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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum vakuumunterstützten thermischen Umformen von, insbesondere funktionalisierten, Textilien, einem Textil sowie einer Verwendung des Textils nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Dreidimensional geformte Sensorelemente aus Kunststoff- oder auf Folienbasis sind mittlerweile in vielen Geräten und Bedienelementen zu finden.
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Aus der
DE 10 2004 058 802 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements für einen Gasmessfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere dessen Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, wie das Abgas einer Brennkraftmaschine, bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum vakuumunterstützten thermischen Umformen von, insbesondere funktionalisierten, Textilien vorgestellt. Das Verfahren weist einen Schritt des Bereitstellens eines, insbesondere flächigen, Textils auf einer im wesentlichen gasundurchlässigen Folie an einer Öffnung einer Werkzeugkammer auf. Hierbei ist das Textil der Werkzeugkammer zugewandt. Die Folie, auf welcher das Textil angeordnet ist, überdeckt die Öffnung der Werkzeugkammer vollständig. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Erwärmen der Folie und des Textils. Da das Textil mit der Folie in thermischem Kontakt steht, werden beide Elemente, das Textil und die Folie, im Wesentlichen gleich stark und gleichmäßig erwärmt.
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In einem weiteren Schritt erfolgt ein Anpressen einer Negativform an das Textil auf einer der Folie abgewandten Seite des Textils. Die Negativform ist hierbei beweglich innerhalb der Werkzeugkammer angeordnet, so dass sie in Richtung des Textils bewegbar ist.
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In einem weiteren Schritt erfolgt ein Evakuieren eines von der Werkzeugkammer und der Folie umhüllten Kammervolumens über eine Evakuierungsöffnung. Hierdurch sinkt der Luftdruck bzw. Gasdruck innerhalb des Kammervolumens, wodurch sich das Textil und/oder die Folie wenigstens bereichsweise an die Negativform im Wesentlichen spaltfrei anlegen.
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Nach dem Schritt des Evakuierens, bei welchem das Textil und/oder die Folie umgeformt werden, kann in einem weiteren Verfahrensschritt die Negativform wieder von dem Textil bzw. der Folie gelöst werden. Dies kann optional vor oder während eines Belüftens der Werkzeugkammer erfolgen. Nach einer zuvor definierbaren Abkühlzeit kann die Folie und das Textil von der Öffnung der Werkzeugkammer genommen werden. In einem weiteren optionalen Schritt kann nun die Folie von dem umgeformten Textil getrennt werden.
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Unter einem Textil kann ein textiler Rohstoff, wie Naturfasern oder Chemiefasern verstanden werden. Weiterhin können darunter auch nichttextile Rohstoffe wie beispielsweise Leder, Federn, Schuppen und/oder Metalle verstanden werden, welche mit anderen textilen Rohstoffen vermischt oder wenigstens zusätzlich verwendet werden, so dass ein textiler Gesamtcharakter erhalten bleibt. Linienförmige Textilien können beispielsweise aus Garnen, Zwirnen und/oder Seilen gebildet sein, aus welchen flächenförmige Textilien wie beispielsweise Gewebe, Gewirke, Gestricke, Geflechte, Nähgewirke, Fließstoffe und/oder Filze hergestellt werden können. Zum Zwecke der Umformbarkeit des Textils besteht dieses im Sinne der Erfindung zumindest teilweise aus thermoplastischen Garnen bzw. Materialien, die bei einer materialabhängigen Temperatur erweichen, verformt werden können und bei Abkühlung wieder verfestigen. Durch die gezielte, lokale Einbringung solcher Materialien in die textile Fläche können auch nur Teilbereiche des Textils umformbar gestaltet werden, während der restliche Teil aus nicht thermoplastischen und damit nicht dauerhaft umformbaren Materialien bestehen kann. Somit kann durch den beschriebenen Prozess ein lokal verfestigtes bzw. konsolidiertes und sonst weiches bzw. biegeschlaffes Bauteil erzeugt werden. Auch durch den Einsatz von Textilien, die komplett aus thermoplastischen Materialien bestehen, wobei mindestens zwei unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten zum Einsatz kommen, lässt sich eine solche gezielte und lokal begrenzte Umformung und Verfestigung realisieren.
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Unter einem funktionalisierten Textil kann insbesondere verstanden werden, dass das Textil neben seiner typischen Anwendung für bestimmte, technische Funktionen ausgebildet ist. Hierzu können weitere Materialien, wie beispielsweise Metalle, Halbleiter oder dergleichen in das Textil eingearbeitet sein oder auf das Textil aufgebracht sein. Beispielsweise können elektrische Leiterbahnen als metallische Fäden und/oder metallisierten oder andersartig elektrisch leitfähig bzw. funktionell ausgerüsteten Garnen in das Textil eingearbeitet oder elektrisch leitfähige Pasten auf das Textil aufgedruckt sein. Zusätzlich zu solchen funktionellen Materialien, die als Leiterbahnen, Elektroden oder Sensorelementen (z.B. temperatur-/feuchtesensitive Garne) eingebracht werden können, kann unter einer Funktionalisierung des Textils auch das Einbringen konventioneller elektronischer Elemente und Bauteile (Sensorik, Aktorik etc.) verstanden werden. Unter einer gasundurchlässigen Folie, kann ein flächiges, flexibles Material verstanden werden, welches im Wesentlichen undurchdringbar für Flüssigkeiten und/oder Gase ist. Idealerweise besteht die Folie aus einem nichthaftenden Material (z.B. Silikon, Teflon etc.), das bei den gewählten Prozesstemperaturen keine dauerhafte adhäsive Verbindung mit dem Textil eingeht. Unter einer Werkzeugkammer kann eine Vorrichtung verstanden werden, die dazu eingerichtet ist, Materialien vakuumunterstützt thermisch umzuformen. Die Werkzeugkammer kann beispielsweise ein quaderförmiges oder zylinderförmiges Gehäuse aufweisen, welches an einer Seite eine Öffnung aufweist. Die Öffnung ist dazu eingerichtet, mit der Folie vollständig überdeckt zu werden. Hierbei kann beispielsweise die Folie auf einer ebenen Unterlage liegen, das Textil kann auf der Folie angeordnet oder drapiert sein und die Werkzeugkammer kann mitsamt ihrer Öffnung über dem Textil derart platziert werden, dass bei einem Absenken der Werkzeugkammer auf die Folie die Öffnung direkt auf der Folie aufliegt. Das Textil befindet sich sodann im Inneren der Werkzeugkammer, wobei das Textil keinen direkten Kontakt zu der Werkzeugkammer bzw. zu einem Rand der Öffnung hat oder haben muss. Unter einem Erwärmen der Folie und des Textils kann hierbei ein Erhitzen der Folie und des Textils auf eine zuvor bestimmbare oder bestimmte Temperatur verstanden werden. Die Temperatur, auf welcher die Folie und das Textil aufgeheizt werden, ist derart gewählt, dass beide Elemente im Wesentlichen dauerhaft umgeformt werden können. Unter einem Anpressen der Negativform an das Textil kann verstanden werden, dass die Negativform mit einem bestimmten, zuvor definierten Anpressdruck an das Textil angepresst wird. Der Anpressdruck ist hierbei so zu wählen, dass die Negativform wenigstens bereichsweise mit dem Textil bzw. der Folie in Kontakt tritt und diese über das Kammervolumen hinaus nach außen wölbt. Jedoch soll der Anpressdruck derart gewählt sein, dass das Textil und/oder die Folie hierbei durch Dehnung nicht beschädigt werden oder, dass ein Kontakt zwischen der Folie und dem Rand der Öffnung der Werkzeugkammer unterbrochen wird. Unter einem im Wesentlichen spaltfreien Anlegen des Textils und/oder der Folie an die Negativform kann verstanden werden, dass das Textil und/oder die Folie wenigstens bereichsweise in direktem mechanischen Kontakt mit der Negativform stehen und sich in diesem Bereich keine Gasblasen, Luftblasen oder sonstigen Materialien mehr befinden.
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Vorteile der Erfindung
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Durch dieses Verfahren können insbesondere funktionalisierte und luftdurchlässige Textilien in einfacher Weise im Wesentlichen zumindest teilweise dauerhaft umgeformt werden, wobei sowohl die Luftdurchlässigkeit als auch die Funktionalisierung bzw. die funktionellen Eigenschaften des Textils erhalten bleiben.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Textil wenigstens teilweise thermoplastische Fasern und/oder Garne aufweist. Denn diese Fasern und/oder Garne schmelzen während des Schritts des Erwärmens auf, verformen sich durch das Anpressen der Negativform und durch das Evakuieren des Kammervolumens und erstarren anschließend bei der Abkühlung wieder, wodurch sie und damit das Textil ihre geänderte Form beibehalten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Textil wenigstens ein elektrisches, elektronisches, optisches und/oder kapazitives Bauelement und/oder wenigstens eine elektrische Leiterbahn aufweist. Das Bauelement kann beispielsweise ein Sensorelement, ein Aktorelement und/oder ein Beleuchtungselement sein. Die elektrische Leiterbahn kann, wie zuvor beschrieben, beispielsweise als metallener Faden oder metallisches Geflecht in das Textil eingearbeitet sein. Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich die elektrische Leiterbahn als elektrisch leitfähige Paste auf das Textil aufgedruckt sein. Hierdurch lässt sich in einfacher Weise das Textil funktionalisieren, so dass es bei einer späteren Verwendung weitere technische Funktionalitäten umfasst.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Folie antiadhäsiv ist. Unter antiadhäsiv kann hierbei verstanden werden, dass die Folie im Wesentlichen nicht oder kaum an anderen Materialien, insbesondere bei oder nach einer Wärmeeinwirkung, haftet.
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Alternative oder zusätzlich kann die Folie wenigstens ein Material aus der Gruppe der Fluorpolymere, insbesondere Polytetrafluorethylen, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid, Polychlortrifluorethylen, Perfluoralkoxy-Polymere, Ethylen-Tetrafluorethylen, Perfluor(ethylen-propylen), oder ein Silikon aufweisen. Insbesondere kann die Folie als Silikonfolie und/oder Teflonfolie ausgestaltet sein. Hierdurch ist gewährleistet, dass sich das Textil nach dem Umformen leicht von der Folie lösen lässt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Folie in einem zu der Öffnung der Werkzeugkammer komplementären Rahmen eingespannt ist. Unter einem komplementären Rahmen kann hierbei ein Rahmen verstanden werden, der im Wesentlichen einer Form der Öffnung entspricht und welcher derart ausgeformt ist, dass der Rand der Öffnung der Werkzeugkammer bei einem in Kontakt bringen der Folie mit der Werkzeugkammer direkt auf der Folie aufliegt. Hierdurch wird die Folie gespannt, sodass das Textil in einfacher Weise auf der Folie angeordnet bzw. drapiert werden kann. Ferner wird hierdurch erreicht, dass die Folie in einfacher Weise mit der Öffnung der Werkzeugkammer zusammengebracht werden kann.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Werkzeugkammer an der Öffnung, insbesondere am Rand der Öffnung, eine umlaufende Dichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, während des Schritts des Evakuierens mit der Folie eine gasdichte Verbindung einzugehen. Hierdurch kann einerseits ein effizientes Evakuieren des Kammervolumens erreicht werden. Ferner wird durch die Dichtung die Folie vor einer mechanischen Beschädigung geschützt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schritt des Erwärmens der Folie und des Textils erfolgt, indem auf der dem Textil abgewandten Seite der Folie ein Heizelement angeordnet wird, das die Folie und das Textil auf eine zuvor bestimmbare Temperatur aufheizt. Hierdurch können die Folie und das Textil in einfacher Weise erwärmt werden.
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Das Heizelement kann hierbei beispielsweise als eine beheizbare Platte ausgebildet sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Negativform eine Heizfunktion umfasst und das Textil und die Folie schon während des Anpressens erwärmt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Folie und das Textil durch Konvektion, beispielsweise mittels eines Heißluftföhns und/oder durch Infrarotstrahlung, beispielsweise mittels einer Infrarotheizung, erwärmt werden.
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Ferner werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein, insbesondere funktionalisiertes, Textil vorgestellt, welches nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen hergestellt ist. Die zuvor genannten Vorteile gelten in entsprechender Weise.
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Des Weiteren wird eine Vorrichtung zum vakuumunterstützten thermischen Umformen von, insbesondere funktionalisierten, Textilien vorgestellt. Die Vorrichtung ist eingerichtet, die Verfahrensschritte gemäß den zuvor genannten Ausführungsformen auszuführen. Die zuvor genannten Vorteile gelten in entsprechender Weise.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Werkzeugkammer mit einer Öffnung aufweist, wobei die Werkzeugkammer eingerichtet ist, mit einer im Wesentlichen gasundurchlässigen Folie mit einem auf der Folie bereitgestellten Textil an der Öffnung vollständig überdeckt zu werden. Die Vorrichtung weist weiterhin ein Heizelement, insbesondere eine Heizplatte, auf, wobei das Heizelement eingerichtet ist, die Folie und das Textil auf eine zuvor bestimmbare Temperatur aufzuheizen. Die Vorrichtung weist ferner eine Negativform innerhalb der Werkzeugkammer zum Anpressen an das Textil auf einer der Folie abgewandten Seite des Textils auf. Ferner weist die Vorrichtung eine Evakuierungsöffnung zum Evakuieren eines von der Werkzeugkammer und der Folie umhüllten Kammervolumens auf, so dass sich das Textil und/oder die Folie wenigstens bereichsweise an die Negativform im Wesentlichen spaltfrei anlegen kann. Die Negativform kann innerhalb der Werkzeugkammer in Richtung der Öffnung beweglich gelagert sein. Das Heizelement kann außerhalb der Werkzeugkammer angeordnet sein und in Richtung der Öffnung der Werkzeugkammer beweglich gelagert sein.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Verwendung eines Textils gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsform als ein Sensorelement und/oder Beleuchtungselement. Das Sensorelement kann hierbei insbesondere als kapazitives oder piezoelektrisches oder magnetooptisches Sensorelement oder dergleichen ausgebildet sein. Das Sensorelement und/oder Beleuchtungselement kann in seiner Verwendung in, an oder auf einer Oberfläche integriert bzw. angeordnet sein. Unter einer Oberfläche können hierbei insbesondere funktionelle oder interaktive Flächen verstanden werden, die beispielsweise in einem Fahrzeuginnenraum, im Smart-Home, in Kleidungsstücken oder in Fußböden eingebracht bzw. angeordnet sein können. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Textil wenigstens als ein Teil einer Sensorhaut, vorzugsweise für eine Roboter-Sensorhaut, verwendet wird.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Schichten und eines Teils der Vorrichtung vor dem Umformverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel:
- 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum vakuumunterstützten thermischen Umformen von Textilien gemäß einem Ausführungsbeispiel; sowie
- 3 ein Ablaufdiagram eines Verfahrens zum vakuumunterstützten thermischen Umformen von Textilien gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Wie bereits vorstehend ausgeführt, wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum vakuumunterstützten thermischen Umformen von Textilien beschrieben, wobei die durch das Verfahren und/oder die Vorrichtung hergestellten Textilien besonders schonend umgeformt werden, wodurch ihre Funktionalisierungen bzw. Funktionalitäten im Wesentlichen erhalten bleiben.
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In 1 sind die an dem Verfahren beteiligten Schichten, sowie ein Teil der Vorrichtung 20 als Schichtenstapel schematisch dargestellt. Der Schichtenstapel weist eine beispielsweise als Silikon-Folie 10 ausgestaltete erste Schicht auf. Über der Silikon-Folie 10 wird ein funktionalisiertes Textil 1 angeordnet. Das Textil 1 wird derart über die Silikon-Folie 10 angeordnet, dass es im Wesentlichen mittig auf der Silikon-Folie 10 platziert ist und insbesondere nicht über einen Rand der Silikon-Folie 10 hinausragt. Vorzugsweise besteht zwischen einem Rand der Silikon-Folie 10 und einem Rand des funktionalisierten Textils 1 ein zuvor definierter Mindestabstand. Das funktionalisierte Textil 1 weist elektrische Leiterbahnen 2 auf, welche in das Textil 1 eingearbeitet und/oder aufgedruckt sind. Die elektrischen Leiterbahnen 2 können unter anderem dazu dienen, einen nicht dargestellten kapazitiven Sensor, der ebenfalls in das Textil 1 eingearbeitet ist, elektrisch zu kontaktieren. Als dritte Schicht ist über dem funktionalisierten Textil 1 eine Negativform 25 dargestellt, welche in einem nachfolgenden Umformverfahren gegen das funktionalisierte Textil 1 und die Silikon-Folie 10 gedrückt wird, um dem umzuformenden funktionalisierten Textil 1 seine spätere Form zu verleihen. Die Negativform 25 kann hierbei Teil einer als Werkzeugkammer 20 ausgebildeten Vorrichtung sein.
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In 2 ist eine schematische Darstellung einer als Werkzeugkammer 20 ausgebildeten Vorrichtung zum vakuumunterstützten thermischen Umformen des funktionalisierten Textils 1 gezeigt. Die Werkzeugkammer 20 kann hierbei beispielsweise aus Metall gefertigt sein und eine quadratische, rechteckige oder zylindrische Grundfläche 22 aufweisen. Gegenüber der Grundfläche 22 weist die Werkzeugkammer 2 eine Öffnung 23 auf. Ein die Öffnung 23 begrenzender Rand 24 der Werkzeugkammer 20 kann hierbei umlaufend eine Dichtung 30 aufweisen. An die Öffnung 23 wird nun die Silikon-Folie 10 mit den darauf angeordneten funktionalisierten Textil 1 angeordnet. Die Silikon-Folie 10 kann hierzu optional in einem Rahmen 11 eingespannt sein, der die Silikon-Folie 10 und das darauf befindliche funktionalisierte Textil 1 in Spannung bzw. in Form hält. Die Silikon-Folie 10 schließt zusammen mit der Dichtung 30 ein Kammervolumen 27 ein. Innerhalb des Kammervolumens 27 ist die Negativform 25 beweglich angeordnet. Das sich innerhalb des Kammervolumens 27 auf der Silikon-Folie 10 befindliche funktionalisierte Textil 1 wird nun zusammen mit der Silikon-Folie 10 auf eine Temperatur aufgeheizt, die eine Umformung beider Elemente erlaubt.
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Je nach eingesetztem thermoplastischem und für die Umformung geeigneten Material (z.B. ABS, PS, PE, PP etc.) liegen die benötigten Prozesstemperaturen üblicherweise in einem Bereich zwischen ca. 90°C und ca. 220°C. Abhängig von der genauen Zusammensetzung können aber auch Temperaturen darunter oder darüber für eine Verformung nötig sein.
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Das Aufheizen kann hierbei beispielsweise mit einer Heizplatte 40 erfolgen, welche unterhalb der Silikon-Folie 10 angeordnet ist. Die Heizplatte 40 kann hierbei in thermischem Kontakt mit der Silikon-Folie 10 stehen. Alternativ ist es denkbar, dass eine Infrarot-Strahlungsquelle und/oder ein Heißluft Föhn die Silikon-Folie 10 und das sich darauf befindliche funktionalisierte Textil 1 auf die entsprechende Temperatur aufheizt.
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In einem durch einen ersten nach unten zeigenden Pfeil 50 angedeuteten weiteren Verfahrensschritt wird die Negativform 25 mittels einer durch einen weiteren nach unten zeigenden Pfeil 26 visualisierten Bewegung gegen das funktionalisierte Textil 1 und die Silikon-Folie 10 gepresst.
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In einem weiteren, durch einen nach unten zeigenden Pfeil 51 angedeuteten Verfahrensschritt wird über die Evakuierungsöffnung 21 (angedeutet durch den nach oben zeigenden Pfeil 28) das Kammervolumen 27 evakuiert. Hierdurch schmiegt sich das funktionalisierte Textil 1 zusammen mit der Silikon-Folie 10, welche beide auf eine entsprechende Temperatur vorgeheizt wurden, an die Negativform 25 an.
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Nun kann in einem nicht dargestellten weiteren Verfahrensschritt die Negativform 25 wieder angehoben werden und/oder das Kammervolumen 27 kann belüftet werden, sodass das nunmehr abgekühlte bzw. erstarrte, umgeformte funktionalisierte Textil 1 entnommen werden kann. Da die Silikon-Folie 10 antiadhäsiv ausgebildet ist, lässt sich das funktionalisierte Textil 1 in einfacher Weise von der Silikon-Folie 10 lösen.
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In 3 ist ein Ablaufdiagram eines Verfahrens 100 zum vakuumunterstützten thermischen Umformen von, insbesondere funktionalisierten, Textilien dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 101 erfolgt ein Bereitstellen eines funktionalisierten Textils 1 auf einer Silikon-Folie 10. Die Silikon-Folie 10 wird samt dem funktionalisierten Textil 1 an einer Öffnung 23 einer Werkzeugkammer 20 derart angeordnet, dass die Silikon-Folie 10 die Öffnung 23 der Werkzeugkammer 20 vollständig überdeckt. In einem nächsten Verfahrensschritt 102 erfolgt ein Erwärmen der Silikon-Folie 10 und des funktionalisierten Textils 1. Das Erwärmen kann hierbei über eine Heizplatte 40 erfolgen, welche unterhalb der Silikon-Folie 10 angeordnet ist. In einem weiteren Verfahrensschritt 103 erfolgt ein Anpressen der Negativform 25 an das funktionalisierte Textil 1. In einem weiteren Schritt 104 erfolgt ein Evakuieren des von der Werkzeugkammer 20 und der Silikon-Folie 10 umhüllten Kammervolumens 27 über die Evakuierungsöffnung 21. Hierdurch legt sich das funktionalisierte Textil 1 und/oder die Silikon-Folie 10 wenigstens bereichsweise an die Negativform 25 an. Das Anliegen erfolgt hierbei im Wesentlichen spaltfrei, sodass das umzuformende funktionalisierte Textil 1 im Wesentlichen die Form der Negativform 25 annimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004058802 A1 [0003]
