EP2076371A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils und bauteil - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteils und bauteil

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EP2076371A1
EP2076371A1 EP07787501A EP07787501A EP2076371A1 EP 2076371 A1 EP2076371 A1 EP 2076371A1 EP 07787501 A EP07787501 A EP 07787501A EP 07787501 A EP07787501 A EP 07787501A EP 2076371 A1 EP2076371 A1 EP 2076371A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
film module
polymer carrier
component
polymer
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07787501A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried Ihl
Markus Muzic
Kai Garnier
Horst Callies
Ralf Miessner
Andre Zimmermann
Armin Kech
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2076371A1 publication Critical patent/EP2076371A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B32B37/18—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the properties of the layers with all layers existing as coherent layers before laminating involving the assembly of discrete sheets or panels only
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    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2995/00—Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds
    • B29K2995/0003—Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds having particular electrical or magnetic properties, e.g. piezoelectric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29K2995/00—Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds
    • B29K2995/0003—Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds having particular electrical or magnetic properties, e.g. piezoelectric
    • B29K2995/0007—Insulating
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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2305/00—Condition, form or state of the layers or laminate
    • B32B2305/34—Inserts

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component according to the preamble of claim 1 and to a component according to the preamble of claim 8.
  • actuators or sensors are used in components which must not exceed a predetermined overall height
  • actuators or sensors designed as foil modules are generally used.
  • Such film modules are commercially available and composed of a functional material that is embedded in an insulating material by means of a lamination process.
  • the functional material is e.g. a piezoelectric ceramic, the insulating material a polymer film.
  • electrodes in the form of planar electrodes or interdigital electrodes are formed, which are contacted to the outside.
  • the film modules are generally fixed to a component by means of an adhesive.
  • the adhesive layer adds additional internal interfaces which can affect the life of the bond between the film module and the component to which the film module is fixed by partial or total delamination.
  • adhesion of the film module to the component can also impair the effectiveness of the actuator or sensory function, since the adhesive layer brings about a spatial separation between the film module and the component in which the film module is fixed, and the functionality thus can be influenced by the behavior of the adhesive layer. Disclosure of the invention
  • the film module is connected to the polymer carrier, wherein the film module is embedded directly into the polymer carrier.
  • an intermediate layer is e.g. the adhesive layer when bonding the film module with the polymer carrier of the component.
  • the embedding of the film module in the polymer carrier is carried out by an injection molding process, wherein the film module is first fixed in a tool and then encapsulated by the polymer carrier.
  • the film module may be e.g. be fixed by applying a negative pressure and / or by a mechanical hold-down in the tool. For this it is e.g. possible to form a recess in the tool, which is adapted to the shape of the film module.
  • Suitable mechanical hold-downs for fixing the film module are e.g. Hold-downs that hold the foil module in the recess adapted to the shape of the foil module.
  • the fixing of the film module in the tool by applying a negative pressure so are in the tool preferably at the positions where the film module rests, openings formed which are connected to a vacuum pump. During operation of the vacuum pump, a vacuum is generated at the openings in the tool and the film module is sucked by the negative pressure to the wall of the tool.
  • the foil module is fixed in the tool.
  • the film module is held solely by the action of gravity in the tool. For this purpose, the film module is placed on the bottom of the side facing the tool. Subsequently, the film module is overmolded with the polymer.
  • any other device known to the person skilled in the art with which the film module can be fixed in the injection molding tool is also suitable.
  • the embedding of the film module in the polymer carrier is carried out by a non-pressure casting process of a reactive resin with subsequent curing of the resin.
  • the film module is first placed in a tool and then encapsulated with the reactive resin.
  • the fixing of the film module can be done as in the injection molding by the action of gravity, by mechanical hold-down or by applying a negative pressure. Due to the pressure-free pouring of the reactive resin into the tool, it is generally sufficient to insert the film module into the tool. An additional fixation by a mechanical hold-down and / or by applying a negative pressure can be dispensed with.
  • the embedding of the film module in the polymer carrier takes place by a laminating process of several layers of polymeric composite materials in a layered arrangement. In this case, at least some of the layers are not completely cured.
  • the film module can be embedded in printed circuit boards or in other polymeric composites of reaction resins with reinforcing elements.
  • Suitable reinforcing elements are, for example, fibers, fiber fabrics or platelets.
  • the Lami- kidney the not fully cured layers and possibly also the cured layers of polymeric composites in a suitable geometry and the film module are placed in a tool and permanently connected to each other using mechanical pressure and / or by heating.
  • Suitable polymer support polymers into which the film module is embedded by the injection molding process are e.g. Thermoplastics or other injection-moldable polymers or precursors of polymer carriers.
  • Suitable thermoplastics are, for example, partially aromatic or aliphatic polyamides, polyesters, preferably polybutadiene terephthalate (PBT) or polyethylene terephthalate (PET), polyolefins, preferably polypropylene (PP) or polyethylenes (PE), polyetherimides, polyoxymethylene, liquid crystalline polymers (LCP), polycarbonate, Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • PBT polybutadiene terephthalate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PP polypropylene
  • PE polyethylenes
  • polyetherimides polyoxymethylene
  • LCP liquid crystalline polymers
  • ABS Acrylonitrile butadiene styren
  • Monomers of reactive resins which are mixed together in the injection molding machine and then injected into the mold. Curing to thermosets, preferably epoxy resins, polyesters or phenolic resins, then takes place in the mold. Also, the precursors may already be partially crosslinked and only complete crosslinking takes place in the injection mold. Further suitable polymers are all fiber-reinforced or mineral-reinforced polymers, for example glass fiber-reinforced or carbon fiber-reinforced polymers, and also polymer blends. The processing of the polymers to polymer carriers is preferably carried out by injection molding.
  • Suitable reactive resins which can be combined with the film module are e.g. Epoxy resins, phenolic resins, cyanate esters, polyesterimides, polyimides, bismaleimides and bismaleimide triacines.
  • Preferred epoxy resins are bisphenol A, bisphenol F, cycloaliphatic epoxy resins and polyfunctional epoxy resins.
  • the reactive resins are preferably processed by casting or lamination.
  • the surfaces of the film module are cleaned prior to embedding in the polymer support by a plasma treatment and optionally activated.
  • the plasma treatment removes foreign substances from the surface of the film module, which can have a negative influence on the adhesion of the film module in the polymer carrier.
  • Optionally existing nucleation sites where the film module could come loose from the polymer carrier are removed.
  • the invention further relates to a component which comprises a film module in which a film of a functional material is embedded in an insulating material, as well as a polymer carrier to which the film module is connected, and in which the film module is embedded in the polymer carrier.
  • the film module is completely enclosed by the polymer carrier.
  • the film module is completely embedded in polymer carrier and a detachment of the film module from the polymer carrier can no longer be done.
  • the film module is not covered on at least one side of the polymer carrier. In this case, it is possible that the film module protrudes partially from the polymer carrier surrounding the film module or that the film module and the polymer carrier surrounding the film module form a flat surface. Such a free surface may e.g. be necessary if the embedded in the polymer carrier film module must contact another component directly.
  • Figure 1 is a connected to a polymer carrier film module according to the prior
  • FIG. 2 shows a film module connected to a polymer carrier in a first embodiment
  • FIG. 3 shows a film module connected to a polymer carrier in a second embodiment.
  • Figure 1 shows a film module which is connected to a polymer carrier, according to the prior art.
  • a component 1 comprises a polymer carrier 3, which is connected to a film module 5.
  • the bonding of the polymer support 3 to the film module 5 takes place by means of an adhesive layer 7.
  • the film module 5 generally comprises a functional material, for example a piezoelectric ceramic, and an insulating material, for example a polymer film.
  • the functional material is embedded in the insulating material.
  • the polymer carrier 3 is e.g. Any thermoplastic or reactive resin. Furthermore, the polymer carrier 3 may contain fibers, fiber fabrics or platelets.
  • a first boundary layer 9 forms between the adhesive layer 7 and the polymer carrier 3 and a second boundary layer 11 between the film module 5 and the adhesive layer 7.
  • the component 1, comprising the polymer carrier 3 with the film module 5 fastened thereto, is connected to a carrier 13 in the embodiment shown in FIG.
  • the carrier 13 may be made of any material.
  • the connection of the carrier 13 with the polymer carrier 3 is generally carried out by a form-locking or force-locking connection method.
  • the carrier 13 can be coated with the polymer carrier 3 e.g. be connected by gluing or welding.
  • the carrier 13 and the polymer carrier 3 are connected to each other by screwing or riveting.
  • a further component 15 can be connected to the component 1 on the side on which the film module 5 is mounted.
  • the further component 15, like the carrier 13, may be made of any desired material and may be connected to the polymer carrier 3 by any form-fitting or frictional connection method.
  • the polymer carrier 3 with the film module 5 attached thereto is surrounded by any other medium.
  • Such a medium may be, for example, liquid or gaseous.
  • FIG. 2 shows a component designed according to the invention, comprising a polymer carrier with a film module fastened thereto, in a first embodiment.
  • a film module 21 is embedded in a polymer carrier 23.
  • the film module 21 is embedded in the polymer carrier 23 such that a surface 25 of the film module 21 is not covered by the polymer carrier 23.
  • the film module 21 is embedded in the polymer carrier 23 so that the polymer carrier 23 and the film module 21 form a uniform surface.
  • the polymer carrier 23 As a material for the polymer carrier 23, the lightweight materials, as they are known from the prior art are.
  • the polymer carrier 23 may be e.g. be made of a thermoplastic material or a reactive resin. Any thermoplastic material known to the person skilled in the art and any reactive resin known to the person skilled in the art are suitable for this purpose.
  • thermoplastics are, for example, partially aromatic or aliphatic polyamides, polyesters, preferably polybutadiene terephthalate (PBT) or polyethylene terephthalate (PET), polyols, preferably polypropylene (PP) or polyethylene (PE), polyetherimides, polyoxymethylenes, liquid-crystalline polymers (LCP), Polycarbonate, acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • Preferred reactive resins are epoxy resins, phenolic resins, cyanate esters, polyester imides, polyimides, bismaleimides and bismaleimide triacines.
  • Preferred epoxy resins are bisphenol A, bisphenol F, cycloaliphatic epoxy resins and polyfunctional epoxy resins.
  • the polymer carrier 23 can also be a composite material and contain fibers, fiber webs or platelets. Suitable fibers or fiber fabrics are e.g. Glass fibers or carbon fibers.
  • the film module 21 is fixed in an injection mold and then encapsulated with the polymer of the polymer carrier 23.
  • the fixing of the film module 21 in the injection molding tool for example, by means of mechanical hold-down or by applying a negative pressure. It is also possible, for example, to insert the film module 21 into a correspondingly shaped depression in the injection molding tool and then to overmold with the polymer. In this case, the positioning of the film module 21 and its positioning in the injection molding tool takes place solely on the basis of gravity. If the film module 21 is held in the injection molding tool with mechanical hold-downs, the film module 21 is generally partially encapsulated in a first step, then the mechanical hold-downs are removed.
  • the complete encapsulation of the film module 21st In addition to embedding the film module 21 in the polymer carrier 23 by an injection molding process, it is also possible to produce the polymer carrier 23 by a lamination process, wherein the film module 21 is introduced into the polymer carrier 23 during the lamination process.
  • a lamination process composites of a polymeric material, generally a reaction resin such as epoxy resin or phenolic resin and reinforcing elements such as fibers, fibrous webs or platelets, are coated in incompletely cured layers and then subjected to mechanical pressure and / or heating permanently connected. Intermediate the individual incompletely cured layers may also be completely cured layers, which then also adhere to the incompletely cured layer.
  • the polymer carrier 23 with the film module 21 embedded therein by a casting process in which reactive resins are poured into a casting tool into which the film module 21 has been placed. After the reactive resin has been poured in, the resin is cured to produce the polymer carrier 23.
  • the component 20 according to the invention can also be connected to a carrier 27 and a further component 29.
  • Suitable form-fitting connections are e.g. Gluing or welding and suitable non-positive connections are e.g. Screw or rivet.
  • the component 20 is integrated into another component.
  • the further component can completely enclose the component 20 or even rest on the component 20 on one side.
  • the component 20 is surrounded by a liquid or gaseous medium.
  • the material for the polymer carrier 23 and for the film module 21 is to be selected such that it is inert to the film module 21 and the polymer carrier 23.
  • FIG. 3 shows a component according to the invention comprising a polymer carrier and a film module, in a second embodiment.
  • the embodiment shown in FIG. 3 differs from the embodiment shown in FIG. In that the film module 21 is completely embedded in the polymer carrier 23 so that no surface of the film module 21 protrudes from the polymer carrier 23.
  • the component for example, as shown in FIG. 2, is first produced and then coated with a polymer in a further production step on the free surface 25 of the film module 21.
  • the polymer is, for example, the same polymer as that from which the polymer carrier 23 is made. However, it is also possible to use another polymer here, so that the polymer carrier 23 is made of two different polymers.
  • a component for example, it is possible first to produce a component, as shown in FIG. 2, by an injection molding process, then to insert this component into a further injection molding tool and, in a second injection molding process, to the free upper side 25 of the film module 21 with the polymer of the polymer support 23 to overspray. It is also possible first to produce the component 20, as shown in FIG. 2, by means of a laminating method and then to close the thus produced laminate with a reactive resin by means of a casting process. In a lamination process, however, it is also possible to produce immediately a component 20, as shown in FIG. For this purpose, prior to joining the individual layers by applying mechanical pressure and / or by heating to the film module 21 at least one further layer of a not fully cured reactive resin, which optionally also contains reinforcing elements such as fibers, fiber fabric or platelets stacked.
  • the polymer support 23 is produced by a casting process with a reactive resin, as in the injection molding process, it is first necessary to produce a component as shown in FIG. 2 and subsequently to cover the free surface 25 with the reactive resin in a further step.
  • the component 20 produced according to the invention may e.g. in sensors such as yaw rate sensors or in control units, e.g. Pump controllers are used. With such sensors or control units, functional impairments or damage to the electronics may occur due to thermomechanical or mechanical stress.
  • use of the component 20 according to the invention is also conceivable in all other components which are made partially or completely of polymer materials and in which actuators or sensors are used in a flat design.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Injection Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein Folienmodul (21), bei dem eine Folie aus einem Funktionswerkstoff in einen Isolierstoff eingebettet ist, und einen Polymerträger (23) umfassend, wobei das Folienmodul (21) mit dem Polymerträger (23) verbunden wird. Das Folienmodul (21) wird direkt in den Polymerträger (23) eingebettet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil, umfassend ein Folienmodul (21), bei dem eine Folie aus einem Funktionswerkstoff in einen Isolierstoff eingebettet ist, sowie einen Polymerträger (23), mit welchem das Folienmodul (21) verbunden ist. Das Folienmodul (21) ist in den Polymerträger (23) eingebettet.

Description

06. September 2006
Beschreibung
Titel
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und Bauteil
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Wenn in Bauteilen Aktoren oder Sensoren eingesetzt werden, die eine vorgegebene Bauhöhe nicht überschreiten dürfen, werden im Allgemeinen als Folienmodule ausgebildete Aktoren oder Sensoren verwendet. Derartige Folienmodule sind kommerziell erhältlich und aus einem Funktionswerkstoff, der in einen Isolierstoff mit Hilfe eines Laminierverfahrens eingebettet ist, aufgebaut. Der Funktionswerkstoff ist z.B. eine piezoelektrische Keramik, der Isolierstoff eine Polymerfolie. Zwischen dem Isolierstoff und dem Funktionswerkstoff sind Elektroden in Form flächiger Elektroden oder Interdigitalelektroden ausgebildet, die nach außen hin kontaktiert sind.
Derzeit werden die Folienmodule im Allgemeinen mit Hilfe eines Klebemittels an ein Bauteil fixiert. Durch die Klebstoffschicht werden zusätzliche innere Grenzflächen angebracht, die die Lebensdauer der Verbindung zwischen dem Folienmodul und dem Bauteil, an welchem das Folienmodul fixiert ist, durch teilweise oder vollständige Delamination beeinträchtigen können. Neben dem Einfluss auf die Lebensdauer kann eine Verklebung des Folienmoduls mit dem Bauteil auch die Effektivität der aktuatorischen oder sensorischen Funktion beein- trächtigen, da die Klebeschicht eine räumliche Trennung zwischen dem Folienmodul und dem Bauteil, in welchem das Folienmodul fixiert ist, herbeiführt und die Funktionalität somit von dem Verhalten der Klebeschicht beeinflusst werden kann. Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das ein Folienmodul, bei dem eine Folie aus einem Funktionswerkstoff in einen Isolierstoff eingebettet ist, und einen Polymerträger umfasst, wird das Folienmodul mit dem Polymerträger verbunden, wobei das Folienmodul direkt in den Polymerträger eingebettet wird. Durch das Einbetten des Folienmoduls direkt in den Polymerträger kann auf eine Zwischenschicht verzichtet werden. Eine derartige Zwischenschicht ist z.B. die Klebstoffschicht bei Verkleben des Folienmoduls mit dem Polymerträger des Bauteils. Durch die direkte Verbindung des Folienmoduls mit dem Polymerträger kann die Lebensdauer der Verbindung von Folienmodul mit Polymerträger erhöht werden, da weniger Grenzflächen vorhanden sind, an denen eine Delamination von Folienmodul und Polymerträger erfolgen kann. Auch wird durch das Fehlen der zusätz- liehen Klebeschicht die Effektivität der aktuatorischen und/oder der sensorischen Funktion des Folienmoduls verbessert, da eine Klebeschicht ein komplexes dynamisch-mechanisches Verhalten aufweist und die elektrisch mechanische Kopplung zwischen Aktuator bzw. Sensor und Substrat verschlechtert.
In einer Ausführungsform erfolgt das Einbetten des Folienmoduls in den Polymerträger durch einen Spritzgussprozess, wobei das Folienmodul zunächst in einem Werkzeug fixiert und anschließend von dem Polymerträger umspritzt wird. Durch das Fixieren des Folienmoduls im Werkzeug ist es möglich, das Folienmodul mit dem Polymerträger zu umspritzen, ohne dass sich das Folienmodul aufgrund des Einspritzdrucks des Polymerträgers verformt. Das Folienmodul kann dabei z.B. durch Anlegen eines Unterdrucks und/oder durch einen mechanischen Niederhalter im Werkzeug fixiert werden. Hierzu ist es z.B. möglich, im Wergzeug eine Vertiefung auszubilden, die an die Form des Folienmoduls angepasst ist. Als mechanische Niederhalter zum Fixieren des Folienmoduls eignen sich z.B. Niederhalter, mit denen das Folienmodul in der an die Form des Folienmoduls angepassten Vertiefung gehal- ten wird.
Wenn das Fixieren des Folienmoduls im Werkzeug durch Anlegen eines Unterdrucks erfolgt, so sind im Werkzeug vorzugsweise an den Positionen, an denen das Folienmodul aufliegt, Öffnungen ausgebildet, die mit einer Vakuumpumpe verbunden sind. Bei Betrieb der Vakuumpumpe wird ein Unterdruck an den Öffnungen im Werkzeug erzeugt und das Folienmodul wird durch den Unterdruck an die Wandung des Werkzeugs angesaugt. Das Folienmodul ist im Werkzeug fixiert. Neben der mechanischen Fixierung des Folienmoduls im Werkzeug und der Fixierung des Folienmoduls im Werkzeug durch Anlegen eines Unterdrucks ist es auch möglich, dass das Folienmodul allein durch die Wirkung der Schwerkraft im Werkzeug gehalten wird. Hierzu wird das Folienmodul auf der dem Boden zugewandten Seite des Werkzeugs eingelegt. An- schließend wird das Folienmodul mit dem Polymer überspritzt. Weiterhin ist auch jede andere, dem Fachmann bekannte Vorrichtung geeignet, mit der das Folienmodul im Spritzgusswerkzeug fixiert werden kann.
Um das Folienmodul an allen Seiten mit dem Polymer zu bedecken, ist es möglich, einen mehrstufigen Spritzgießprozess durchzuführen. Durch das Anlegen des Folienmoduls an der Werkzeugwandung durch Anlegen des Unterdrucks oder mit Hilfe der Niederhalter ist das Folienmodul an der werkzeugzugewandten Seite nicht mit Polymer bedeckt. Um auch diese Seite mit einer Polymerschicht zu bedecken, wird z.B. in einem mehrstufigen Spritzgießprozess das bereits einseitig in den Polymerträger eingebettete Folienmodul in ein weiteres Werkzeug eingelegt und auf der nicht durch den Polymerträger bedeckten Seite mit dem gleichen oder einem anderen Polymer überspritzt. Anstelle des Umlegens des einseitig mit dem Polymer überspritzten Folienmoduls ist es auch möglich, das Werkzeug so auszubilden, dass eine Zwischenwandung, auf welcher das Folienmodul gelegen hat, entfernt wird und dann anschließend in den hierdurch entstandenen Freiraum das Polymer eingespritzt wird.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Einbetten des Folienmoduls in den Polymerträger durch einen drucklosen Gießprozess eines Reaktivharzes mit nachfolgender Härtung des Harzes. Auch hier wird das Folienmodul zunächst in ein Werkzeug eingelegt und anschließend mit dem Reaktivharz umgössen. Das Fixieren des Folienmoduls kann wie beim Spritzgießprozess durch Einwirken der Schwerkraft, durch mechanische Niederhalter oder durch Anlegen eines Unterdrucks erfolgen. Aufgrund des drucklosen Eingießens des Reaktivharzes in das Werkzeug ist es im Allgemeinen ausreichend, das Folienmodul in das Werkzeug einzulegen. Auf ein zusätzliches Fixieren durch einen mechanischen Niederhalter und/oder durch Anlegen eines Unterdrucks kann verzichtet werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform erfolgt das Einbetten des Folienmoduls in den Polymerträger durch einen Laminierprozess mehrerer Lagen aus polymeren Verbundwerkstoffen in einer geschichteten Anordnung. Hierbei ist zumindest ein Teil der Lagen nicht vollständig ausgehärtet.
Durch das Laminierverfahren lässt sich das Folienmodul z.B. in Leiterplatten oder auch in anderen polymeren Verbunden aus Reaktionsharzen mit Verstärkungselementen einbetten. Geeignete Verstärkungselemente sind z.B. Fasern, Fasergelege oder Platelets. Zum Lami- nieren werden die nicht vollständig ausgehärteten Lagen und gegebenenfalls auch die ausgehärteten Lagen der polymeren Verbundwerkstoffe in geeigneter Geometrie sowie das Folienmodul in ein Werkzeug eingelegt und unter Anwendung von mechanischem Druck und/oder durch Erwärmung dauerhaft miteinander verbunden.
Geeignete Polymere für Polymerträger, in die die Einbettung des Folienmoduls durch den Spritzgussprozess erfolgt, sind z.B. Thermoplaste oder andere spritzgießbare Polymere oder Precursoren von Polymerträgern. Geeignete Thermoplaste sind zum Beispiel teilaromatische oder aliphatische Polyamide, Polyester, vorzugsweise Polybutadienterephthalat (PBT) oder Polyethylenterephthalat (PET), Polyolefϊne, vorzugsweise Polypropylen (PP) oder Polyethy- len (PE), Polyetherimide, Polyoximethylen, flüssigkristalline Polymere (LCP), Polycarbonat, Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS) und Polytetrafluorethylen (PTFE). Derartige Precursoren sind z.B. Monomere von Reaktivharzen, die in der Spritzgießmaschine zusammengemischt und anschließend in das Werkzeug eingespritzt werden. Die Aushärtung zu Duroplasten, vorzugsweise Epoxidharzen, Polyestern oder Phenolharzen, erfolgt dann im Werkzeug. Auch können die Precursoren bereits teilvernetzt sein und erst die vollständige Vernetzung erfolgt im Spritzgieß Werkzeug. Weitere geeignete Polymere sind alle faserverstärkten oder mineralienverstärkten Polymere, zum Beispiel glasfaserverstärkte oder kohlenstofffaserverstärkte Polymere, sowie Polymerblends. Die Verarbeitung der Polymere zu Polymerträgern erfolgt vorzugsweise durch Spritzgießen.
Geeignete Reaktivharze, die mit dem Folienmodul verbunden werden können, sind z.B. Epoxidharze, Phenolharze, Cyanatester, Polyesterimide, Polyimide, Bismaleinimide und Bismaleinimidtriacine. Bevorzugte Epoxidharze sind Bisphenol A, Bisphenol F, Cyclo- aliphatische Epoxidharze und mehrfunktionelle Expoxidharze. Die Reaktivharze werden vorzugsweise durch Gießen oder Laminieren verarbeitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Oberflächen des Folienmoduls vor dem Einbetten in den Polymerträger durch eine Plasmabehandlung gereinigt und gegebenenfalls aktiviert. Durch die Plasmabehandlung werden Fremdstoffe von der Oberfläche des Folienmoduls entfernt, die einen negativen Einfluss auf die Haftung des Folienmoduls im Polymerträger haben können. Gegebenenfalls vorhandene Keimstellen, an denen sich das Folienmodul aus dem Polymerträger lösen könnte, werden so entfernt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil, welches ein Folienmodul, bei dem eine Folie aus einem Funktionswerkstoff in einen Isolierstoff eingebettet ist, sowie einen Polymerträger, mit welchem das Folienmodul verbunden ist, umfasst, und bei dem das Folienmodul in den Polymerträger eingebettet ist. Durch das Einbetten des Folienmoduls in den Polymerträger wird die Lebensdauer des Bauteils erhöht, da keine Klebeschicht enthalten ist, die altern kann und dadurch zu einer Ablösung des Folienmoduls vom Bauteil fuhren kann. Auch wird durch das Fehlen der Klebeschicht die Effektivität der aktuatorischen und/oder sensorischen Funktion des Folienmoduls verbessert.
In einer ersten Ausführungsform ist das Folienmodul vollständig von dem Polymerträger umschlossen. Hierdurch ist das Folienmodul vollständig in Polymerträger eingebettet und eine Ablösung des Folienmoduls vom Polymerträger kann nicht mehr erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, dass das Folienmodul an mindestens einer Seite nicht von dem Polymerträger bedeckt ist. Hierbei ist es möglich, dass das Folienmodul teilweise aus dem das Folienmodul umgebenden Polymerträger herausragt oder dass das Folienmodul und der das Folienmodul umgebende Polymerträger eine ebene Oberfläche bilden. Eine solche freie Oberfläche kann z.B. dann erforderlich sein, wenn das im Polymerträger eingebettete Folienmodul ein weiteres Bauteil direkt kontaktieren muss.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ein mit einem Polymerträger verbundenes Folienmodul gemäß dem Stand der
Technik, Figur 2 ein mit einem Polymerträger verbundenes Folienmodul in einer ersten Ausführungsform,
Figur 3 ein mit einem Polymerträger verbundenes Folienmodul in einer zweiten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Folienmodul, welches mit einem Polymerträger verbunden ist, gemäß dem Stand der Technik.
Ein Bauteil 1 umfasst einen Polymerträger 3, der mit einem Folienmodul 5 verbunden ist. Die Verbindung des Polymerträgers 3 mit dem Folienmodul 5 erfolgt mittels einer Klebeschicht 7. Für die Klebeschicht 7 kann jeder beliebige, dem Fachmann bekannte Klebstoff, mit dem sich Polymerträger verbinden lassen, verwendet werden. Das Folienmodul 5 umfasst im Allgemeinen einen Funktionswerkstoff, z.B. eine piezoelektrische Keramik, und einen Isolierstoff, z.B. eine Polymerfolie. Für das Folienmodul 5 wird der Funktionswerkstoff in den Isolierstoff eingebettet.
Der Polymerträger 3 ist z.B. ein beliebiger Thermoplast oder ein Reaktivharz. Weiterhin kann der Polymerträger 3 Fasern, Fasergelege oder Platelets enthalten.
Durch die Verbindung des Folienmoduls 5 mit dem Polymerträger 3 mit Hilfe der Klebe- schicht 7 bildet sich eine erste Grenzschicht 9 zwischen der Klebeschicht 7 und dem Polymerträger 3 und eine zweite Grenzschicht 11 zwischen dem Folienmodul 5 und der Klebeschicht 7 aus.
Nachteil des Bauteils 1 gemäß dem Stand der Technik, wie es in Figur 1 dargestellt ist, ist, dass durch die Klebeschicht 7 zwei zusätzliche Grenzschichten 9, 11 ausgebildet werden, an denen sich das Folienmodul 5 vom Polymerträger 3 lösen kann. Zudem besteht kein direkter Kontakt zwischen dem Folienmodul 5 und dem Polymerträger 3, so dass z.B. bei Spannungsmessungen mit dem Folienmodul 5 dadurch Fehler auftreten können, dass sich das Folienmodul 5 aufgrund der Klebeschicht 7 auf dem Polymerträger 3 verschiebt.
Das Bauteil 1, den Polymerträger 3 mit dem daran befestigten Folienmodul 5 umfassend, ist in der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform mit einem Träger 13 verbunden. Der Träger 13 kann aus jedem beliebigen Werkstoff gefertigt sein. Die Verbindung des Trägers 13 mit dem Polymerträger 3 erfolgt im Allgemeinen durch ein formschlüssiges oder ein kraftschlüs- siges Verbindungsverfahren. So kann der Träger 13 mit dem Polymerträger 3 z.B. durch Verkleben oder Verschweißen verbunden sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Träger 13 und der Polymerträger 3 durch Verschrauben oder Vernieten miteinander verbunden sind.
Ebenso kann sich an das Bauteil 1 auf der Seite, auf der das Folienmodul 5 angebracht ist, ein weiteres Bauteil 15 anschließen. Das weitere Bauteil 15 kann ebenso wie der Träger 13 aus jedem beliebigen Werkstoff gefertigt sein und durch ein beliebiges formschlüssiges oder kraftschlüssiges Verbindungsverfahren mit dem Polymerträger 3 verbunden sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass anstelle des Trägers 13 und des weiteren Bauteils 15 der Polymer- träger 3 mit dem daran angebrachten Folienmodul 5 von einem beliebigen anderen Medium umgeben ist. Ein derartiges Medium kann z.B. flüssig oder gasförmig sein. In Figur 2 ist ein erfϊndungsgemäß ausgebildetes Bauteil, einen Polymerträger mit daran befestigtem Folienmodul umfassend, in einer ersten Ausführungsform dargestellt.
Bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Bauteil 20 ist ein Folienmodul 21 in einem PoIy- merträger 23 eingebettet. Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist das Folienmodul 21 so im Polymerträger 23 eingebettet, dass eine Oberfläche 25 des Folienmoduls 21 nicht von dem Polymerträger 23 bedeckt ist. In der hier dargestellten Ausführungsform ist das Folienmodul 21 so im Polymerträger 23 eingebettet, dass der Polymerträger 23 und das Folienmodul 21 eine gleichmäßige Oberfläche ausbilden.
Als Werkstoff für den Polymerträger 23 eignen sich die Leichtwerkstoffe, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. So kann der Polymerträger 23 z.B. aus einem thermoplastischen Werkstoff oder einem Reaktivharz gefertigt sein. Dabei ist jeder dem Fachmann bekannte Thermoplast und jedes dem Fachmann bekannte Reaktivharz geeignet. Bevorzugte Thermoplaste sind zum Beispiel teilaromatische oder aliphatische Polyamide, Polyester, vorzugsweise Polybutadienterephthalat (PBT) oder Polyethylenterephthalat (PET), Polyole- fϊne, vorzugsweise Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE), Polyetherimide, Polyoxi- methylen, flüssigkristalline Polymere (LCP), Polycarbonat, Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS) und Polytetrafluorethylen (PTFE). Bevorzugte Reaktivharze sind Epoxidharze, Phenolhar- ze Cyanatester, Polyesterimide, Polyimide, Bismaleinimide und Bismaleinimidtriacine. Bevorzugte Epoxidharze sind Bisphenol A, Bisphenol F, Cyclo-aliphatische Epoxidharze und mehrfunktionelle Expoxidharze.
Weiterhin kann der Polymerträger 23 auch ein Verbundmaterial sein und Fasern, Fasergele- ge oder Platelets enthalten. Geeignete Fasern oder Fasergelege sind z.B. Glasfasern oder Kohlenstofffasern.
Um das Folienmodul 21 in den Polymerträger 23 einzubetten, wird z.B. das Folienmodul 21 in einem Spritzgusswerkzeug fixiert und anschließend mit dem Polymer des Polymerträgers 23 umspritzt. Das Fixieren des Folienmoduls 21 im Spritzgusswerkzeug erfolgt z.B. mit Hilfe mechanischer Niederhalter oder durch Anlegen eines Unterdrucks. Auch ist es möglich, das Folienmodul 21 z.B. in eine entsprechend geformte Vertiefung im Spritzgusswerkzeug einzulegen und anschließend mit dem Polymer zu umspritzen. In diesem Fall erfolgt die Positionierung des Folienmoduls 21 und seine Positionierung im Spritzgusswerkzeug allein aufgrund der Schwerkraft. Wenn das Folienmodul 21 mit mechanischen Niederhaltern im Spritzgusswerkzeug gehalten wird, so wird im Allgemeinen in einem ersten Schritt das Folienmodul 21 teilumspritzt, dann die mechanischen Niederhalter entfernt. Daran anschließend erfolgt das vollständige Umspritzen des Folienmoduls 21. Neben dem Einbetten des Folienmoduls 21 in den Polymerträger 23 durch ein Spritzgussverfahren ist es auch möglich, den Polymerträger 23 durch ein Laminierverfahren zu erzeugen, wobei das Folienmodul 21 während des Laminierverfahrens in den Polymerträger 23 eingebracht wird. Bei der Herstellung des Bauteils 20 durch ein Laminierverfahren werden Verbünde aus einem Polymermaterial, im Allgemeinen einem Reaktionsharz, wie Epoxydharz oder Phenolharz und Verstärkungselementen wie Fasern, Fasergelegen oder Platelets in nicht vollständig ausgehärteten Lagen beschichtet und anschließend unter Anwendung von mechanischem Druck und/oder von Erwärmung dauerhaft miteinander verbunden. Zwi- sehen den einzelnen nicht vollständig ausgehärteten Lagen können sich auch vollständig ausgehärtete Lagen befinden, die dann ebenfalls an die nicht vollständig ausgehärteten Lage anhaften.
Weiterhin ist es auch noch möglich, den Polymerträger 23 mit dem darin eingebetteten Fo- lienmodul 21 durch einen Gießprozess herzustellen, bei dem Reaktivharze in ein Gießwerkzeug eingegossen werden, in welches das Folienmodul 21 platziert wurde. Nach dem Eingießen des Reaktivharzes erfolgt eine Aushärtung des Harzes zur Erzeugung des Polymerträgers 23.
Wie das in Figur 1 dargestellte und aus dem Stand der Technik bekannte Bauteil 1 kann auch das erfindungsgemäße Bauteil 20 mit einem Träger 27 und einem weiteren Bauteil 29 verbunden sein. Auch hier erfolgt die Verbindung mit dem Träger 27 bzw. dem weiteren Bauteil 29, wie aus dem Stand der Technik bekannt, durch eine kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindung. Geeignete formschlüssige Verbindungen sind z.B. Verkleben oder Verschweißen und geeignete kraftschlüssige Verbindungen sind z.B. Verschrauben oder Vernieten. Auch ist es möglich, dass das Bauteil 20 in ein weiteres Bauteil integriert ist. In diesem Fall kann das weitere Bauteil das Bauteil 20 vollständig umschließen oder auch nur an einer Seite am Bauteil 20 anliegen. Neben der Verbindung mit einem weiteren Bauteil oder wie in Figur 2 dargestellt mit einem Träger 27 und einem weiteren Bauteil 29 ist es auch möglich, dass das Bauteil 20 von einem flüssigen oder gasförmigen Medium umgeben ist. In diesem Fall ist der Werkstoff für den Polymerträger 23 sowie für das Folienmodul 21 so auszuwählen, dass dieses gegenüber dem Folienmodul 21 und dem Polymerträger 23 inert ist.
Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauteil, einen Polymerträger und ein Folienmodul umfassend, in einer zweiten Ausführungsform. Die in Figur 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Figur dargestellten Ausführungsform dadurch, dass das Folienmodul 21 vollständig im Polymerträger 23 eingebettet ist, so dass keine Oberfläche des Folienmoduls 21 aus dem Polymerträger 23 herausragt. Um das Bauteil 20 in der Ausfuhrungsform, wie sie in Figur 3 dargestellt ist, herzustellen, wird z.B. zunächst das Bauteil, wie in Figur 2 dargestellt, erzeugt und anschließend in einen weiteren Herstellungsschritt an der freien Oberfläche 25 des Folienmoduls 21 mit einem Polymer beschichtet. Das Polymer ist dabei z.B. das gleiche Polymer, wie das, aus dem der Polymerträger 23 gefertigt ist. Es ist jedoch auch möglich, hier ein anderes Polymer einzusetzen, so dass der Polymerträger 23 aus zwei unterschiedlichen Polymeren gefertigt ist. So ist es z.B. möglich, zuerst ein Bauteil, wie es in Figur 2 dargestellt ist, durch einen Spritzgussprozess herzustellen, anschließend dieses Bauteil in ein weiteres Spritzgusswerkzeug einzulegen und in einem zweiten Spritzgussprozess an der freien Oberseite 25 des Folienmoduls 21 mit dem Polymer des Polymerträgers 23 zu überspritzen. Auch ist es möglich, zunächst das Bauteil 20, wie es in Figur 2 dargestellt ist, durch ein Laminierver- fahren zu erzeugen und anschließend das so hergestellte Laminat durch einen Gießprozess mit einem Reaktivharz zu verschließen. Bei einem Laminierprozess ist es jedoch auch möglich, sofort ein Bauteil 20, wie es in Figur 3 dargestellt ist, herzustellen. Hierzu wird vor dem Verbinden der einzelnen Lagen durch Anwendung von mechanischem Druck und/oder durch Erwärmung auf das Folienmodul 21 mindestens eine weitere Lage aus einem nicht vollständig ausgehärteten Reaktivharz, die gegebenenfalls auch Verstärkungselemente wie Fasern, Fasergelege oder Platelets enthält, aufgeschichtet.
Bei Herstellung des Polymerträgers 23 durch einen Gießprozess mit einem Reaktivharz ist es ebenso wie beim Spritzgießprozess erforderlich, zunächst ein Bauteil, wie es in Figur 2 dargestellt ist, herzustellen und anschließend die freie Oberfläche 25 in einem weiteren Schritt mit dem Reaktivharz zu bedecken.
Das erfindungsgemäß hergestellte Bauteil 20 kann z.B. in Sensoren wie Drehratensensoren oder in Steuergeräten, z.B. Pumpensteuergeräten, eingesetzt werden. Bei derartigen Senso- ren oder Steuergeräten können Funktionsbeeinträchtigungen oder Schädigungen der Elektronik aufgrund von thermomechanischer oder mechanischer Beanspruchung auftreten. Zudem ist ein Einsatz des erfindungsgemäßen Bauteils 20 auch in allen weiteren Bauteilen denkbar, die teilweise oder vollständig aus Polymerwerkstoffen gefertigt sind und bei denen Aktoren oder Sensoren in flacher Bauform verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein Folienmodul (21), bei dem eine Folie aus einem Funktionswerkstoff in einen Isolierstoff eingebettet ist, und einen Polymerträger (23) umfassend, wobei das Folienmodul (21) mit dem Polymerträger (23) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienmodul (21) direkt in den Polymerträger (23) eingebettet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbetten des Folien- moduls (21) in den Polymerträger (23) durch einen Spritzgussprozess erfolgt, wobei das Folienmodul (21) zunächst in einem Werkzeug fixiert und anschließend zur Herstellung des Polymerträgers (23) von einem Polymer umspritzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienmodul (21) im Werkzeug durch Anlegen eines Unterdruckes und/oder durch einen mechanischen Niederhalter fixiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbetten des Folienmoduls (21) in den Polymerträger (23) durch einen drucklosen Gießprozess eines Re- aktivharzes mit nachfolgender Härtung des Harzes erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, dass das Einbetten des Folienmoduls (21) in den Polymerträger (23) durch einen Laminierprozess mehrerer Lagen aus polymerem Verbundwerkstoff einer geschichteten Anordnung erfolgt, wobei zu- mindest ein Teil der Lagen nicht vollständig ausgehärtet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Folienmoduls (21) vor dem Einbetten in den Polymerträger (23) durch eine Plasmabehandlung gereinigt und gegebenenfalls aktiviert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung mit einem Sauerstoff- oder Argon-Plasma durchgeführt wird.
8. Bauteil, umfassend ein Folienmodul (21), bei dem eine Folie aus einem Funktionswerk- stoff in einen Isolierstoff eingebettet ist, sowie einen Polymerträger (23), mit welchem das Folienmodul (21) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienmodul (21) in den Polymerträger (23) eingebettet ist.
9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienmodul (21) vollständig von dem Polymerträger (23) umschlossen ist.
10. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienmodul (21) an min- destens einer Seite nicht von dem Polymerträger (23) bedeckt ist.
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