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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors und einen Sensor mit zumindest einer umspritzten Schaltungskomponente.
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Stand der Technik
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Sensoren werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Betriebs- und/oder Umgebungsbedingungen zu erfassen. Beispielsweise werden Drehzahlsensoren dazu eingesetzt, eine aktuelle Drehzahl in einem Fahrzeuggetriebe zu messen.
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Die
EP 2 211 396 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors und ein Sensor gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, einen Sensor mit einer zumindest bereichsweisen Umhüllung aus einem Kunststoffmaterial herzustellen, wobei der Sensor mit geringen Herstellungskosten hergestellt werden kann und/oder ein einfach handhabbares Kunststoffmaterial sowie ein konventionelles Werkzeug zur Herstellung verwendet werden kann.
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Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors vorgeschlagen, wobei zumindest eine Schaltungskomponente des Sensors in einem Formhohlraum eines Spritzgusswerkzeugs angeordnet wird und von einem BMC-Duroplastmaterial zumindest teilweise umspritzt wird.
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Weiterhin wird ein Sensor mit zumindest einer Schaltungskomponente vorgeschlagen, die zumindest teilweise durch ein BMC-Duroplastmaterial umspritzt ist.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Unter einem Sensor kann ein Bauteil verstanden werden, das zumindest ein Sensorelement und elektrische Leitungen und Anschlüsse des Sensorelements in sich vereint. Das Sensorelement, die Leitungen und Anschlüsse können als Schaltungskomponenten bezeichnet werden.
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Ein Duroplastmaterial kann ein Kunststoffmaterial sein, das beim Aushärten dauerhaft chemisch vernetzt. Das BMC-Duroplastmaterial kann als Bulk Molding Compound oder Teigmassen-Spritzwerkstoff bezeichnet werden. BMC-Duroplastmaterial ist ein Faser-Matrix-Halbzeug. Es besteht zumeist aus Kurz-Glasfasern und einem Polyester- oder Vinylesterharz, andere Füllstoffe bzw. Verstärkungsfasern oder Harzsysteme sind möglich. Insbesondere bei Verwendung von Langfasern wird das BMC-Duroplastmaterial teilweise auch als Sauerkrautmasse bezeichnet. Das zuvor ausgehärtete BMC-Duroplastmaterial kann insbesondere durch thermische Einflüsse innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs nicht plastifiziert werden. Das Vernetzen kann irreversibel sein. Das BMC-Duroplastmaterial kann vor dem Umspritzen eine pastöse Konsistenz aufweisen. Das BMC-Duroplastmaterial kann einen hohen Füllstoffgehalt aufweisen. Das BMC-Duroplastmaterial kann vor dem Umspritzen aufbereitet werden. Beim Umspritzen kann das aufbereitete BMC-Duroplastmaterial niedrigviskos sein und gute Fließeigenschaften aufweisen.
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Insbesondere kann das Sensorelement in das BMC-Duroplastmaterial eingebettet werden.
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Ein Spritzgusswerkzeug kann zumindest zweiteilig sein. Ein Formhohlraum des Spritzgusswerkzeugs kann eine Kavität zwischen zumindest zwei relativ zueinander beweglichen Teilen des Spritzgusswerkzeugs sein. Der Formhohlraum kann ein größeres Volumen aufweisen als die Schaltungskomponente. Ein verbleibendes Volumen des Formhohlraums kann durch das BMC-Duroplastmaterial im Wesentlichen vollständig ausgefüllt werden. Das BMC-Duroplastmaterial kann dabei eine Kontur des Formhohlraums abbilden und eine Verbindung zu der Schaltungskomponente aufbauen. Das BMC-Duroplastmaterial kann in dem Formhohlraum aushärten. Das Spritzgusswerkzeug kann das BMC-Duroplastmaterial zum Aushärten erwärmen.
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Vor dem Umspritzen kann an zumindest zwei Schaltungskomponenten zumindest ein Halter aus einem Thermoplastmaterial angespritzt werden. Ein Halter kann zumindest zwei Schaltungskomponenten mechanisch miteinander verbinden und relativ zueinander positionieren. Der Halter kann elektrisch isolierend sein. Der Halter kann in einem anderen Spritzgusswerkzeug an die Schaltungskomponenten angespritzt werden. Ein Thermoplastmaterial kann durch Erwärmen plastifiziert werden und kann durch Erkalten wieder aushärten. Der Prozess kann reversibel sein.
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Eine Ausgangsform des BMC-Duroplastmaterials kann vor dem Umspritzen auf eine Verarbeitungstemperatur zwischen 30°C und 50°C temperiert werden. Die Ausgangsform kann als Sauerkrautmasse bezeichnet werden. Das BMC-Duroplastmaterial kann einen Faseranteil, vorzugsweise aus Langfasern, aufweisen. Langfasern können eine Länge von mehreren Millimetern oder mehr aufweisen. Demgegenüber weisen Kurzfasern eine Länge unter einem Millimeter auf. Zwischen den Langfasern kann in dem BMC-Duroplastmaterial ein Kunstharzanteil verteilt sein. Der Faseranteil kann größer als der Kunstharzanteil sein. Die Mischung aus Fasern und Kunstharz kann aufgrund einer zumindest geleeartigen Konsistenz des Kunstharzanteilsvor dem Aufbereiten eine sauerkrautähnliche Konsistenz aufweisen. Anders ausgedrückt können die in der Mischung enthaltenen Langfasern ineinander verschlungen und/oder verwunden sein. Das Kunstharz benetzt die Fasern. Die benetzten Fasern haften aufgrund von Adhäsionskräften und/oder Kapillarkräften aneinander, können jedoch unter Druck oder Zug gegeneinander verschoben werden. Das BMC-Duroplastmaterial ist dadurch plastisch verformbar. Durch das Temperieren auf die Verarbeitungstemperatur kann der Kunstharzanteil des BMC-Duroplastmaterials zumindest teilweise verflüssigt werden. Durch den flüssigen Kunstharzanteil kann das BMC-Duroplastmaterial unter Verwendung eines geringeren Drucks verformt werden. Das temperierte BMC-Duroplastmaterial kann die pastöse Konsistenz aufweisen. Das BMC-Duroplastmaterial kann vor dem Umspritzen durchmischt werden.
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Das auf die Verarbeitungstemperatur temperierte BMC-Duroplastmaterial kann vor dem Umspritzen außerhalb des Formhohlraums dosiert werden. Das Aufbereiten des BMC-Duroplastmaterials kann in einer eigenen Vorrichtung erfolgen. Das aufbereitete BMC-Duroplastmaterial kann durch eine Dosiervorrichtung in das Spritzgussmaterial eingespritzt werden. Das Aufbereiten kann drucklos erfolgen. In der Dosiervorrichtung kann ein Forminnendruck zum Füllen des Formhohlraums erzeugt werden. Die Dosiervorrichtung kann das bestimmungsgemäße Volumen pro Schuss in das Spritzgusswerkzeug einspritzen.
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Das BMC-Duroplastmaterial kann im Formhohlraum auf eine Aushärtungstemperatur zwischen 130°C und 180°C erhitzt werden. Durch die Erwärmung kann das Vernetzen angestoßen werden. Die Erwärmung kann eine erforderliche Aktivierungsenergie zum Auslösen der chemischen Reaktion bereitstellen. Die Erwärmung kann die chemische Reaktion beziehungsweise das Aushärten beschleunigen.
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Das Spritzgusswerkzeug kann vor dem Umspritzen zumindest auf die Aushärtungstemperatur temperiert werden. Das Spritzgusswerkzeug kann vor dem Einlegen der Schaltungskomponente auf die Aushärtungstemperatur temperiert werden. Das Aushärten kann beginnen, wenn das BMC-Duroplastmaterial das Spritzgusswerkzeug berührt.
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Das BMC-Duroplastmaterial kann mit einem Forminnendruck zwischen 50 bar und 100 bar in den Formhohlraum dosiert werden. Der Forminnendruck kann im Vergleich zu einem Thermoplastmaterial sehr gering sein. Durch den niedrigen Forminnendruck kann die Schaltungskomponente beim Umspritzen nur geringfügig mechanisch belastet werden. Das BMC-Duroplastmaterial kann beim Umspritzen im Vergleich zu dem Thermoplastmaterial mit einer geringen Geschwindigkeit in den Formhohlraum und um die Schaltungskomponente fließen.
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Der Sensor kann nach dem Umspritzen für eine Härtezeit zwischen 30 Sekunden und 80 Sekunden in dem Formhohlraum verbleiben. In der Härtezeit kann die chemische Reaktion des Vernetzens im Wesentlichen abgeschlossen sein. Durch die Haltezeit kann der Sensor bereits im Wesentlichen ausgehärtet aus dem Formhohlraum entnommen beziehungsweise ausgeworfen werden.
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Sensorkomponenten einer Mehrzahl von Sensoren können in einer Mehrzahl von Formhohlräumen angeordnet werden und in einem Schuss von dem BMC-Duroplastmaterial zumindest teilweise umspritzt werden. Die Sensoren können im Nutzen gefertigt werden. Durch die vergleichsweise lange Taktzeit kann durch parallele Fertigung mehrerer Sensoren im gleichen Werkzeug ein hoher Ausstoß pro Zeiteinheit erreicht werden. Das BMC-Duroplastmaterial für alle Formholräume des gleichen Spritzgusswerkzeugs kann von derselben Dosiervorrichtung zeitgleich dosiert werden und durch Kanäle zu den Formhohlräumen geleitet werden.
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Der Sensor kann ein Drehzahlsensor für ein Getriebemodul sein. Der Sensor kann im Inneren des Getriebemoduls verwendet werden. Der Sensor kann insbesondere in Magnetfeldsensor beziehungsweise ein Hallsensor sein. Das BMC-Duroplastmaterial kann transparent für magnetische Felder sein.
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Das BMC-Duroplastmaterial kann beständig gegen Getriebeöl sein. Das Getriebeöl kann insbesondere ATF sein. Das BMC-Duroplastmaterial kann unempfindlich gegenüber dem Getriebeöl sein. Aufgrund der Unempfindlichkeit kann der Sensor unmittelbar dem Getriebeöl ausgesetzt angeordnet werden. Dadurch kann der Sensor im Inneren eines Getriebes verwendet werden.
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Das BMC-Duroplastmaterial kann einen Füllstoffanteil zwischen 60 Prozent und 90 Prozent aufweisen. Durch Füllstoff können mechanische Eigenschaften des BMC-Duroplastmaterials eingestellt werden. Der Füllstoff kann beispielsweise ein Fasermaterial sein. Das Fasermaterial kann eine Zugfestigkeit des BMC-Duroplastmaterials verbessern. Der Füllstoff kann beispielsweise ein Pulvermaterial sein. Das Pulvermaterial kann eine Druckfestigkeit des BMC-Duroplastmaterials verbessern. Das Pulvermaterial kann auch eine Abriebfestigkeit des BMC-Duroplastmaterials verbessern. Das BMC-Duroplastmaterial kann mit mehreren Füllstoffen gefüllt sein.
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Das BMC-Duroplastmaterial kann eine Schwindung zwischen null Prozent und 0,1 Prozent aufweisen. Aufgrund von Zusatzstoffen kann ein Volumenverlust beim Vernetzen gering sein beziehungsweise verhindert werden. Durch eine geringe Schwindung kann das BMC-Duroplastmaterial den Formhohlraum maßgetreu abbilden. Der Formhohlraum kann so ohne Schwindmaßzugabe ausgeführt sein. Durch die geringe Schwindung wird die Schaltungskomponente beim Aushärten des BMC-Duroplastmaterials keinen oder nur geringen mechanischen Belastungen ausgesetzt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale des Sensors und des Verfahrens in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
- 1 zeigt eine Darstellung einer Schaltungskomponente eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 zeigt eine Darstellung eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Spritzgusswerkzeugs mit Peripherie zum Herstellen eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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In aktuellen Serienfahrzeugen werden Drehzahlsensoren in einem Getriebemodul verbaut, um beispielweise dem Fahrer die Informationen für eine energiesparende Fahrweise zu übermitteln. Dabei kommen die Sensoren direkt mit dem Getriebeöl ATF (Automatic Transmission Fluid) in Kontakt und müssen darum sehr medienbeständig sein.
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Die Drehzahlsensoren können in einem diskontinuierlichen Transfermolding Prozess über eine Tablettenzuführung mit einer Epoxidharzmasse umspritzt werden. Der Einspritzkolben der Transfermolding Presse weist nur ein geringes Dosiervolumen auf, sodass nur wenige Bauteile in einem Schuss gefertigt werden können.
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Die Epoxidharzmasse muss bis zur Verarbeitung dauerhaft gekühlt werden. Eine Unterbrechung der Kühlkette bedeutet ein Aushärten und damit eine nicht verwendbare Epoxidharzmasse. Die Epoxidharzmasse ist zusätzlich sehr kostenaufwendig.
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In der
EP 2 211 396 B1 wird die Fertigung des Sensors mit einer vorherigen Fertigung von Thermoplasthaltern und einer Umsetzung in ein Transfer Molding Werkzeug genau beschrieben. Der hierin beschriebene Sensor kann unter anderem im Rahmen der in der
EP 2 211 396 B1 beschriebenen Verwendung eingesetzt werden. Mögliche Einzelheiten betreffend den Sensor bzw. mögliche Ausgestaltungen von Herstellungsschritten können analog wie in der
EP 2 211 396 B1 ausgeführt sein, deren Inhalt vollumfänglich hierin aufgenommen sein soll.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Darstellung von mehreren Schaltungskomponenten 100 eines Sensors 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schaltungskomponenten 100 sind elektrisch leitende Stanzgitter 104 und zumindest ein Sensorelement 106 des Sensors 102. Das Sensorelement 106 ist an einer Stirnseite des Sensors 102 angeordnet.
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Die Stanzgitter 104 können als Schaltungsträger bezeichnet werden und dienen der elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 106. Die Stanzgitter 104 sind durch Halter 108 aus Thermoplastmaterial 110 miteinander mechanisch verbunden. Die Halter 108 sind elektrisch isolierend und fixieren die Stanzgitter 104 in ihren bestimmungsgemäßen Relativpositionen. Der Halter 108 im Bereich der Stirnseite fixiert auch das Sensorelement 106 an seiner bestimmungsgemäßen Position.
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Die Schaltungskomponenten 100 sind durch die zuvor angespritzten Halter 108 maschinell handhabbar, können also beispielsweise durch einen Roboter in einem Formhohlraum eines Spritzgusswerkzeugs angeordnet werden.
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2 zeigt eine Darstellung eines Sensors 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Sensor 102 entspricht im Wesentlichen dem Sensor in 1. Zusätzlich dazu sind die Schaltungskomponenten 100 hier teilweise mit einer Hülle 200 aus einem BMC-Duroplastmaterial 202 umspritzt. Dabei ist insbesondere das Sensorelement 106 im Bereich der Stirnseite vollständig von dem BMC-Duroplastmaterial 202 umhüllt. Die Hülle 200 weist eine ringförmig umlaufende radiale Rippe 204 auf
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Spritzgusswerkzeugs 300 mit Peripherie zum Herstellen eines Sensors 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Sensor 102 entspricht dabei im Wesentlichen dem Sensor in 2. Das Spritzgusswerkzeug 300 weist zwei relativ zueinander bewegliche Werkzeughälften 302 auf. In jeder Werkzeughälfte 302 ist ein Teil einer Kontur eines Formhohlraums 304 des Spritzgusswerkzeugs 300 ausgebildet.
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Das Spritzgusswerkzeug 300 ist geschlossen und die Werkzeughälften 302 sind zusammengefahren. In dem Formhohlraum 304 ist die zumindest eine Schaltungskomponente angeordnet. Die Kontur des Formhohlraums 304 gibt eine Form der Hülle des Sensors 102 vor.
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Ein BMC-Duroplastmaterial 202 wird in einer Aufbereitungsvorrichtung 306 aufbereitet und in eine Dosiervorrichtung 308 eingebracht. Die Dosiervorrichtung 308 ist mit einem Anguss 310 des Spritzgusswerkzeugs 300 verbunden. Die Aufbereitungsvorrichtung 306 und/oder die Dosiereinrichtung 308 erwärmen das BMC-Duroplastmaterial 202 auf eine Verarbeitungstemperatur zwischen 30°C und 50°C. Die Dosiereinrichtung 308 dosiert eine vorgegebene Menge des BMC-Duroplastmaterials 202 in den Formhohlraum 304. Die Menge entspricht im Wesentlichen einem Volumen des Angusses 310 und des Formhohlraums 304. Das BMC-Duroplastmaterial 202 füllt den Formhohlraum 304 aus und bildet die Kontur ab. Dabei wird die Schaltungskomponente zumindest dort umschlossen, wo sie in den Formhohlraum 304 ragt. Die Dosiervorrichtung 308 baut einen Forminnendruck von unter 100 bar auf. Dadurch wirken auf die Schaltungskomponente nur geringe Kräfte.
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In dem Spritzgusswerkzeug 300 wird das BMC-Duroplastmaterial 202 von der Verarbeitungstemperatur auf eine Aushärtungstemperatur zwischen 130°C und 180°C erwärmt. Dabei vernetzt das BMC-Duroplastmaterial 202 chemisch und härtet aus. Bis das BMC-Duroplastmaterial vernetzt ist und/oder zumindest im Wesentlichen ausgehärtet ist, bleibt das Spritzgusswerkzeug 300 für eine Härtezeit geschlossen. Die Härtezeit ist zwischen 30 Sekunden und 80 Sekunden lang.
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Nach der Härtezeit werden die Werkzeughälften 302 auseinandergefahren und der Sensor 102 von Auswerfern 312 des Spritzgusswerkzeugs 300 aus dem Formhohlraum 304 gedrückt.
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In einem Ausführungsbespiel ist die Aufbereitungsvorrichtung 306 ein Rotofeeder und die Dosiereinrichtung 308 ein Schneckenextruder. Das BMC-Duroplastmaterial 202 wird durch eine rotierende Schnecke in einem Zylinder an Heizelementen vorbeitransportiert und in eine Dosierkammer gefördert. Auf dem Weg in die Dosierkammer wird das BMC-Duroplastmaterial 202 auf die Verarbeitungstemperatur temperiert. Aus der Dosierkammer wird das BMC-Duroplastmaterial durch einen axialen Hub der Schnecke im Zylinder in den Anguss 310 dosiert.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Spritzgusswerkzeug 300 eine Mehrzahl von gleichartigen Formhohlräumen 304 auf, die über einen gemeinsamen Anguss 310 mit dem BMC-Duroplastmaterial 202 gefüllt werden, um mehrere Sensoren 102 gleichzeitig in einem Spritzgusswerkzeug 300 herzustellen.
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Mit anderen Worten werden ein mediendichter Drehzahlsensor für ein Getriebemodul und ein kontinuierliches Spritzgießverfahren in einem Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug vorgestellt.
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Unter Verwendung des hier vorgestellten Ansatzes kann ein gegenüber ATF-Getriebeöl mediendichter und kostengünstiger Drehzahlsensor für ein Getriebemodul in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess hergestellt werden. Eine Anzahl von Fehlerquellen beispielweise bei der Materialaufbereitung kann dabei geringgehalten werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt einen mediendichten Drehzahlsensor für ein Getriebemodul, der in einem kontinuierlichen Spritzgießprozess gefertigt werden kann. Da das Schussvolumen nicht begrenzt ist, kann eine Vielzahl von Sensoren in einem Zyklus hergestellt werden. Dadurch sinken die Kosten pro Bauteil. Zusätzlich sinken die Bauteilkosten durch die Verwendung eines speziell für die Lagerung im Getriebeöl entwickelten Bulk Molding Compounds (BMC), das deutlich günstiger ist als die bisher verwendete Epoxidharzmasse. Das BMC kann ohne Kühlung transportiert und gelagert werden. Im Spritzgießprozess wird die Masse beispielweise mit einem Roto-Feeder aufbereitet und mit einer Dosierschnecke ins Spritzgießwerkzeug eingefüllt. Dabei umfließt das niedrigviskose BMC mit einem geringen Forminnendruck die Schaltungsträger sowie den Thermoplasthalter und schließt diese mediendicht mit guter Haftung ein. Im aufgeheizten Spritzgießwerkzeug vernetzt das hochgefüllte BMC-Duroplastmaterial während der Härtezeit chemisch.
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Im ersten Schritt werden die Schaltungsträger mit den Thermoplasthaltern in ein Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug eingelegt, dass auf eine Temperatur zwischen 130°C bis 180°C temperiert ist. Parallel wird die spezielle BMC-Masse beispielweise in einem Roto-Feeder bei einer Temperatur zwischen 30°C bis 50°C aufbereitet und im Schneckenzylinder aufdosiert. Dafür ist die Zylinderbeziehungsweise Schneckengröße an das Schussvolumen beziehungsweise die Anzahl der Kavitäten angepasst. Der Kunststoff ist ein BMC das speziell für den Einsatz im Getriebeöl ATF entwickelt wurde.
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Das Werkzeug wird geschlossen und das niedrigviskose BMC mit einem Forminnendruck unter 100 bar um die Schaltungsträger sowie den Thermoplasthalter eingespritzt. Dabei schließt die hochgefüllte Masse die Komponenten mediendicht ein bildet eine gute Haftung zu den Oberflächen. Bei einer Härtezeit zwischen 30 Sekunden bis 80 Sekunden vernetzt das duroplastische Material chemisch.
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Das BMC bildet somit das Sensorgehäuse, das eine hohe Beständigkeit gegenüber Medien, insbesondere dem Getriebeöl ATF, auszeichnet.
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Das Material ist für den direkten Einsatz im Getriebeöl geeignet und kann aufgrund der hohen chemischen Beständigkeit auch für vergleichbare Anwendungen eingesetzt werden.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2211396 B1 [0003, 0031]
