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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kompositwerkstoff, ein Schirmelement zum Einsatz in einem Steckverbinder enthaltend den verfestigten Kompositwerkstoff, ein Verfahren zur Herstellung des Schirmelements, sowie einen Steckverbinder aufweisend einen derartigen Kompositwerkstoff. Der Kompositwerkstoff, das Schirmelement und der Steckverbinder zeichnen sich durch ein elektrisch leitfähiges Netzwerk aus Partikeln eines elektrisch leitfähigen Füllstoffs in einer polymeren Matrix aus.
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Stand der Technik
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Es ist eine beliebige Anzahl von Steckverbindern bekannt, in denen notwendigerweise zur Erreichung der gewünschten Signalintegrität und Übertragungseigenschaften eine Abschirmung für elektrische und/oder elektromagnetische Felder verbaut werden muss. Darüber hinaus kann eine Abschirmung notwendig sein, um Störungen anderer Anlagen zu vermeiden. So können beispielsweise mangelhaft abgeschirmte USB 3-Steckverbinder Funktastaturen und -mäuse stören.
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Die Abschirmung wird üblicherweise über den Einbau von Schirmelementen aus einem oder mehreren metallischen Blechen oder Geflechten realisiert. Entsprechende Schirmelemente weisen oftmals einen komplexen Aufbau auf, der im Herstellungsprozess der Steckverbinder zusätzlichen Montageaufwand darstellt. Dies schlägt sich in höheren Herstellungskosten nieder.
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So beschreibt beispielsweise die Patentschrift
DE10 2016 116937 A1 ein Schirmblech, welches in ein Gehäuse eines Steckverbinders aufnehmbar ist und den aufgenommenen Leiter vor äußeren, störenden Einflüssen schützt.
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Je nach Art und Geometrie des Steckverbinders kann es notwendig sein, Ausschnitte, auch Aperturen genannt, in die metallischen Bleche einzubringen, um beispielsweise Verastungen im Schirmelement zu realisieren. Dies ist in der vorstehend genannten Patentschrift zu erkennen und wirkt sich umso negativer auf die Abschirmeigenschaften des Schirmelementes aus, je höher die verwendeten Frequenzen der abzuschirmenden elektrischen Felder sind. Wenn sich die Größe der Aperturen der sich ergebenden Wellenlänge annähert, dann kann die Abschirmwirkung fast vollständig verlorengehen.
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Auch bei mit Kunststoff umspritzten Steckverbindern oder Leitungen muss oftmals eine Abschirmung sichergestellt werden. Dies wird üblicherweise realisiert, indem zunächst eine Abschirmung aus Metallblechen verbaut wird, welche anschließend wiederum mit Kunststoff umspritzt wird. Dies stellt einen hohen Aufwand bei der Herstellung dar, ohne dass die damit verbundenen Mehrkosten für den Endkunden ersichtlich sind.
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Es besteht daher Bedarf in der Bereitstellung neuer Schirmelemente für Steckverbinder, die eine zumindest vergleichbare oder verbesserte Abschirmwirkung gegenüber den Schirmelementen aus metallischen Blechen oder Geflechten aufweisen.
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Aufgabenstellung
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue Schirmelemente für Steckverbinder zur Verfügung zu stellen, die sich durch eine zumindest vergleichbare oder verbesserte Abschirmwirkung gegenüber den Schirmelementen aus metallischen Blechen oder Geflechten auszeichnen. Ferner sollen sich die erfindungsgemäßen Schirmelemente selbst einfach und kostengünstig herstellen lassen. Zusätzlich sollen die erfindungsgemäßen Schirmelemente einfach und ohne zusätzlichen Montageaufwand in Steckverbindern montiert werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Steckverbinder und Steckverbindermodule in ähnlicher Weise positiv vom Stand der Technik abheben.
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Beschreibung der Erfindung
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es möglich ist ein Schirmelement herzustellen, welches vollständig ohne die sonst üblichen metallischen Bleche oder Geflechte auskommt. Das erfindungsgemäße Schirmelement umfasst dazu einen verfestigten Kompositwerkstoff, welcher mindestens einen Kunststoff sowie Partikel mindestens eines elektrisch leitfähigen Füllstoffs umfasst. Der Kompositwerkstoff entsteht, indem einem Kunststoff vor oder im Zuge eines Durchmischungsprozesses Partikel mindestens eines elektrisch leitfähigen Füllstoffs beigefügt werden. Der Durchmischungsprozess wird oberhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffes durchgeführt und sorgt für eine Durchmischung der Partikel des elektrisch leitfähigen Füllstoffs innerhalb der polymeren Matrix des Kunststoffs. Die Partikel des elektrisch leitfähigen Füllstoffs verteilen sich statistisch in der polymeren Matrix und bilden Berührungspunkte aus. Ein elektrisch leitfähiges Netzwerk innerhalb der polymeren Matrix entsteht. Der Kompositwerkstoff kann im Anschluss einem Formgebungsverfahren unterzogen werden, bei dem der Kompositwerkstoff in die gewünschte Form gebracht wird und anschließend verfestigt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Schirmelement gemäß Anspruch 8 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Schirmelements gemäß Anspruch 9.
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Im Sinne der Erfindung haben die hier und in der nachfolgenden Beschreibung verwendeten Begriffe die folgende Bedeutung:
- - „Kunststoff“ beschreibt die polymere Matrix, in den die Partikel des elektrisch leitfähigen Füllstoffs im Zuge des Durchmischungsprozesses eingebettet werden. Die polymere Matrix kann ein Polymer oder ein Gemisch mehrerer Polymere umfassen;
- - Der Begriff „Kompositwerkstoff“ beschreibt eine nicht verfestigte (formbare oder fließfähige) Zusammensetzung enthaltend mindestens einen Kunststoff und Partikel mindestens eines elektrisch leitfähigen Füllstoffs sowie optional weitere Additive. Die Partikel des elektrisch leitfähigen Füllstoffs bilden ein elektrisch leitfähiges Netzwerk innerhalb des Kunststoffes. Der Kompositwerkstoff selbst liegt in einem nicht verfestigten Zustand vor, so dass er im Rahmen eines Formgebungsprozesses in unterschiedliche Formen gebracht werden kann. Nach Verfestigung in der gewünschten Form entsteht aus dem Kompositwerkstoff das erfindungsgemäße Schirmelement;
- - „elektrisch leitfähiger Füllstoff“ beschreibt einen Feststoff dessen elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C mindestens 106 S/m beträgt;
- - „mindestens ein“, „mindestens eine“, „mindestens einer“ bedeutet zahlenmäßig „ein oder mehrere“. In einer bevorzugten Ausführungsform ist mit diesem Begriff zahlenmäßig „ein“, „eine“, „einer“ gemeint;
- - „enthalten“, „umfassen“ und „beinhalten“ bedeutet, dass neben den genannten Bestandteilen noch weitere vorhanden sein können. Diese Begriffe sind einschließlich gemeint und umfassen daher auch „bestehen aus“. „Bestehen aus“ ist abschließend gemeint und bedeutet, dass keine weiteren Bestandteile vorhanden sein können. In einer bevorzugten Ausführungsform bedeuten die Begriffe „enthalten“, „umfassen“ und „beinhalten“ den Begriff „bestehen aus“.
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Der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff entsteht, indem einem Kunststoff vor oder im Zuge eines Durchmischungsprozesses Partikel mindestens eines elektrisch leitfähigen Füllstoffs zugefügt werden und miteinander vermischt werden.
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Der Kunststoff umfasst mindestens ein Polymer, wobei als Polymer alle dem Fachmann üblicherweise bekannten Polymere für den Bau von Steckverbindern zum Einsatz kommen. Üblicherweise werden hierzu Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere verwendet.
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Unter dem Begriff Thermoplast ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Kunststoff zu verstehen, der sich in einem bestimmten Temperaturbereich reversibel verformen lässt. Der Begriff Duroplast im Sinne der vorliegenden Erfindung beschreibt einen Kunststoff, der nach der Aushärtung nicht mehr verformt werden kann. Elastomere sind formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe, deren Glasübergangstemperatur unterhalb der Raumtemperatur (25 °C) liegt. Elastomere lassen sich bei Zug- und/oder Druckbelastung reversibel verformen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kommt als Kunststoff mindestens ein Thermoplast zum Einsatz. Als Thermoplast können alle dem Fachmann bekannten Thermoplaste verwendet werden, die je nach gefordertem Eigenschaftsprofil ausgewählt werden.
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Vorzugsweise umfasst der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff mindestens einen der folgenden Thermoplaste aus der Gruppe der Standardthermoplaste, der technischen Thermoplaste oder der Hochleistungsthermoplaste. Je nach Anforderungsprofil können die Thermoplaste sowohl einzeln als auch im Gemisch von zwei oder mehreren der genannten Thermoplaste eingesetzt werden.
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Zur Gruppe der Standardthermoplaste zählt vorzugsweise Polyethylen (PE), Polystyrol (PS), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polyoxymethylen (POM). Die Gruppe der technischen Thermoplaste umfasst vorzugsweise Polyamid 6 (PA6), Polyamid 6.6 (PA6.6), Polycarbonat (PC) Polyethylenterephthalat (PET) Polybutylenterephthalat (PBT), thermoplastische Elastomere, Polyphthalamid (PPA) und glasfaserverstärktes Polyphthalamid (PA9T). Als Hochleistungsthermoplaste kommen bevorzugt Polyphenylensulfide (PPS), Polyetherimide (PEI), thermoplastisches Polyurethan (TPU) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) zum Einsatz. Besonders bevorzugt sind Polyamid 6 (PA6), Polyamid 6.6 (PA6.6), Polycarbonat (PC) oder Polybutylenterephthalat (PBT).
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Es können auch sogenannte Liquid Crystal Polymers (LCP) zum Einsatz kommen. Der Begriff der Liquid Crystal Polymers bezeichnet Polymere, welche in der Schmelze oder in Lösung flüssigkristalline Eigenschaften und somit ein gewisses Maß an Ordnung aufweisen.
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Der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff umfasst ferner Partikel mindestens eines elektrisch leitfähigen Füllstoffs. Als elektrisch leitfähiger Füllstoff kommen alle dem Fachmann üblicherweise bekannten elektrisch leitfähigen Füllstoffe zum Einsatz. Als Materialien für elektrisch leitfähige Füllstoffe kommen im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere Metalle, Metalllegierungen, Ruß, Kohlefasern oder intrinsisch leitfähige Polymere zum Einsatz.
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Es ist erfindungswesentlich, dass der elektrisch leitfähige Füllstoff während des gesamten Durchmischungsprozesses als Feststoff vorliegt, so dass die Partikel des elektrisch leitfähigen Füllstoffs im Zuge des Durchmischungsprozesses in der polymeren Matrix des Kunststoffs verteilt werden. Die Partikel des elektrisch leitfähigen Füllstoffs verteilen sich statistisch in der polymeren Matrix und bilden Berührungspunkte aus, wodurch ein elektrisch leitfähiges Netzwerk aus Partikeln in der polymeren Matrix entsteht.
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Der elektrisch leitfähige Füllstoff kann vorzugsweise als sphärische, kugelförmige, stabförmige, plättchen- oder faserartige Partikel eingesetzt werden, wobei es insbesondere von Vorteil ist, den elektrisch leitfähigen Füllstoff in Form von länglichen Partikeln, wie beispielsweise Fasern, einzusetzen, damit eine weitgehende Durchkontaktierung der Partikel durch Berührung untereinander gewährleistet wird. Der Begriff faserförmig im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass das Verhältnis zwischen größter Längenausdehnung und dazu orthogonal stehender kleinster Längenausdehnung (Aspektverhältnis) mindestens 3, vorzugsweise mindestens 5, noch weiter bevorzugt mindestens 10, beträgt.
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Der elektrisch leitfähige Füllstoff hat vorzugsweise eine mittlere Partikelgröße von weniger als 3 mm. Bevorzugt liegt die mittlere Partikelgröße bei 10 µm bis 3 mm, besonders bevorzugt bei 100 µm bis 1 mm. Die mittlere Partikelgröße wird bestimmt mittels Lichtmikroskopie.
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Je nach Anforderung kann der gewichtsprozentuale Anteil an elektrisch leitfähigem Füllstoff im erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff und im erfindungsgemäßen Schirmelement in einem weiten Bereich variiert werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass der gewichtsprozentuale Anteil an elektrisch leitfähigen Füllstoff eine Durchkontaktierung der Partikel und somit die Ausbildung eines elektrisch leitfähigen Netzwerkes in der polymeren Matrix ermöglicht. Dies ist üblicherweise bei einem gewichtsprozentualen Anteil von mindestens 10 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Kompositwerkstoffes gegeben. Andererseits darf der gewichtsprozentuale Anteil an elektrisch leitfähigem Füllstoff die Verarbeitbarkeit des Kompositwerkstoffes im Zuge des Formgebungsverfahrens nicht negativ beeinflussen. Vorzugsweise beträgt daher der gewichtsprozentuale Anteil des elektrisch leitfähigen Füllstoffs am Gesamtgewicht des Kompositwerkstoffes höchstens 35 Gew.-%. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Anteil an elektrisch leitfähigem Füllstoff im Kompositwerkstoff bezogen auf das Gesamtgewicht des Kompositwerkstoffes in einem Bereich von 12 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt in einem Bereich von 15 bis 25 Gew.-%.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Partikel des elektrisch leitfähigen Füllstoffs mindestens ein Metall, insbesondere ein Edelmetall, welches bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Gold, Silber und Metallen der Platingruppe ausgewählt ist. Nichtedle Metalle wie beispielsweise Kupfer, Nickel, Chrom, Wolfram, Vanadium, Zink, Aluminium, Blei oder Gemische der Vorgenannten können ebenfalls verwendet werden. Besonders bevorzugt sind Gold, Silber, Kupfer, und Aluminium, da diese einen besonders geringen Durchgangswiderstand aufweisen.
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In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der elektrisch leitfähige Füllstoff Metallfasern, wobei die Metallfasern ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Gold, Silber, Kupfer und Aluminium.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Partikel des elektrisch leitfähigen Füllstoffs mindestens eine Metalllegierung. Als Metalllegierung eignet sich insbesondere Messing.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Partikel des elektrisch leitfähigen Füllstoffs Ruß und/oder Kohlefasern.
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Je nach Anwendung ist es vorteilhaft, ein Gemisch aus mindestens zwei den vorgenannten elektrisch leitfähigen Füllstoffen einzusetzen.
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Neben dem beschriebenen Kunststoff und den Partikeln des elektrisch leitfähigen Füllstoffes, kann der Kompositwerkstoff weitere Additive enthalten, die die Herstellung und/oder die Eigenschaften des Kompositwerkstoffes positiv beeinflussen. Dies können beispielsweise, aber nicht abschließend, Dispergieradditive, Fließhilfsmittel, Haftvermittler, Netzmittel, Flammschutzmittel, Farbmittel oder nicht-elektrisch leitfähige Füllstoffe sein.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Schirmelement, welches aus dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff hergestellt wird. Das erfindungsgemäße Schirmelement entsteht durch Verfestigen des erfindungsgemäßen Kompositwerkstoffs, nachdem der Kompositwerkstoff in die gewünschte Form gebracht wurde. Sofern anwendbar gelten die vorstehenden Ausführungen gleichermaßen für das erfindungsgemäße Schirmelement wie für den erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff.
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Der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff ist gut verarbeitbar, so dass leicht alle erdenklichen Geometrien ausgeformt werden können. Die anschließende Verfestigung ermöglicht somit die einfache und kostengünstige Herstellung eines Schirmelementes in beliebiger Geometrie.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schirmelementes. Es ist dabei erfindungswesentlich, dass einem Kunststoff in einem ersten Schritt vor oder im Zuge eines Durchmischungsprozesses Partikel mindestens eines zuvor beschriebenen elektrisch leitfähigen Füllstoffs zugefügt werden. Üblicherweise liegt die Temperatur während des Durchmischungsprozesses oberhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs, so dass der Kunststoff formbar ist. Die Glasübergangstemperatur ist die Temperatur, bei der Kunststoffe vom flüssigen oder gummielastischen Zustand in einen glasigen oder hartelastischen, spröden Zustand übergehen. Der Durchmischungsprozess sorgt für eine statistische Verteilung der Partikel des elektrisch leitfähigen Füllstoffs innerhalb der polymeren Matrix des Kunststoffs, wodurch sich Berührungspunkte der Partikel ausbilden, die so ein leitfähiges Netzwerk innerhalb des Kunststoffes bilden. Am Ende des Durchmischungsprozesses entsteht der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff.
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In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff einem Formgebungsverfahren unterzogen, währenddessen der Kompositwerkstoff in die gewünschte Form gebracht wird und anschließend in der gewünschten Form verfestigt wird. In diesem Zuge entsteht das erfindungsgemäße Schirmelement.
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Die zuvor beschriebenen Schritte werden im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugweise durch das dem Fachmann bekannte Spritzgießen miteinander verbunden. Das Spritzgießen ist ein sogenanntes Urformverfahren und läuft insgesamt in 5 Schritten ab. In einem ersten Plastifizierungsschritt wird der gewählte Kunststoff, üblicherweise in Form eines Granulats, über ein Fördergerät in die Spritzgussanlage befördert und durch Temperatureinwirkung verflüssigt. Erfindungsgemäß werden dem Kunststoffgranulat Partikel mindestens eines elektrisch leitfähigen Füllstoffs beigemischt. Mit zunehmendem Druck in der Plastifziereinheit und durch eine sich rotierenden Schneckenwelle wird der flüssige Kunststoff verdichtet und der elektrisch leitfähige Füllstoff gleichmäßig innerhalb der polymeren Matrix verteilt, so dass sich ein Netzwerk aus Partikeln aus elektrisch leitfähigem Füllstoff in der verflüssigten polymeren Matrix ausbildet. Der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff entsteht. In einem nächsten Schritt wird der Kompositwerkstoff über die Auslassdüse in eine Werkzeugform eingespritzt. Anschließend wird die Werkzeugform abgekühlt. Dazu wird üblicherweise Wasser oder eine Kühlflüssigkeit durch die in der Werkzeugform liegenden Kühlkanäle geleitet. Durch den Abkühlprozess verfestigt sich der Kompositwerkstoff und das erfindungsgemäße Schirmelement entsteht. In einem letzten Schritt wird die Werkzeugform geöffnet und das erfindungsgemäße Schirmelement kann der Werkzeugform entnommen werden.
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Das so hergestellte erfindungsgemäße Schirmelement lässt sich einfach und kostengünstig in Steckverbindern montieren. Das Spritzgießen des erfindungsgemäßen Schirmelementes bietet den Vorteil, dass damit alle erdenklichen Geometrien eines Schirmelementes einfach und kostengünstig realisiert werden können, ohne dass die zu realisierende Geometrie einen negativen Einfluss auf die Schirmeigenschaften hat.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Spritzgießen als Mehrkomponenten-Spritzgießen im Overmolding-Verfahren durchgeführt. Hierbei erfolgt das Überspritzen eines bereits zuvor gefertigten Spritzgussteils, wie beispielsweise einem Kontaktträger eines Steckverbinders aus einem isolierenden Kunststoff, mit dem erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff. Somit entfallen weitere Montageschritte bei der Herstellung eines Steckverbinders, welcher ein erfindungsgemäßes Schirmelement enthält.
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Ein sinnvoller weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Steckverbinder, welche zumindest teilweise aus einem Kompositwerkstoff geformt wird. Dieser Steckverbinder kann somit die Vorteile von Steckverbindern mit metallischem Gehäuse, insbesondere deren 360° Abschirmung, mit den Vorteilen von Steckverbindern mit einem Kunststoffgehäuse ohne elektrisch leitfähigem Füllstoff, insbesondere deren leichte, aber robuste Struktur, kombinieren. So lässt sich beispielsweise ein Masseanschluss und/ oder Sicherheitserdungsanschluss (PE-Anschluss) an ein Kunststoffgehäuse verwirklichen, ohne den zusätzlichen Einsatz von aufwändigen Blechen, Federn oder zusätzlichen Leitern, wie Kabeladern oder ähnlichen Elementen verwirklichen.
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Darüber hinaus empfiehlt sich der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff für die Formung und Herstellung von Steckverbindermodulen. Steckverbindermodule werden in modularen Halterahmen eingesetzt und sind im Stand der Technik bekannt. Allerdings unterliegen derartige Steckverbindermodule den zuvor genannten Nachteilen, welche durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Kompositwerkstoffes beim Herstellungsprozess zumindest verringert werden. Grade bei Steckverbindermodulen für die Übertragung von elektrischen Signalen oder elektronischen Daten kann ein Gehäuse, geformt aus dem Kompositwerkstoff eine besonders vorteilhafte Schirmung ermöglichen, bei vergleichsweise einfachem Herstellungsverfahren und verringertem Gewicht.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Steckverbinder, welcher ein erfindungsgemäßes Schirmelement umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016116937 A1 [0004]