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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen eines elektrischen oder elektronischen Bauelementes an einem Kühl- und/oder Gefriergerät.
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Nach dem Stand der Technik werden zur elektrischen Versorgung von Verbrauchern in Kühl- und/oder Gefriergeräten oder zur Signalübertragung üblicherweise mit Kunststoff ummantelte Kabel mit einem ein- oder mehradrigem Verbund von Adern aus Metall verwendet. Diese werden mittels Halterungen, Clips oder Klebebändern an den Bauteilen des Kühlschranks, insbesondere bei geschäumten Isolierungen schaumseitig befestigt.
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Einzelne Sensoren oder etwa Heizelemente werden ebenfalls durch passende Befestigungsmöglichkeiten an den dafür vorgesehenen Stellen befestigt und dann durch Kabel elektrisch versorgt und/oder für eine Signalübertragung an entsprechende Kabel angeschlossen.
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Die Montage dieser elektrischen Bauelemente erfolgt Großteils manuell mit hohem Aufwand und gewisser Fehlerquote, da die Bauelemente teilweise, wie insbesondere Kabel in Ihrer Form undefiniert und teilweise, wie insbesondere empfindliche Sensoren oder große Bauteile schwer handelbar sind.
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Ein denkbarer Fehlerfall besteht darin, wenn nach der Montage der Kabel oder sonstiger Bauelemente der Montageraum, d.h. der Raum zwischen Innenbehälter und Gehäuse des Gerätes zu Isolationszwecken mit Schaum etwa mit Polyurethanschaum ausgeschäumt wird und danach eine etwa durch falsche Montage oder durch das Ausschäumen verursachte fehlerhafte elektrische Kontaktierung festgestellt wird. Derartige Fehler können nur durch eine Entfernung des Schaums gefunden und behoben werden, was mit einem entsprechend hohen Aufwand verbunden ist.
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Bei Durchführungen von z.B. Kabeln durch Wände, die eine isolierende Schaumseite aufweisen, kommt es in der Folge des Schäumens teilweise zu Austritten des Schaums durch die Durchführungen, was einen erheblichen Reparaturaufwand nach sich ziehen kann.
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Durch werden auch Schaumreste in den Schäumwerkzeugen verhindert, dies erspart den Reinigungsaufwand.
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Für einen späteren Recyclingprozess ist die Verbindung des Schaums mit Kabeln oder elektrischen Bauelementen nachteilhaft, da zwar die metallischen Leiter von der Kunststofffraktion getrennt werden können, aber beispielsweise Polyurethanschäume und die Kunststofffraktion durch die Mantelmaterialien verunreinigt werden und damit hochwertige Recyclingprozesse verunmöglichen.
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Nach dem Stand der Technik werden zum Beispiel Heizungen zur Vermeidung von Kondensatbildung, wie so genannte Rahmenheizungen oftmals durch druckseitig an den Kompressorkreislauf angeschlossene Rohre ausgeführt. Diese Rohre weisen eine hohe geometrische Komplexität auf und sind nur mit erheblichem Aufwand herstellbar und nur eingeschränkt beziehungsweise mit hohem Aufwand schadfrei und effizient zu transportieren. Während der Verarbeitung kann es zu zusätzlichen Beschädigungen kommen, wodurch Funktionsmängel mit großer Häufigkeit auftreten. Zudem gestattet die direkte Einbindung im Kompressorkreislauf keine Regelung der Heizfunktion, was das System in seiner Funktion als auch in seiner Effizienz beeinträchtigt. Abgesehen davon weisen Rohre zum Heizen eine schlechte Kontaktierung auf.
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Bei einer Ausführung der Heizung durch eine elektrische Heizung, insbesondere durch aufgeklebte Heizelemente kommt es ebenfalls zu den genannten Nachteilen, wie erheblicher Aufwand durch die Herstellung. Ebenso führt die Entdeckung einer mangelhaften elektrischen Kontaktierung der Heizelemente nach dem Schäumen auch hier nahezu immer zu einer irreparablen Schädigung des Bauteils.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Anordnung elektrischer oder elektronischer Bauelemente in Kühl- und/oder Gefriergeräten zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Demnach ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum additiven Aufbringen von elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen durch ein additives Auftragsverfahren eines Materials auf ein geeignetes Substrat des Gerätes vorgesehen. Im Anschluss an das Auftragen wird das auf diese Weise aufgetragene Material ausgehärtet.
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Die sogenannte additive Fertigungsmethodik zeichnet sich dadurch aus, dass ein oder verschiedenste Werkstoffe auf ein Substrat in Form eines Bauteils von Kühl- und/oder Gefriergeräten vorzugsweise automatisch ein- oder mehrschichtig aufgebracht und unter Anwendung eines Härtemechanismus, wie Härten durch ultraviolettes Licht oder durch Abkühlen ausgehärtet werden. Denkbar ist auch der Einsatz eines Mehrkomponenten-, vorzugsweise eines Zwei-Komponenten-Systems, bei dem z.B. ein so genanntes Harz und ein so genannter Härter während oder kurz vor dem Auftrag in einem definierten Anteil vermengt werden und dann unmittelbar aushärten.
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Durch additives Aufbringen von Werkstoffen ist es möglich auf geometrisch komplexen Bauteilen eines Kühl- und/oder Gefriergeräts beliebige elektrische und/oder elektronische Funktionen reproduzierbar, kosteneffizient und in hoher Qualität zu applizieren.
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Ein additives Aufbringen von elektrischen Leitungen und/oder elektrischen Bauelementen auf Bauteile von Kühl- und/oder Gefriergeräten schafft des Weiteren Freiheitsgrade in der Anbringung von elektrischen Elementen und eine hohe Flexibilität in der Leitungsführung von elektrischen Leitungen.
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Bei dem additiven Verfahren mittels Werkstoffextrusion gemäß DIN EN ISO/ASTM 52900:2017 wird etwa ein elektrisch leitfähiger oder durch Zugabe von elektrisch leitfähigen Zusätzen elektrisch leitfähig gemachter Thermoplast, der vorzugsweise als Filament vorliegt, oder ein metallischer Werkstoff oder dergleichen gezielt mit einer Düse oder Öffnung dosiert auf das Substrat aufgebracht und jeweils unmittelbar nach dem Aufbringen durch ultraviolettes Licht oder reaktiv oder durch Abkühlung gehärtet. Dadurch werden mehrere Schichten erzeugt, die untereinander verbunden sind und in der Gesamtheit eine definierte Form annehmen.
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Bei dem additiven Verfahren mittels Werkstoffauftrag gemäß DIN EN ISO/ASTM 52900:2017 wird leitfähige Tinte oder Leitlack oder dergleichen als Tropfen gezielt auf dem Substrat abgesetzt und dann unmittelbar durch ultraviolettes Licht oder reaktiv gehärtet. Dadurch werden wiederum mehrere Schichten erzeugt, die untereinander verbunden sind und in der Gesamtheit eine definierte Form annehmen.
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Auch ein derartiges Verfahren ist von der Erfindung umfasst.
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Durch diese Verfahrensschritte unterscheiden sich die additiven Verfahren von beispielsweise Coil-Coating Verfahren bei denen auf ein endloses Metallband mehrseitige Beschichtungen etwa durch Rotationsdruck aufgebracht werden oder von so genannten Molded Interconnect Devices beziehungsweise Mechatronic Integrated Devices beziehungsweise MID Verfahren bei denen eine leitfähige Schicht als Folie oder im Spritzgießen vollflächig auf das Substrat beziehungsweise das Spritzgießteil appliziert wird.
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Die durch additive Verfahren auf die Bauteile von Kühl- und/oder Gefriergeräten aufgetragenen elektrisch leitfähigen Schichten werden in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung von der Umgebung und von anderen elektrisch leitfähigen Bauteilen elektrisch isoliert.
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Vorzugsweise wird daher nach dem Aufbringen des oder der Bauelemente eine elektrische Isolation z.B. durch Werkstoffextrusion oder Werkstoffauftrag auf das Bauelement aufgebracht.
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Diese Isolierung wird vorzugsweise durch elektrisch isolierende Schichten aus Thermoplast oder einem anderen elektrisch isolierenden Werkstoff erreicht. Der isolierende Werkstoff wird dabei wiederum beispielsweise additiv durch Werkstoffextrusion oder Werkstoffauftrag auf den elektrisch leitfähigen Auftrag aufgetragen und dann unmittelbar durch ultraviolettes Licht oder reaktiv gehärtet. Bei mehrmaliger Durchführung des Prozesses entstehen wiederum Schichten. Der isolierende Werkstoff deckt den elektrisch leitfähigen Werkstoff und vorzugsweise das angrenzende Substrat ab oder ummantelt ihn und sorgt so für die elektrische Isolierung.
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Vorzugsweise ist das Substrat elektrisch isolierend oder mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen.
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In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt das Aufbringen des Werkstoffs durch einen Roboter oder anderweitig automatisiert.
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Denkbar ist der Einsatz eines 3D-Druckers mit kartesisch angeordneten linearen Maschinenachsen, mit denen ein so genannter Druckkopf verfahren wird, aus dem der additiv aufzutragende Werkstoff geleitet wird.
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Besonders vorteilhaft ist die Kombination eines additiven Verfahrens mit einem Roboter mit linearen und rotatorischen Maschinenachsen, da durch die dadurch gewonnene geometrische Flexibilität des Druckkopfs die Werkstoffe auf sehr komplexe Geometrien aufgetragen werden können. Ebenso kann durch die Verwendung eines Roboters die Bahnkurve des Druckkopfs sehr leicht an verschiedene Geometrien angepasst werden.
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Ebenso kann ein Roboter in eine vorhandene Automatisierung eingebettet werden.
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Durch die Automatisation von vormals manuellen Fertigungsschritten, wie dem Verlagen von Kabeln wird ein Kostenvorteil erreicht. Ebenso wird die Teilevielfalt reduziert, da zum Beispiel keine Kabel mehr benötigt werden, was wiederum einen Kostenvorteil erzeugt.
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Automatisches additives Aufbringen von Werkstoffen führt gegenüber einer manuellen Montage von Teilen zu einer besseren Reproduzierbarkeit und damit zu einem höheren Qualitätsniveau der gefertigten Bauteile. Insbesondere gegenüber der Verlegung von Kabeln findet eine vorteilhafte Standardisierung statt, da die Positionen der elektrischen Leitungen und/oder elektrischen Bauelementen genau festgelegt werden können.
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Vorzugsweise ist das Bauteil des Kühl- und/oder Gefriergeräts ein Innenbehälter oder eine Motornische oder ein thermogeformtes bzw. tiefgezogenes 2D- oder 3D-Bauteil des Kühl- und/oder Gefriergeräts.
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Durch die direkte Aufbringung von elektrischen Bauelementen auf Bauteile bzw. Substrate, wie Innenbehälter, Motornische oder thermogeformte 2D- oder 3D-Bauteile von Kühl- und/oder Gefriergeräten werden Durchlässe durch Wandungen etwa für Verkabelungen verkleinert oder unnötig, was eine Reduzierung bzw. Verhinderung von Austritten von Schaum bei der Schäumung bewirkt.
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Durch die Substitution von Kabeln durch entsprechende additiv aufgebrachte leitfähige Werkstoffe wird das Abzeichnen von Kabeln an Sichtflächen des Kühl- und/oder Gefriergeräts verhindert.
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Vorzugsweise ist das Bauelement ein Heizelement oder ein Sensor oder eine Platine bzw. ein Schaltkreis, z.B. für eine Regelung oder Steuerung.
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Durch die Anordnung von elektrischen oder elektronischen Bauelementen können Funktionen in einem Kühl- und/oder Gefriergerät wie etwa Heizungen, die vormals durch Bauteile mit anderen Wirkmechanismen gebildet wurden, wie z.B. flüssigkeitsdurchströmte Rohrleitungen zur Beheizung etc. durch die erfindungsgemäß aufgetragenen Bauelemente ersetzt werden. So ergeben sich zum Beispiel bessere Steuer- und/oder Regelmöglichkeiten der Heizleistung durch Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Stroms.
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Die Aufbringung dieser Heizelemente oder Sensoren durch ein additives Verfahren führt des Weiteren zu Vorteilen bezüglich Funktion, Effizienz und Sicherheit. So kann im Falle eines Heizelements eine gezielte Energieeinbringung durch optimale Ankopplung an relevante Positionen abhängig von lokalen Anforderungen erreicht werden.
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Ebenfalls führt ein additives Aufbringen von Heizelementen oder Sensoren oder dergleichen zu Kostenvorteilen, da etwa Rahmenheizungen oder aufgeklebte Heizelemente entfallen können.
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Ebenso wird der Schaumfluss von beispielsweise Polyurethanschäumen in auszuschäumenden Bereichen verbessert, da durch additive Verfahren aufgebrachte elektrischen Leitungen und/oder elektrischen Bauelemente flacher als Kabel oder fertige Bauelemente an den entsprechenden Wänden anliegen und der Schaum somit besser über sie hinwegfließen kann.
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Durch die direkte Anbindung von für die additive Aufbringung und den vorgesehenen Zweck geeigneter Materialien, die dann vorzugsweise elektrische Leitungen und/oder elektrische Bauelemente bilden, an den Deckschichten schaumseitig kann das Kühl- und/oder Gefriergerät einerseits in seiner Grundfunktion, die in der Bereitstellung eines kalten Lagerraums liegt, aber auch in Bezug auf das Design oder die Beleuchtung oder sonstigen intelligenten Funktionen, etwa durch multiple Sensorik oder multiple Aktorik an allen denkbaren Stellen des Kühl- und/oder Gefriergeräts bei gleichzeitigem Wegfall recyclingverhindernder Kabel- und Rohrleitungen optimiert werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kühl- und/oder Gefriergerät mit einem oder mehreren Bauelementen, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht sind. Dadurch können die mit Kunststoff ummantelten Kabel oder Rohrleitungen oder dergleichen größtenteils oder vollständig entfallen. Damit ist der Schaum nicht mehr mit Mantelmaterialien oder dergleichen verunreinigt und kann somit einem einfacheren Recycling zugeführt werden.
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Vorzugsweise sind die elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente auf einem Innenbehälter oder auf einer Motornische oder auf einem thermogeformten Bauteil oder auf einer Verkleidung oder auf einer Tür oder auf einem beschichteten Blech des Kühl- und/oder Gefriergeräts aufgebracht.
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An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „ein“ und „eine“ nicht zwingend auf genau eines der Elemente verweisen, wenngleich dies eine mögliche Ausführung darstellt, sondern auch eine Mehrzahl der Elemente bezeichnen können. Ebenso schließt die Verwendung des Plurals auch das Vorhandensein des fraglichen Elementes in der Einzahl ein und umgekehrt umfasst der Singular auch mehrere der fraglichen Elemente.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Das Ausführungsbeispiel betrifft einen Innenbehälter aus Kunststoff eines Gefriergerätes, auf den durch das additive Verfahren elektrisch leitfähigen Schichten in definierten Bahnen automatisch mittels eines Roboters aufgetragen werden.
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Die elektrisch leitfähigen Schichten bestehen aus durch Zugabe von elektrisch leitfähigen Zusätzen elektrisch leitfähig gemachtem Thermoplasten
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Die elektrisch leitfähigen Schichten sind durch einen weiteren additiven Auftrag von elektrisch nicht leitfähigem Thermoplast durch Werkstoffextrusion elektrisch isoliert. Da der Innenbehälter aus elektrisch nicht leitfähigem Kunststoff ist, sind die leitfähigen Schichten somit komplett von isolierendem Material umgeben.
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Auf den Innenbehälter werden ebenfalls Heizelemente durch das additive Verfahren Werkstoffextrusion aufgebracht und durch einen weiteren additiven Auftrag von elektrisch nicht leitfähigem Thermoplast durch Werkstoffextrusion elektrisch isoliert.
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Der Auftrag erfolgt auf einer Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eine Halterung für den Innenbehälter und einen Roboter umfasst.
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Die Halterung nimmt den Innenbehälter beispielweise derart auf, dass sich die konkave, d.h. die im Betrieb gekühlte Seite des Innenbehälters über eine Aufnahme stülpen lässt, welches den Innenbehälter im Raum fixiert und die Schaumseite des Innenbehälters leicht für einen Roboter zugänglich macht.
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Die Fixierung des Innenbehälters kann auch durch Klemmen oder Backen oder sonstigen Spann- oder Befestigungsmittel erfolgen.
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Auf der Halterung befindet sich ein oder mehrere Sensoren, etwa Luftspaltsensoren, die den korrekten Sitz des Innenbehälters prüfen. Der korrekte Sitz kann auch optisch überprüft werden.
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Der Roboter fährt seine einprogrammierte Bahn ab und der auf dem Roboter angebrachte Druckkopf trägt synchron dazu das jeweilige Material auf den Innenbehälter auf.
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Der Innenbehälter kann in einer Automatisierungslinie durch einen anderen Roboter oder ein sonstiges Fördermittel oder manuell auf die Halterung aufgebracht und nach dem Auftrag wieder durch diese Methoden von dieser entnommen werden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass es zu keiner Korrosion von Heizrohren kommen kann.