komponente lichtemittierend ausgebildet ist (z.B. LED, OLED) und rückseitig auf die Strukturschicht aufgebracht wurde. So kann z.B. die Kunststoffschicht PMMA und/oder PC und/oder PP und/oder PET und/oder TPU und/oder EVA enthalten bzw. aus PMMA und/oder PC und/oder PP und/oder PET und/oder TPU und/oder EVA bestehen. Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, dass in die Strukturschicht - zweckmäßigerweise während des Spritzgussvorgangs - eine vorzugsweise rückseitige Kavität eingebracht wird, die eine Aufnahmevertiefung für die elektronische Komponente bildet. Zweckmäßigerweise ist die Querschnittsform der Kavität an die Querschnittsform der elektronischen Komponente angepasst. Somit kann insbesondere ein bündiger Abschluss zwischen elektrischer Komponente und Oberfläche der Strukturschicht hergestellt werden. Dies kann beispielsweise den erfindungsgemäßen Aufschichtvorgang auf das Anschlusselement fertigungstechnisch vereinfachen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch
- 1a-d einen erfindungsgemäßen Herstellungsprozess für ein mehrere elektronische Komponenten aufweisendes Kunststoff-Spritzgussbauteils in Querschnittsdarstellung,
- 2a das in 1b im Schnitt B - B dargestellte Kunststoff-Spritzgussbauteil während des Herstellungsprozesses in einer Draufsicht,
- 2b das in 1c im Schnitt C - C dargestellte Kunststoff-Spritzgussbauteil während des Herstellungsprozesses in einer Draufsicht,
- 2c das in 1d im Schnitt D - D dargestellte Kunststoff-Spritzgussbauteil während des Herstellungsprozesses in einer Draufsicht und
- 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer der 1d entsprechenden Darstellung.
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Die 1a bis 1d zeigen sequenziell jeweils im Querschnitt ein Verfahren zur Herstellung eines mehrere hintereinander angeordnete elektronische Komponenten 1 aufweisenden Kunststoff-Spritzgussbauteils 2 (s. 2a - 2c). Hierbei wird zunächst mittels einer nicht dargestellten Spritzguss-Vorrichtung eine Strukturschicht 30 des Kunststoff-Spritzgussbauteils 2 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt (1a). Danach werden gemäß 1b die aneinandergereihten elektronischen Komponenten 1 auf die Strukturschicht 30 aufgebracht, z.B. durch Laminierung. Die hintereinander ausgerichteten elektronischen Komponenten 1 weisen jeweils zwei Anschlusselemente 3 in Form eines Plus- und eines Minuspols zur elektrischen Stromversorgung auf (s. 2a).
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Gemäß 1c wird mittels eines (nicht näher dargestellten) Aufschichtvorganges auf die Anschlusselemente 3 eine elektrisch leitfähige, pulverförmige oder fließfähige, insbesondere flüssige oder pastöse Substanz 70 aufgebracht - im Ausführungsbeispiel aufgedruckt oder aufgesintert -, so dass die durch den Aufschichtvorgang entstehenden beiden elektrische Leiterbahnen 50 (s. 2b) elektrische Anschlussstellen des Kunststoff-Spritzgussbauteils 2 für die elektronischen Komponenten 1 bilden. Bei der Substanz 70 kann es sich beispielsweise um eine elektrisch leitfähige Tinte handeln, die auf die Anschlusselemente 3 aufgedruckt wird. Als Druckverfahren können Siebdruck, Tief- und auch Flexodruck oder auch digitale Druckverfahren zum Einsatz kommen. Nach dem Aufschichtvorgang kann ein (nicht näher dargestellter) Trocknungsvorgang, z.B. durch Zufuhr von Wärme zweckmäßig sein, um die Substanz 70 zu trocknen. Die elektrischen Leiterbahnen 50 können als Elektroden ausgebildet sein und nun die elektronischen Komponenten 1 mit Strom und/oder Daten versorgen. Es ist ferner gemäß 2b,c erkennbar, dass die elektrischen Leiterbahnen 50 die hintereinander angeordneten elektronischen Komponenten 1 elektrisch miteinander verbinden. Die elektrischen Leiterbahnen 50 weisen im Ausführungsbeispiel eine Schichtdicke s von mindestens 200 nm auf, z.B. 500 nm bis 1 µm. Die Breite b der elektrischen Leiterbahnen beträgt mindestens 1 mm, z.B. 2 mm bis 5 mm. Die elektrisch leitfähige Substanz 70 enthält elektrisch leitfähige Partikel (nicht dargestellt) mit einer durchschnittlichen Korngröße von höchstens 5 µm, z.B. 100 nm bis 1 µm.
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Die elektronischen Komponenten 1 können lichtemittierend, insbesondere als OLED oder LED, ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung liegen jedoch auch andere elektronische Komponenten, wie z.B. Displays, Sensoren, insbesondere touchsensitive Folien oder dergl. Wie aus den 2a -c ersichtlich, weisen die elektronischen Komponenten jeweils zwei Anschlusselemente 3 auf (Plus- und Minuspol) und zur elektrischen Kontaktierung dieser Anschlusselemente 3 werden zwei voneinander beabstandete elektrische Leiterbahnen 50 vorgesehen. Es ist ferner erkennbar, dass die elektronischen Komponenten 1 auf die (in den 1a - d nach oben zeigenden) Rückseite der Strukturschicht 30 aufgebracht werden.
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Nach der Aufbringung der elektrischen Leiterbahnen 50 wird die Rückseite der Strukturschicht 30 zusätzlich mit einem haftfähigen Material 6, z.B. einem Schmelzklebstoff, versehen (1d). Das haftfähige Material 6 kann auch ein Copolymer, vorzugsweise ein Propfcopolymer, besonders bevorzugt ein Maleinsäureanhydrid-gepfropftes Polypropylen enthalten bzw. daraus bestehen. Das haftfähige Material 6 kann ferner Laserpigmente enthalten, um mittels Laserstrahlung aktivierbar zu sein. Das haftfähige Material 6 kann durch Extrusion oder aber auch flüssig, z.B. mittels eines Dispensers, auf die Strukturschicht 30 bzw. auf die elektronischen Komponenten 1 aufgetragen werden. Mittels einer nachfolgenden Aktivierung des haftfähigen Materials 6 kann das Kunststoff-Spritzgussbauteils 2 nun an seiner Rückseite an anderen Gegenständen, z.B. Möbelplatten, Türen, Fenster oder dergleichen, befestigt werden. Alternativ hierzu kann aber auch der Herstellungsprozess des Kunststoff-Spritzgussbauteils 2 im Zustand gemäß 1c beendet sein. Eine ggf. erforderliche Anbringung des Profils 2 an anderen Gegenständen kann dann z.B. durch einen nachträglichen Auftrag eines haftfähigen Materials, z.B. einem Klebstoff, oder auch auf andere Weise (nieten, schrauben etc.) erfolgen.
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Wie anhand einer vergleichenden Betrachtung der 1d und 2c erkennbar ist, wird im Ausführungsbeispiel das haftfähige Material 6 beidseitig am Rand auf die Strukturschicht 30 in Form von Bahnen 100 aufgetragen und rahmt hierdurch die mit den elektrischen Leiterbahnen 50 versehenen elektronischen Komponenten 1 ein. Außerdem wird in der Mitte zwischen den beiden elektrischen Leiterbahnen 50 eine weitere Bahn 100' aus haftfähigem Material 6 direkt auf die elektronischen Komponenten 1 aufgetragen. Die Bahnen 100, 100' weisen eine Breite bH von jeweils mindestens 10 % der Gesamtbreite B des Profils 2, z.B. 1 mm bis 6 mm auf. Anhand der 1d ist erkennbar, dass die freien Oberflächen der randseitigen Bahnen 100, die freie Oberfläche der mittleren Bahn 100' und die freien Oberflächen der elektrischen Leiterbahnen 50 in einer gemeinsamen Ebene E liegen. Dies hat den Vorteil, dass die Kontaktoberflächen der elektrischen Leiterbahnen 50 mit den Haftoberflächen des Kunststoff-Spritzgussbauteils 2 abschließen und somit eine besonders leichte elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen 50 z.B. mit dem Gegenstand erlauben, an dem das Kunststoff-Spritzgussbauteils 2 mit dem haftfähigen Material 6 befestigt wird.
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Wie anhand des in den 1a bis 1d dargestellten Ablaufs erkennbar ist, werden die elektronischen Komponenten 1 zunächst mit der Strukturschicht 30 verbunden, z.B. mittels eines Kaschier- bzw. Laminiervorganges, und danach die Anschlusselemente 3 der elektronischen Komponenten 1 mit den elektrischen Leiterbahnen 50 versehen. Die Anschlusselemente 3 weisem zweckmäßigerweise eine Querschnittsdicke d von höchstens 20 µm, vorzugsweise höchstens 2 µm, auf. Ferner weist die Strukturschicht 30 eine Querschnittsdicke D von mindestens 200 µm, vorzugsweise mindestens 500 µm, auf. Die Anschlusselemente 3 sind somit im Vergleich zur Strukturschicht 30 sehr dünn ausgebildet. Die Querschnittsbreite B der Strukturschicht 30 beträgt mehr als 0,5 cm, insbesondere mehr als 2 cm, z.B. 0,5 bis 10 cm bzw. 2 bis 10 cm.
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Die Strukturschicht 30 ist im Ausführungsbeispiel als transparente oder transluzente und somit durchsichtige Kunststoffschicht ausgebildet. Dadurch kann bei einer lichtemittierenden Ausbildung der elektronischen Komponenten 1 (z.B. LED, OLED) das Licht dieser Komponenten 1 durch die Strukturschicht 30 nach außen hindurchscheinen. So kann die Kunststoffschicht z.B. aus PMMA bestehen. Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, dass gemäß 3 in die Strukturschicht 30 - zweckmäßigerweise bereits im Wege des Spritzgussvorgangs - eine rückseitige Kavität 300 eingebracht wird, die eine Aufnahmevertiefung für die elektrischen Komponenten 1 bildet. Es ist erkennbar, dass die Querschnittsform der Kavität 300 an die Querschnittsform der elektronischen Komponenten 1 angepasst ist. Im Ausführungsbeispiel wird hierdurch an der Rückseite des Kunststoff-Spritzgussbauteils 2 ein bündiger Abschluss zwischen den elektrischen Komponenten 1 und der rückseitigen Oberfläche der Strukturschicht 30 hergestellt (dargestellt durch die gemeinsame Ebene E').
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kunststoff-Spritzgussbauteile 2 können vielfältig eingesetzt werden, z.B als Tür- oder Fensterbauteil, als Beleuchtungselement in Flugzeuganwendungen oder als Beschriftungsleiste für Supermarktregale. Die Einsatzgebiete des Kunststoff-Spritzgussbauteils 2 sind jedoch nicht auf die vorgenannten Anwendungen begrenzt.
