EP2839717B1 - Elektrische heizvorrichtung, bauelement sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Elektrische heizvorrichtung, bauelement sowie verfahren zu deren herstellung Download PDF

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EP2839717B1
EP2839717B1 EP13719273.8A EP13719273A EP2839717B1 EP 2839717 B1 EP2839717 B1 EP 2839717B1 EP 13719273 A EP13719273 A EP 13719273A EP 2839717 B1 EP2839717 B1 EP 2839717B1
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EP
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electrically conductive
conductive component
heating
layer
heating layer
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Andrey Prihodovsky
Walter Schütz
Stefan Forero
Alexander Ilin
Helmut Bleier
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FUTURECARBON GmbH
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    • Y10T29/49082—Resistor making
    • Y10T29/49083—Heater type

Definitions

  • the present invention relates to a component with an electrical heating device and to a method for producing a component.
  • the heating systems currently used as standard are relocatable heating foils or heating wires.
  • polyester films are usually coated with carbon pastes using standard printing processes, Cu contact strips are rolled on at a certain distance along the film strips and the whole thing is laminated in.
  • Some of the flexible material can be purchased on rolls.
  • Heating foils are relatively easy to manufacture, but the restriction to rectangular surfaces and the difficulty of being able to heat complex curved surfaces have a disadvantageous effect.
  • Heating wires are usually laid in a meandering shape so that they fill the area to be heated. This results in the possibility of being able to heat any surfaces, even complex curved / shaped, relatively homogeneously by cleverly laying the wire.
  • a disadvantage is that each new surface geometry requires a separate design.
  • the heating system is designed as a type of parallel connection.
  • these heating systems are only suitable for use on slightly curved, two-dimensional surfaces.
  • the contacting of the heating layer consists of thin metal foils.
  • the WO 01/89265 discloses an electrical resistance heating element having a metal oxide layer with electrical resistance applied directly to a conductive metal substrate.
  • the GB 2 344 042 relates to a method for manufacturing electrical resistance heating elements.
  • the WO 98/51127 describes the manufacture and use of resistance heaters.
  • the DE 10 2009 034 307 discloses a method for producing a high-temperature heater and such a high-temperature heater in which a layer that generates heat when a current flows is provided on a carrier material.
  • the WO 2007/089118 relates to a heating element that uses carbon nanotubes.
  • the WO 2012/159608 describes a composite structure with an ice protection device for an aircraft component for forming a structural element of an aircraft and a production method therefor.
  • the present invention is based on the object of providing a component which has an electrical heating device with which the aforementioned disadvantages can be avoided. Furthermore, a correspondingly improved production method is to be provided.
  • a fundamental feature of the present invention is that a thermal spraying process is used to produce at least one electrically conductive component and to arrange it on the heating layer.
  • Another fundamental feature of the present invention is in particular an electrical heating system with current flow perpendicular to the layer plane and / or with current flow in the direction of the layer plane, which consists of at least one heating layer and at least one electrically conductive component, such as a contacting layer, generated for example by arc spraying , as well as an automatable process for its production.
  • the present invention realizes a new type of construction for an electrical heating system, which is distinguished and distinguished in particular by the following specifications from already existing electrical heating systems:
  • the current flow in the heating system according to the invention takes place in a kind of parallel connection, i.e. perpendicular to the surface the heating layer, and / or in the direction of the plane of the surface of the heating layer.
  • the heating layer is contacted by at least one, for example area-wide, electrically conductive component, for example a contacting layer, which is preferably produced by arc spraying.
  • the heating system according to the invention can be produced on any shaped, complex three-dimensional, for example curved, surface.
  • the heating system according to the invention has a, in comparison with existing Heating systems, high insensitivity to damage.
  • the temperature distribution of the heating system according to the invention is very homogeneous over the entire heating surface. Furthermore, a corresponding production method for such a heating system is specified, which is characterized in particular by the fact that it can be automated to a high degree.
  • a component which has an electrical heating device and a substrate element on which the electrical heating device is arranged, the electrical heating device having at least one first electrically conductive component, at least one heating layer and at least one second electrically conductive component comprises, wherein the first electrically conductive component and / or the second electrically conductive component (a) multilayer system (s) is / are, which is / are thermally sprayed, is / are arranged on the heating layer and a first metallic layer of a Spray material, which has a melting temperature that is a maximum of 300 ° C above the temperature load of the substrate element, and a layer of a further spray material selected from one of copper, brass and aluminum, the heating layer at least partially carbon-based Heating layer out forms and wherein the substrate element is a temperature-sensitive and / or foamed thermoplastic polymer.
  • a multilayer system (s) is / are, which is / are thermally sprayed, is / are arranged on the heating layer and a first metallic layer of a Spray material, which
  • the term arrangement also includes that the conductive component (s) are applied to the heating layer, or else are connected to it.
  • This aspect of the invention particularly relates to the combination of thermal spraying and the heating layer.
  • thermal spraying is a surface coating process.
  • additional materials are melted, partially melted or melted inside or outside a spray gun.
  • the melted particles are accelerated and applied to the surface of the component to be coated, for example spun on.
  • the component surface is not melted and only thermally stressed to a very small extent.
  • the electrically conductive components and the heating layer can be arranged in relation to one another in such a way that a current flow perpendicular to the plane of the heating layer and / or in the direction of the plane of the heating layer is or can be implemented.
  • the electrically conductive components lie in the simplest embodiment on the edges, that is to say the edges, of the heating layer.
  • the heating layer is in particular a heatable coating. If necessary, however, strip-shaped, electrically conductive components can also be attached somewhere within the heating layer.
  • the electrically conductive components for example the electrodes, can be provided over the entire surface below and above the heating layer, so that the electrically conductive components only have to overcome the distance specified by the thickness of the heating layer.
  • An electrical heating device described herein is a device by means of which components that are in contact with the heating device can be heated.
  • the heating device is designed as an electrical heating device. This means that the heating device is operated electrically, with heat being generated in particular due to a current flow.
  • a first and a second electrically conductive component are provided, via which this current flow is realized.
  • the electrically conductive components can for example be metallic, for example as metal layers.
  • a heating layer is also provided, which is designed as a carbon-based heating layer at least in some areas. The invention is not limited to specific embodiments of the electrically conductive components and the heating layer. Some preferred but not exclusive exemplary embodiments are described in more detail below.
  • the electrically conductive components and the heating layer are arranged in a special way. According to the invention, these are arranged in relation to one another in such a way that a current flow perpendicular to the plane of the heating layer and / or in the direction of the plane of the heating layer is or can be realized. This means that a kind of parallel connection is implemented. How this can be done in detail is explained in more detail in the further course of the description using preferred but not exclusive examples.
  • the first electrically conductive component is preferably designed as an electrically conductive contacting layer and / or as an electrically conductive, in particular three-dimensional substrate element.
  • the electrically conductive component can be designed as a metal layer. If the component is designed as a contacting layer, it can be applied, for example, to a substrate element, as described herein. In another configuration, the component itself can be designed as such a substrate element.
  • a substrate element is in particular a carrier element which is suitable for carrying an electrical heating device. In principle, such a substrate element is not restricted to specific sizes and / or shapes.
  • the second electrically conductive component can be designed as an electrically conductive contact-making layer.
  • such an electrically conductive contact-making layer can be embodied in one or more layers. It is only important that the contact-making layer is electrically conductive.
  • One way of specifically reducing mechanical stresses (especially those that occur due to the different coefficients of thermal expansion during manufacture or operation) between the functional layers of the heating device and thus increasing the service life of the heating system is to use the, for example, metallic, contact layers as a multilayer system build from different materials. By selecting suitable materials, both good electrical contact and targeted voltage reduction can be guaranteed.
  • An example is here System made up of the materials copper and zinc or a system made up of the materials copper, tin and zinc.
  • the first electrically conductive component and / or the second electrically conductive component can preferably be designed to cover the entire area. Area-wide means in particular that the contact elements cover or cover at least a partial area of the heating surface.
  • first electrically conductive component and / or the second electrically conductive component can be designed in the form of an electrically conductive contacting pattern.
  • the invention is not limited to specific types and types of patterns. For example, a strip-shaped pattern can be implemented.
  • the contacting layers can be generated or designed as a type of pattern, for example in a meandering manner. This increases the flexibility of the heating system described herein. Furthermore, any differences in the thermal expansion coefficients can be compensated for by this contacting and the resulting mechanical stresses between the functional layers can be reduced or avoided.
  • the functional layers are then in particular the heating layer and the two electrically conductive contacting layers.
  • the electric current can flow between the metal contacts, for example, parallel to the plane of the heating layer.
  • the metal contacts can have, for example, contacting patterns in the form of a comb structure. Current flows here between the webs.
  • a simple variant provides two parallel contacts. Contacts arranged in a ring shape can also be provided.
  • electrically conductive components for example contacting layers, can be designed as rigid or flexible arched / archable surfaces. Floating contacts are also possible.
  • the contacts are parallel. These don't have to be straight. Contacts can be placed under or over the heating layer. Any other geometric arrangement of the contacts requires a local adjustment of the layer thickness of the heating layer, but this is entirely possible, especially with modern printing processes.
  • At least one first and at least second electrically conductive component can be designed as an electrode, the electrodes having different potential levels.
  • a particular embodiment of the invention relates to coatings with a current flow parallel to the layer plane, that is to say in the direction of the layer plane.
  • no full-area electrodes are applied, for example sprayed, but electrode patterns, for example electrode strips.
  • a rectangular area can be equipped by making contact with opposite edges.
  • More complicated surfaces for example surfaces curved in one or two directions with straight or curved edges, can be equipped with optimized electrodes.
  • more than two potential levels are also possible, for example in order to be able to control the specific power independently of one another in different parts of an area.
  • the optimum position and potential level for the electrodes can be determined through experiments and / or simulations.
  • ring-shaped electrodes can also be inserted into this arrangement.
  • Another possible solution can be implemented by two or more electrodes in regular, for example, comb-like geometries. In each of the aforementioned cases, the current flows within the layer plane, i.e. parallel to it, from one electrode to the other.
  • At least one first electrically conductive component and / or at least one second electrically conductive component can preferably be designed in such a way that different temperature ranges and / or heating zones can be or can be implemented in the heating layer.
  • One advantage that results from this embodiment is that the arrangement of the conductive components can influence the flow of heating current in such a way that different temperature ranges or heating zones can be implemented in the surface to be heated.
  • the heating layer is designed at least in some areas as a carbon-based heating layer, in particular as a heating layer based on carbon nanomaterial or carbon micromaterial, for example in the form of a coating or an impregnation. It is also conceivable that some kind of composition of carbon materials with carbon nanomaterials is used. Depending on the configuration, such heating layers consist in particular of a corresponding binder matrix and a carbon formulation tailored to the particular application. Due to the excellent conductivity, high heating outputs can be achieved with harmless low voltage, and in addition, uniform heat radiation can be achieved without so-called hot spots. For example, it can be provided that the heating layer is designed as a plastic doped with carbon material, for example as a polymer doped with carbon nanoparticles.
  • the first electrically conductive component, the heating layer and the second electrically conductive component can be formed like a sandwich.
  • Conductive components designed as conductive contacting layers then serve as area-wide contacting of the heating layer.
  • the sandwich-shaped heating created in this way is characterized in particular by the fact that it can be used on any surface geometry and topology, i.e. also on three-dimensional structures, can be generated. This makes it possible to homogeneously heat even complex-shaped components and structures.
  • the first electrically conductive component, the heating layer and the second electrically conductive component can preferably be connected to one another in such a way that a current flow perpendicular to the coating plane of the heating device, in particular the heating layer, is or can be realized and / or that the first electrically conductive component, the heating layer and the second electrically conductive component are connected to one another in such a way that the electrically conductive components are provided on the sides of the heating layer. In this case, the current flows in the direction of the plane of the heating layer.
  • the contacting of the heating layer by the application of contacting surfaces takes place only on the sides of the surface to be heated.
  • the possibility of providing pipes or pipe-like structures on the inside with a heating layer and of applying the contacting of this heating layer to the open ends of this pipe This allows such structures to be heated easily and efficiently.
  • the first electrically conductive component and / or the second electrically conductive component can preferably have a graded structure.
  • the first electrically conductive component and / or the second electrically conductive component can preferably be applied to the heating layer by means of an application method, in particular by means of an arc spray method to be upset.
  • Arc spraying is a thermal spraying process.
  • other thermal spraying processes can also be used according to the present invention in addition to the arc spraying process.
  • all thermal spraying methods are suitable for producing the electrically conductive component (in particular the first and / or second conductive component, such as the first and / or second contacting layer) of the heating devices described herein and / or the component according to the invention (i.e.
  • the heating system according to the invention insofar as they can be used to process metallic materials and thus produce metallic layers on different substrates (in particular the heating layer of the heating devices described herein and / or the substrate element of the component according to the invention or substrates on which the heating layer or the substrate element is based).
  • substrates in particular the heating layer of the heating devices described herein and / or the substrate element of the component according to the invention or substrates on which the heating layer or the substrate element is based.
  • electrically conductive spray materials in particular are continuously fed to one another at a certain angle. After ignition, an arc burns between the spray materials and melts the spray material.
  • arc spraying is characterized in that two wires are melted inside the so-called spray torch by means of an arc (which can be generated in particular by applying an electric current).
  • the molten particles produced in this way are accelerated by a stream of carrier gas and, after the flight phase, hit the substrate surface to be coated, where the metallic layer is formed by the solidification of the particles.
  • the adhesion mechanism can for the most part be based on mechanical clamping, but in part also on partial welding of the substrate surface and the layer-forming metal particles.
  • the temperature of the molten particles depends on the melting temperature of the material (i.e. spray material) used and to be sprayed during thermal spraying (especially arc spraying) and on the process parameters used and has a direct influence on the temperature load for the substrate to be coated.
  • the process parameters are advantageously set in such a way that damage or destruction of the substrate used (in particular the heating layer of the heating devices described herein and / or the substrate element of the component according to the invention or substrates on which the heating layer or the substrate element is based) during production and / or arrangement the first and / or second conductive component (such as the first and / or second contacting layer) of the heating devices described herein and / or of the component according to the invention is avoided.
  • the process parameters are set in such a way that the temperature load on the substrate remains minimal, in particular that the temperature of the substrate during thermal spraying (in particular arc spraying) is a maximum of 200 ° C (such as ⁇ 195 ° C, ⁇ 190 ° C, ⁇ 185 ° C, ⁇ 180 ° C, ⁇ 175 ° C, ⁇ 170 ° C, ⁇ 165 ° C, ⁇ 160 ° C, ⁇ 155 ° C, ⁇ 150 ° C).
  • Further process parameters that can have an influence on the temperature load of the substrate are the strength of the electric current (with the help of which the arc is generated), the pressure of the carrier gas, the speed of travel (i.e.
  • a low current strength for example 30-100 A, such as 30-95 A, 30-90 A, 30-80 A, 35-75 A, 40-70 A, 45-70 A
  • a medium carrier gas pressure are used for thermal spraying (e.g. 1.0 - 3.0 bar, such as 1.1 - 2.9 bar, 1.2 - 2.8 bar, 1.3 - 2.7 bar, 1.4 - 2.6 bar, 1, 5 - 2.5 bar)
  • a high traversing speed e.g.
  • ⁇ 450 mm / s such as ⁇ 460 mm / s, ⁇ 470 mm / s, ⁇ 480 mm / s, ⁇ 490 mm / s, ⁇ 500 mm / s, ⁇ 510 mm / s, ⁇ 520 mm / s, ⁇ 530 mm / s, ⁇ 540 mm / s, ⁇ 550 mm / s, ⁇ 560 mm / s, ⁇ 570 mm / s, ⁇ 580 mm / s, ⁇ 590 mm / s, ⁇ 600 mm / s) and a spray distance in the range of 50 - 400 mm (e.g.
  • 60 - 390 mm such as 70 - 380 mm, 80 - 360 mm, 90 - 350 mm, 100 - 300 mm, 105 - 290 mm, 110 - 280 mm, 120 - 270 mm, 125 - 260 mm, 130 - 250 mm) are used.
  • the production and / or arrangement of the first and / or second conductive component (such as the first and / or second contact-making layer) of the heating devices described herein and / or the component according to the invention can at an amperage of 30 - 80 A, a carrier gas pressure of 1.5 - 2.5 bar, an overrun speed of> 500 mm / s and a spray distance of 100 - 300 mm.
  • the layer morphology and properties of the layers (in particular metallic layers) produced on the substrate (in particular the heating layer of the heating devices described herein and / or the substrate element of the component according to the invention) by thermal spraying (in particular arc spraying) can furthermore be achieved through the use of various types of carrier gas (for example compressed air , Nitrogen, argon) and / or different nozzle geometries of the spray gun. Special nozzle geometries also enable the use of a so-called secondary gas flow, which mainly affects the size and speed of the molten spray particles.
  • carrier gas for example compressed air , Nitrogen, argon
  • metallic layers with graded properties can advantageously be produced (that is to say produced and / or arranged) on various substrates.
  • first and / or second conductive component such as the first and / or second contacting layer
  • the functional layers of the heating devices described herein and / or the component according to the invention it is possible in a targeted manner reduce mechanical stresses (in particular those that occur due to the different coefficients of thermal expansion during manufacture or operation) between the functional layers of the heating devices described herein and / or the component according to the invention and thus increase the service life of the heating devices described herein and / or the component according to the invention .
  • a particular advantage of the thermal spraying process is the possibility of combining two different spraying materials and thus creating so-called pseudo-alloys.
  • multi-layered layers like the first and / or second conductive component, in particular the first and / or second contacting layer, the heating devices described herein and / or the component according to the invention
  • a smooth transition of the properties between the individual materials such as, for example, between the substrate element and the first conductive component and / or between the first and / or second conductive component and the heating layer).
  • a layer system made of the spray materials copper and zinc is mentioned as an example.
  • a layer of zinc is created as the first layer. This has the function of relieving occurring mechanical stresses.
  • the second layer consists of a so-called pseudo-alloy made of zinc and copper. This is generated (that is, produced and / or arranged) by using different types of spraying materials (for example a wire made of one metal or an alloy and another wire made of another metal or another alloy) at the same time during thermal spraying.
  • a zinc wire and copper wire can be used at the same time to produce a layer of a pseudo-alloy of zinc and copper.
  • a copper layer is created as the third layer of the layer system. In this way, good electrical contact can be guaranteed. It is of course also possible to build up multi-layer systems in this way, which consist of three or more sprayed materials (for example a multi-layer system of one layer each of Zn, Sn and Cu).
  • all conductive materials are suitable as spray materials that can be used in the thermal spray process (in particular the arc spray process), especially those that can be in wire form, such as corresponding metals (for example copper, zinc, tin, aluminum, silver ) or corresponding alloys (e.g. brass).
  • corresponding metals for example copper, zinc, tin, aluminum, silver
  • corresponding alloys e.g. brass
  • Materials that have a high electrical conductivity, such as copper, brass, aluminum or silver, are of course advantageous.
  • the layer thicknesses of the layers produced (that is to say produced and / or arranged) by thermal spraying are in the range of 0.05-0.5 mm.
  • the flexibility of the overall system can also be influenced in this way.
  • Both electrically conductive and electrically insulating materials are suitable as substrates for thermal spraying (especially arc spraying).
  • Electrically conductive materials can be steel, aluminum or copper, for example.
  • Thermoplastic or thermosetting polymers or ceramic materials can be used as electrically insulating materials.
  • the thermal spraying process in particular the arc spraying process
  • the thermal spraying process also allows comparatively low-melting, temperature-sensitive and / or foamed thermoplastic polymers (such as polypropylene (PP), expanded polypropylene (EPP), polystyrene (PS), expanded polystyrene (EPS)) can be provided with metallic layers.
  • PP polypropylene
  • EPP expanded polypropylene
  • PS polystyrene
  • EPS expanded polystyrene
  • the substrate element is a temperature-sensitive and / or foamed thermoplastic polymer.
  • the procedure for coating such temperature-sensitive substrates consists in producing a first metallic layer from a spray material that has a melting temperature of a maximum of 300 ° C (e.g. a maximum of 290 ° C, a maximum of 280 ° C, a maximum of 270 ° C, a maximum of 260 ° C , maximum 250 ° C, maximum 240 ° C, maximum 230 ° C, maximum 220 ° C, maximum 210 ° C, maximum 200 ° C) is above the temperature load of the substrate (e.g. zinc; melting temperature: 419.5 ° C).
  • This first layer serves to protect the substrate material from further temperature effects.
  • a layer of any desired metallic spray material eg copper; melting temperature: 1084.6 ° C.
  • a layer of any desired metallic spray material can be produced on this first metallic layer will.
  • the heat of the molten spray particles from the second spray material striking the substrate is absorbed and homogenized by the first metallic layer, thereby avoiding thermal damage to the actual substrate material.
  • This procedure also makes it possible to build up multi-layer systems as described above.
  • the first electrically conductive component and / or the second electrically conductive component (a) multilayer system (s) which is / are thermally sprayed is / are arranged on the heating layer and a first metallic layer made of a spray material which has a melting temperature which is a maximum of 300 ° C. above the thermal load of the substrate element, and a layer made of a further spray material selected from one of copper, brass and aluminum.
  • the structure of the heating device described here in particular with superimposed functional layers in the form of contacting layers and a heating layer, different design variants are possible, for example a flexible film-based heating system, a direct structure of the heating system on non-electrically conductive structures with complex three-dimensional geometries, or a direct structure of the heating system on electrically conductive structures with complex three-dimensional geometries.
  • the present invention relates in particular to the combination of thermally sprayed contacts and a heatable coating.
  • One embodiment of the invention relates to the current flow perpendicular to the plane of the layer.
  • the substrate element can preferably be designed as a three-dimensional structure. Any three-dimensional structures, including complex three-dimensional structures, can thus be heated.
  • the heating device described herein can be built up on a substrate element in the form of a film-like carrier material.
  • the advantage of this design is that a flexible heating system can be generated in this way, which can be individually adapted to the respective application.
  • polymer films are primarily used as substrate films Consideration.
  • a metallic foil as the carrier material. In this case, there is no need to build up a first contact-making layer, since the electrically conductive substrate itself can function as a full-area contact.
  • the advantage over conventional heating foils is that the heating system can be produced in any surface of any shape and the heating system according to the invention can also be produced in this embodiment as rolled goods, which can be produced by cutting into the desired shape can be brought. Due to the flexibility of the heating system, two-dimensionally curved structures can be heated.
  • the heating device described herein is built up directly on a solid, non-conductive support structure, for example a plastic component.
  • a solid, non-conductive support structure for example a plastic component.
  • the first electrically conductive component of the heating device can be designed as a substrate element of the component.
  • This exemplary embodiment results, for example, from the use of electrically conductive structures or components as supports for the heating device described herein. This results in the possibility of using the carrier structure itself for introducing current, in particular for making contact, into the heating layer. This significantly reduces the manufacturing effort, since only one contact layer has to be produced.
  • the direct contact of the heating system with the component to be heated enables optimal heat transfer, which prevents heat losses and increases the overall energy efficiency of the heating.
  • the method is preferably designed to produce a component according to the invention as described above, so that reference is made and referenced in full to the corresponding statements above.
  • the first electrically conductive component can preferably be applied to a substrate element, in particular by means of an application process, preferably by means of a thermal spray process, such as an arc spray process, in particular an arc spray process, as described above for the heating devices described herein.
  • a contacting layer for example a metal layer, is applied to any carrier substrate that is a temperature-sensitive and / or foamed thermoplastic polymer.
  • the substrate element itself, to which the heating device is applied and which is a temperature-sensitive and / or foamed thermoplastic polymer can be designed as an electrically conductive component.
  • the heating layer here a layer that can be heated by an electric current, can preferably be applied to the first electrically conductive component by means of an application method, in particular by means of a spray method, a roll method or a doctor blade method.
  • the second electrically conductive component can be applied to the heating layer by means of an application process, in particular by means of a thermal spray process, for example an arc spray process, in particular an arc spray process, as described above for the heating devices described herein.
  • high-temperature electrical contacts can be applied at room temperature.
  • Many other electrical contacts are not suitable for high temperatures (e.g. 500 ° C) because they are glued on, for example, and the adhesive used does not have sufficient temperature resistance.
  • Other solutions for example inorganic-based conductive varnishes, have to be sintered at high temperatures in order to achieve their properties.
  • the thermally sprayed contacts are stable up to very high temperatures, but can be applied at room temperature. The process is of particular interest for high-temperature applications when contacts can no longer be glued on or when conductive pastes cannot be burned in at 600-900 ° C. In the present case, high-temperature contacts can be applied at room temperature, which is a considerable advantage. Good adhesion exists over the entire temperature range.
  • the figures show a component 10 according to the invention which has a substrate element 11.
  • the component also has an electrical heating device 20.
  • the electrical heating device 20 has a first conductive component 21 in the form of a contacting layer, a heating layer 22, and a second conductive component 23 in the form of a contacting layer.
  • the heater 20 described herein is built up through a sequence of coating operations.
  • the functionality is achieved through the combination of at least one heating layer 22 based on polymers doped with carbon nanoparticles and contacting this heating layer 22 with at least one second conductive component 23 applied over the entire area in the form of a metal layer.
  • arc spraying which belongs to the group of thermal spraying processes, is used to produce this metallic contact-making layer.
  • a first electrically conductive component 21, for example a metallic contacting layer is applied to any substrate element 11, for example a carrier substrate, by means of arc spraying.
  • a coating that can be heated by an electric current, the heating layer 22 is applied to the conductive component 21 produced.
  • This heating layer 22 can be applied by various application methods, such as spraying, rolling or knife coating, for example.
  • a second conductive component 23, for example a metallic contact-making layer 23 is applied to the heating layer 22.
  • the procedural steps are in Figure 1 shown.
  • the contacting layers produced serve as area-wide contacting of the heating layer 22.
  • the sandwich-shaped heating produced in this way in which a current flow is ensured across the component surface, is characterized in that it can be generated on any surface geometry and topology, including three-dimensional structures. This makes it possible to homogeneously heat even complex-shaped components and structures, as exemplified in Figure 2 is shown.
  • the heating device described herein is built up on a film-like substrate element 11 as a carrier material.
  • the advantage of this design is that a flexible heating system can be generated in this way, which can be individually adapted to the respective application.
  • polymer films are particularly suitable as substrate films.
  • a metallic foil as the carrier material.
  • the first method step that is to say the construction of the first electrically conductive component, is omitted, since the electrically conductive substrate itself can function as a full-surface contact.
  • the first conductive component 21, the heating layer 22 and the second conductive component 23 are then applied one after the other to the substrate element 11.
  • the advantage over conventional heating foils is that the component 10, as a heating system, can be produced in any surface of any shape; on the other hand, the heating system according to the invention in this embodiment can also be produced as rolled goods, which can be brought into the desired shape by cutting. Because of the flexibility of the heating system, two-dimensionally curved structures can thus be heated.
  • the heating device 20 described herein is built up directly on a solid, non-conductive support structure which represents the substrate element 11, for example a plastic component.
  • the structure is analogous to the exemplary embodiment in Figure 3 So a total of 3 layers are produced on the substrate element 11 as a carrier structure.
  • the component 10 which can be a heating system, can be produced directly on complex, three-dimensionally shaped structures or components. This enables a very high degree of adaptability to a wide variety of applications and represents a considerable advantage over all heating systems available on the market.
  • FIG. 5 Another embodiment shown in Figure 5 is shown, results from the use of electrically conductive structures or components as substrate element 11 for the heating device 20 described herein. This results in the possibility of using the substrate element 11 itself as an electrically conductive component 21 for introducing current or contacting the heating layer 22. This significantly reduces the production effort, since only one electrically conductive component 23 has to be produced.
  • the electrically conductive components for example the metallic
  • Contacting layers are produced as a type of pattern, for example in a meandering manner.
  • Various embodiments are shown in Figure 6 shown. This increases the flexibility of the heating device described herein. Furthermore, any differences in the thermal expansion coefficients can be compensated for by this contacting and the resulting mechanical stresses between the functional layers can be reduced or avoided.
  • Another advantage that results from this embodiment is that the arrangement of the contact surfaces can influence the flow of heating current in such a way that different temperature ranges or heating zones can be implemented in the surface to be heated.
  • the heating layer 22 is contacted by spraying on electrically conductive components 21, 23 in the form of contacting surfaces by means of arc spraying only on the sides of the surface to be heated in the form of a substrate element 11.
  • a corresponding example is given in Figure 7 shown.
  • the metallic contact-making layers in a graded manner. This means that through a targeted selection of the process parameters during thermal spraying of the contact layers, the properties, for example pore size, number of pores, of the resulting metallic layer can be set in such a way that mechanical stresses can be compensated.
  • Another possibility to specifically reduce mechanical tensions between the functional layers and thus to increase the service life of the heating system is to build up the metallic contact layers as a multi-layer system made of different materials.
  • suitable Materials By choosing suitable Materials, both good electrical contact and targeted voltage reduction can be guaranteed.
  • One example is a system made from the materials copper, tin and zinc. An example of this is in Figure 8 shown.
  • a comb structure is shown.
  • the current flows between the bars.
  • Such a configuration is suitable, for example, for large areas, floors, walls, mold construction, machine / tool construction.
  • the heating layer can also be drawn beyond the web ends to the corresponding conductive component, which is, for example, a counter electrode, so that the area between the electrically conductive components, which are electrodes, for example, is completely coated.
  • Figure 10 shows a simple variant with two parallel contacts. Such a configuration is suitable for small to medium-sized areas, automobiles, aerospace, mold construction, machine / tool construction.
  • Figure 11 shows a variant with ring-shaped contacts.
  • the current flows between the two ring electrodes.
  • This configuration is suitable, for example, for vessels, machine / tool construction. However, it does not have to be a ring. A full circle can also be used.
  • Figure 12 shows a variant with rigid or flexible arched / archable surfaces, such as sheets, foils, textiles and the like. This configuration is suitable, for example, for applications in connection with the Figures 9 to 13 are described. If you think further about this exemplary embodiment, you can also imagine, for example, a tube contacted at both ends or lengthways, for example by rolling it up.
  • FIG 13 a variant with "floating" contacts for potential distribution on more complex surfaces is shown. Such a configuration can be used, for example, for floors in vehicles, for example rail vehicles, shipping, and the like. At the in Figure 13 The illustrated embodiment can also be applied to the floating contacts.
  • a requirement with a uniform thickness of the heating layer is that the contacts are parallel. These don't have to be straight. Contacts can be placed under or over the heating layer. Any other geometric arrangement of the contacts requires a local adjustment of the layer thickness of the heating layer, but this is entirely possible with modern printing processes.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer elektrischen Heizvorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils.
  • Gegenwärtig findet sich auf dem Markt eine ganze Reihe von Herstellern und Anbietern von Heiztechnologien für flächige Anwendungen. Die Anwendungsgebiete von elektrischen Flächenheizungen sind sehr vielfältig und erstrecken sich unter anderem über die Industriebereiche Automotive-, Medizin- und Elektrotechnik. Auch im Bereich der Haustechnik werden Flächenheizungen, beispielsweise als Wand- oder Fußbodenheizung, eingesetzt.
  • In der Regel handelt es sich bei den derzeit standardmäßig eingesetzten Heizsystemen um verlegbare Heizfolien oder Heizdrähte. Im ersten Fall werden üblicherweise Polyesterfolien über Standarddruckverfahren mit Kohlenstoffpasten beschichtet, Cu-Kontakt-Bahnen in einem bestimmten Abstand entlang der Folienbahnen aufgewalzt und das Ganze einlaminiert. Das flexible Material kann zum Teil als Rollenware bezogen werden. Heizfolien sind verhältnismäßig einfach in der Herstellung, die Beschränkung auf rechteckige Flächen und die Schwierigkeit, komplex gewölbte Flächen beheizen zu können, wirken sich jedoch nachteilig aus.
  • Heizdrähte werden im Normalfall mäanderförmig verlegt, so dass sie die zu beheizende Fläche ausfüllen. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, beliebige Flächen, auch komplex gewölbte/geformte, durch geschickte Verlegung des Drahtes verhältnismäßig homogen beheizen zu können. Ein Nachteil ist, dass jede neue Flächengeometrie ein gesondertes Design erfordert.
  • Der große Nachteil der genannten Verfahren liegt in der Art des Stromflusses begründet. Sowohl bei Heizfolien als auch bei auf Heizdrähten basierenden Systemen erfolgt der Stromfluss durch die Heizschicht beziehungsweise die Heizdrähte seriell also in einer Art Reihenschaltung. Bei einem auf einem Heizdraht basierenden Heizsystem bedeutet dies den Komplettausfall des Heizsystems im Fall einer Beschädigung, etwa Bruch, des Heizdrahts. Bei Heizfolien ergibt sich durch diese Art des Stromflusses eine erhebliche Einschränkung der mit dem Heizsystem realisierbaren Geometrien. Die Länge des Stromwegs muss über die gesamte Heizfläche des Heizsystems konstant gehalten werden, da sich ansonsten Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung ergeben. Dies bedeutet, dass mit Heizfolien nur einfache Geometrien, in der Regel rechteckförmig, realisiert werden können, beziehungsweise die Realisierung von komplexeren Geometrien mit einem erheblichen Designaufwand verbunden ist.
  • Weiterhin existieren folienartige Heizsysteme, bei denen der Stromfluss wie bei der vorliegenden Erfindung senkrecht zur Dicke der Heizschicht erfolgt, das Heizsystem also als eine Art Parallelschaltung ausgebildet ist. Diese Heizsysteme sind jedoch nur für die Anwendung auf wenig gekrümmten, zweidimensionalen Flächen geeignet. Bei den genannten bestehenden Heizsystemen besteht die Kontaktierung der Heizschicht aus dünnen Metallfolien.
  • Die WO 01/89265 offenbart ein elektrisches Widerstandsheizelement mit einer direkt auf ein leitfähiges Metallsubstrat aufgetragen Metalloxidschicht mit elektrischem Widerstand. Die GB 2 344 042 betrifft ein Verfahren zum Herstellen von elektrischen Widerstandsheizelementen. Die WO 98/51127 beschreibt die Herstellung und Verwendung von Widerstandsheizungen. Die DE 10 2009 034 307 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperaturheizung sowie eine solche Hochtemperaturheizung, bei der auf einem Trägermaterial eine bei Stromfluss Wärme erzeugende Schicht vorgesehen ist. Die WO 2007/089118 betrifft ein Heizelement, das Kohlenstoffnanoröhrchen ("carbon nanotubes") verwendet. Die WO 2012/159608 beschreibt eine Verbundstruktur mit Eisschutzvorrichtung für ein Luftfahrzeugbauteil zum Bilden eines Strukturelements eines Luftfahrzeuges sowie eine Herstellungsverfahren dafür.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil, das eine elektrische Heizvorrichtung aufweist, bereitzustellen, mit der die genannten Nachteile vermieden werden können. Weiterhin soll ein entsprechend verbessertes Herstellungsverfahren bereitgestellt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Bauteil mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem der genannten Erfindungsaspekte beschrieben sind, stets auch im Zusammenhang mit den jeweils anderen Erfindungsaspekten, so dass das zu einem Erfindungsaspekt Gesagte vollumfänglich auch im Zusammenhang mit den anderen Erfindungsaspekten gilt. Hinsichtlich der Offenbarung zu einem der Erfindungsaspekte wird somit vollinhaltlich auch auf die Offenbarung zu den anderen Erfindungsaspekten Bezug genommen und verwiesen.
  • Ein grundlegendes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein thermisches Spritzverfahren verwendet wird, um wenigstens eine elektrisch leitfähige Komponente herzustellen und an der Heizschicht anzuordnen. Ein weiteres grundlegendes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein elektrisches Heizsystem mit Stromfluss senkrecht zur Schichtebene und/oder mit Stromfluss in Richtung der Schichtebene, das aus mindestens einer Heizschicht und mindestens einer, beispielsweise durch Lichtbogenspritzen erzeugten, elektrisch leitfähigen Komponente, etwa einer Kontaktierungsschicht, besteht, sowie ein automatisierbares Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Vor diesem Hintergrund wird durch die vorliegende Erfindung ein neuartiger Aufbau für ein elektrisches Heizsystem realisiert, welches sich insbesondere durch folgende Spezifikationen gegenüber bereits bestehenden elektrischen Heizsystemen auszeichnet und abgrenzt: Der Stromfluss erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Heizsystem insbesondere in einer Art Parallelschaltung, also senkrecht zu der Fläche der Heizschicht, und/oder in Richtung der Ebene der Fläche der Heizschicht. Die Kontaktierung der Heizschicht erfolgt durch mindestens eine, beispielsweise flächendeckende, elektrisch leitfähige Komponente, beispielsweise eine Kontaktierungsschicht, welche bevorzugt durch Lichtbogenspritzen erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Heizsystem kann auf einer beliebig geformten, komplex dreidimensionalen, beispielsweise gekrümmten, Oberfläche hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Heizsystem weist eine, im Vergleich mit bestehenden Heizsystemen, hohe Unempfindlichkeit gegen Beschädigungen auf. Die Temperaturverteilung des erfindungsgemäßen Heizsystems ist über die gesamte Heizfläche sehr homogen. Weiterhin wird ein entsprechendes Herstellungsverfahren für ein derartiges Heizsystem angegeben, das sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass es in einem hohen Maße automatisierbar ist.
  • Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Bauteil bereitgestellt, das eine elektrische Heizvorrichtung sowie ein Substratelement, auf dem die elektrische Heizvorrichtung angeordnet ist, aufweist, wobei die elektrische Heizvorrichtung wenigstens eine erste elektrisch leitfähige Komponente, wenigstens eine Heizschicht sowie wenigstens eine zweite elektrisch leitfähige Komponente aufweist, wobei die erste elektrisch leitfähige Komponente und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente (ein) Mehrschichtsystem(e) ist/sind, das/die thermisch gespritzt ist/sind, an der Heizschicht angeordnet ist/sind und eine erste metallische Schicht aus einem Spritzwerkstoff, der eine Schmelztemperatur aufweist, die maximal 300°C über der Temperaturbelastung des Substratelements liegt, und eine Schicht aus einem weiteren Spritzwerkstoff, ausgewählt aus einem von Kupfer, Messing und Aluminium, umfasst/umfassen, wobei die Heizschicht zumindest bereichsweise als Kohlenstoff-basierte Heizschicht ausgebildet ist und wobei das Substratelement ein temperatursensibles und/oder geschäumtes thermoplastisches Polymer ist.
  • Der Begriff Anordnen beinhaltet dabei auch, dass die leitfähige(n) Komponente(n) auf die Heizschicht aufgetragen werden, oder aber mit dieser verbunden werden.
  • Dieser Aspekt der Erfindung betrifft insbesondere die Kombination von thermischen Spritzen und der Heizschicht.
  • Beim thermischen Spritzen handelt es sich insbesondere um ein Oberflächenbeschichtungsverfahren. Dabei werden insbesondere Zusatzwerkstoffe innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab-, an- oder aufgeschmolzen. Die geschmolzenen Partikel werden beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils aufgetragen, beispielsweise aufgeschleudert. Die Bauteiloberfläche wird dabei nicht aufgeschmolzen und nur in sehr geringem Maße thermisch belastet.
  • Die elektrisch leitfähigen Komponenten und die Heizschicht können derart in Bezug zueinander angeordnet sein, dass ein Stromfluss senkrecht zur Ebene der Heizschicht und/oder in Richtung der Ebene der Heizschicht realisiert oder realisierbar ist.
  • Vorgesehen sind somit verschiedene Richtungen des Stromflusses. Grundsätzlich kann dieser in Richtung der Ebene der Heizschicht erfolgen, also parallel zur Ebene der Heizschicht. Oder aber er findet senkrecht zu dieser statt. Im ersten Fall liegen die elektrisch leitfähigen Komponenten, beispielsweise entsprechende Elektroden, in der einfachsten Ausführung an den Rändern, das heißt den Kanten, der Heizschicht. Bei der Heizschicht handelt es sich insbesondere um eine heizbare Beschichtung. Gegebenenfalls können aber auch streifenförmige elektrisch leitfähige Komponenten irgendwo innerhalb der Heizschicht angebracht sein. Im Fall des senkrechten Stromflusses können die elektrisch leitfähigen Komponenten, beispielsweise die Elektroden, vollflächig unter- und oberhalb der Heizschicht vorgesehen sein, so dass die elektrisch leitfähigen Komponenten lediglich die durch die Dicke der Heizschicht vorgegebene Strecke überwinden müssen.
  • Bei einer hierin beschriebenen elektrischen Heizvorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung, mittels derer Bauteile, die mit der Heizvorrichtung in Kontakt stehen, beheizt werden können. Dabei ist die Heizvorrichtung als elektrische Heizvorrichtung ausgebildet. Das bedeutet, dass die Heizvorrichtung elektrisch betrieben wird, wobei insbesondere aufgrund eines Stromflusses Wärme erzeugt wird. Dazu sind eine erste und eine zweite elektrisch leitfähige Komponente vorgesehen, über die dieser Stromfluss realisiert wird. Die elektrisch leitfähigen Komponenten können beispielsweise metallisch, etwa als Metallschichten, ausgebildet sein. Weiterhin vorgesehen ist eine Heizschicht, die zumindest bereichsweise als Kohlenstoff-basierte Heizschicht ausgebildet ist. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ausführungsformen der elektrisch leitfähigen Komponenten sowie der Heizschicht beschränkt. Einige bevorzugte, jedoch nicht ausschließliche Ausführungsbeispiele werden im weiteren Verlauf näher beschrieben.
  • Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die elektrisch leitfähigen Komponenten und die Heizschicht in besonderer Weise angeordnet sind. Diese sind erfindungsgemäß derart in Bezug zueinander angeordnet, dass ein Stromfluss senkrecht zur Ebene der Heizschicht und/oder in Richtung der Ebene der Heizschicht realisiert oder realisierbar ist. Das bedeutet, dass eine Art Parallelschaltung realisiert wird. Wie dies im Einzelnen geschehen kann, wird im weiteren Verlauf der Beschreibung anhand bevorzugter, jedoch nicht ausschließlicher Beispiele näher erläutert.
  • Bevorzugt ist die erste elektrisch leitfähige Komponente als elektrisch leitfähige Kontaktierungsschicht und/oder als elektrisch leitfähiges, insbesondere dreidimensionales Substratelement ausgebildet. Damit können auch beliebig dreidimensionale Strukturen beheizt werden. Beispielsweise kann die elektrisch leitfähige Komponente als Metallschicht ausgebildet sein. Wenn die Komponente als Kontaktierungsschicht ausgebildet ist, kann diese beispielsweise auf einem Substratelement aufgebracht werden, wie hierin beschrieben. In anderer Ausgestaltung kann die Komponente selbst als ein solches Substratelement ausgebildet sein. Bei einem Substratelement handelt es sich insbesondere um ein Trägerelement, das geeignet ist, eine elektrische Heizvorrichtung zu tragen. Grundsätzlich ist ein solches Substratelement nicht auf bestimmte Größen und/oder Formen beschränkt. In weiterer Ausgestaltung kann die zweite elektrisch leitfähige Komponente als elektrisch leitfähige Kontaktierungsschicht ausgebildet sein.
  • Beispielsweise kann eine solche elektrisch leitfähige Kontaktierungsschicht einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein. Wichtig ist lediglich, dass die Kontaktierungsschicht elektrisch leitend ist. Eine Möglichkeit, mechanische Spannungen (insbesondere diejenigen, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei der Herstellung oder im Betrieb auftreten) zwischen den funktionellen Schichten der Heizvorrichtung gezielt abzubauen und damit die Lebensdauer des Heizsystems zu erhöhen, ist es, die, beispielsweise metallischen, Kontaktschichten als Mehrschichtsystem aus unterschiedlichen Werkstoffen aufzubauen. Durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe kann sowohl eine gute elektrische Kontaktierung als auch ein gezielter Spannungsabbau gewährleistet werden. Beispielhaft sei hier ein System aus den Werkstoffen Kupfer und Zink oder ein System aus den Werkstoffen Kupfer, Zinn und Zink genannt.
  • Bevorzugt kann/können die erste elektrisch leitfähige Komponente und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente flächendeckend ausgebildet sein. Flächendeckend bedeutet dabei insbesondere, dass die Kontaktelemente zumindest eine Teilfläche der Heizfläche abdecken beziehungsweise bedecken.
  • In weiterer Ausgestaltung kann/können die erste elektrisch leitfähige Komponente und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente in Form eines elektrisch leitfähigen Kontaktierungsmusters ausgebildet sein. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Arten und Typen von Mustern beschränkt. Beispielsweise kann ein streifenförmiges Muster realisiert sein.
  • In einer bevorzugten Ausführung können die Kontaktierungsschichten als eine Art Muster, beispielsweise mäanderartig erzeugt werden oder ausgebildet sein. Hierdurch wird die Flexibilität des hierin beschriebenen Heizsystems erhöht. Weiterhin können eventuelle Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch diese Kontaktierung ausgeglichen und daraus resultierende mechanische Spannungen zwischen den funktionellen Schichten vermindert oder vermieden werden. Bei den funktionellen Schichten handelt es sich dann insbesondere um die Heizschicht und die beiden elektrisch leitenden Kontaktierungsschichten.
  • Der elektrische Strom kann beispielsweise parallel zur Ebene der Heizschicht zwischen den Metallkontakten fließen. Die Metallkontakte können beispielsweise in Kontaktierungsmuster in Form einer Kammstruktur aufweisen. Strom fließt hier zwischen den Stegen. Eine einfache Variante sieht zwei parallele Kontakte vor. Auch können ringförmig angelegte Kontakte vorgesehen sein. Ebenso können elektrisch leitfähige Komponenten, beispielsweise Kontaktierungsschichten als starre oder flexible gewölbte/wölbbare Flächen ausgebildet sein. Auch schwebende Kontakte sind möglich.
  • Bei einer gleichmäßigen Dicke der Heizschicht ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kontakte parallel sind. Diese müssen nicht gerade sein. Kontakte können unter oder über der Heizschicht angebracht werden. Jede andere geometrische Anordnung der Kontakte erfordert eine lokale Schichtdickenanpassung der Heizschicht, was aber insbesondere mit modernen Druckverfahren durchaus möglich ist.
  • In weiterer Ausgestaltung kann wenigstens eine erste und wenigstens zweite elektrisch leitfähige Komponente als Elektrode ausgebildet sein, wobei die Elektroden unterschiedliches Potentialniveau aufweisen.
  • Eine besondere Ausführung der Erfindung bezieht sich auf Beschichtungen mit Stromfluss parallel zur Schichtebene, das heißt in Richtung der Schichtebene. Hierzu werden keine vollflächigen Elektroden aufgebracht, beispielsweise gespritzt, sondern Elektrodenmuster, beispielsweise Elektrodenstreifen. Beispielsweise kann eine rechteckige Fläche über Kontaktierung gegenüberliegender Kanten ausgestattet werden. Kompliziertere, beispielsweise in eine oder zwei Richtungen gekrümmte Flächen mit geraden oder gekrümmten Rändern, können mit optimierten Elektroden ausgestattet werden. Dabei ist man nicht auf zwei Elektroden beschränkt, es können vielmehr auch drei oder mehr Elektroden zum Einsatz kommen. Diese müssen im Betrieb auf mindestens zwei verschiedenen Potentialstufen liegen, beispielsweise kann eine positive Elektrode in der Mitte einer Fläche mit zwei negativen Elektroden an den Rändern der Fläche kombiniert werden. Es sind aber auch mehr als zwei Potentialstufen möglich, um beispielsweise in verschiedenen Teilen einer Fläche die spezifische Leistung unabhängig voneinander kontrollieren zu können. Optimale Lage und Potentialniveaus für die Elektroden können durch Versuche und/oder durch Simulationen bestimmt werden. Wie weiter oben beschrieben können in diese Anordnung auch weitere, beispielsweise ringförmige Elektroden eingefügt werden. Eine weitere mögliche Lösung kann durch zwei oder mehrere Elektroden in regelmäßigen, beispielsweise kammartigen Geometrien realisiert werden. In jedem der vorgenannten Fälle fließt der Strom innerhalb der Schichtebene, also parallel dazu, von einer Elektrode zur anderen.
  • Die Ausführungen zu Substraten, Gradierung der Elektroden sowie der Aufbau der Elektroden aus mehreren Werkstoffen treffen auch auf diesen Aspekt der Erfindung zu. Ein Beispiel für diesen Aspekt der Erfindung ist mit einer später noch genauer beschriebenen Rohrbeheizung gegeben.
  • Bevorzugt kann/können wenigstens eine erste elektrisch leitfähige Komponente und/oder wenigstens eine zweite elektrisch leitfähige Komponente derart ausgebildet sein, dass unterschiedliche Temperaturbereiche und/oder Heizzonen in der Heizschicht realisiert oder realisierbar sind. Ein Vorteil, der sich durch diese Ausführung ergibt, ist, dass durch die Anordnung der leitfähigen Komponenten der Heizstromfluss derartig beeinflusst werden kann, dass unterschiedliche Temperaturbereiche beziehungsweise Heizzonen in der zu beheizenden Fläche realisiert werden können.
  • Die Heizschicht ist zumindest bereichsweise als eine auf Kohlenstoff basierende Heizschicht, insbesondere als eine auf Kohlenstoff-Nanomaterial oder Kohlenstoff-Mikromaterial basierende Heizschicht, ausgebildet, beispielsweise in Form einer Beschichtung oder einer Imprägnierung. Auch ist es denkbar, dass eine irgendwie geartete Zusammensetzung aus Kohlenstoffmaterialien mit Kohlenstoff-Nanomaterialien zum Einsatz kommt. Je nach Ausgestaltung bestehen solche Heizschichten insbesondere aus einer entsprechenden Bindermatrix und einer auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmten Kohlenstoffformulierung. Aufgrund der hervorragenden Konduktivität können hohe Heizleistungen mit ungefährlicher Niederspannung realisiert werden, wobei zudem eine gleichmäßige Wärmestrahlung ohne so genannte Hot Spots realisiert werden kann. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Heizschicht als ein mit Kohlenstoffmaterial dotierter Kunststoff ausgebildet ist, beispielsweise als ein mit Kohlenstoff-Nanopartikeln dotiertes Polymer.
  • Beispielsweise können die erste elektrisch leitfähige Komponente, die Heizschicht und die zweite elektrisch leitfähige Komponente sandwichartig ausgebildet sein. Als leitfähige Kontaktierungsschichten ausgebildete leitfähige Komponenten dienen dann als flächendeckende Kontaktierung der Heizschicht. Die so erzeugte sandwichförmige Heizung, bei der ein Stromfluss quer zur Bauteiloberfläche gewährleistet wird, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie auf jeder Flächengeometrie und -topologie, also auch auf dreidimensionalen Strukturen, generierbar ist. Dadurch wird es möglich, auch komplexgeformte Bauteile und Strukturen homogen zu beheizen.
  • Bevorzugt kann die erste elektrisch leitfähige Komponente, die Heizschicht und die zweite elektrisch leitfähige Komponente derart miteinander verbunden sein, dass ein Stromfluss senkrecht zur Beschichtungsebene der Heizvorrichtung, insbesondere der Heizschicht, realisiert oder realisierbar ist und/oder dass die erste elektrisch leitfähige Komponente, die Heizschicht und die zweite elektrisch leitfähige Komponente derart miteinander verbunden sind, dass die elektrisch leitfähigen Komponenten an den Seiten der Heizschicht vorgesehen sind. In diesem Fall erfolgt der Stromfluss in Richtung der Ebene der Heizschicht.
  • Es ist denkbar, dass die Kontaktierung der Heizschicht durch das Aufbringen von Kontaktierungsflächen, beispielsweise das Aufspritzen von Kontaktierungsflächen mittels Lichtbogenspritzen, nur an den Seiten der zu beheizenden Fläche erfolgt. In diesem Fall besteht beispielsweise die Möglichkeit, Rohre oder rohrähnliche Strukturen auf der Innenseite mit einer Heizschicht zu versehen und die Kontaktierung dieser Heizschicht an den offenen Enden dieses Rohres aufzubringen. Hierdurch können solche Strukturen einfach und effizient beheizt werden.
  • Bevorzugt kann/können die erste elektrisch leitfähige Komponente und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente gradiert aufgebaut sein. Um die Entwicklung von mechanischen Spannungen zwischen den funktionellen Schichten während der Herstellung und während des Betriebs der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung zu minimieren beziehungsweise zu vermeiden, besteht die Möglichkeit die Kontaktierungsschichten gradiert aufzubauen. Das heißt, dass durch eine gezielte Auswahl der Verfahrensparameter beim thermischen Aufbringen, beispielsweise Spritzen, der Kontaktschichten die Eigenschaften, beispielsweise Porengröße, Porenanzahl und dergleichen, der resultierenden Schicht derart eingestellt werden, dass mechanische Spannungen kompensiert werden können.
  • Bevorzugt kann/können die erste elektrisch leitfähige Komponente und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente mittels eines Auftragverfahrens, insbesondere mittels eines Lichtbogen-Spritzverfahrens auf der Heizschicht aufgebracht sein/werden. Bei dem Lichtbogen-Spritzen handelt es sich um ein thermisches Spritzverfahren. Natürlich sind gemäß der vorliegenden Erfindung neben dem Lichtbogen-Spritzverfahren auch andere thermische Spritzverfahren einsetzbar. Prinzipiell eignen sich zur Erzeugung der elektrisch leitfähigen Komponente (insbesondere der ersten und/oder zweiten leitfähigen Komponente, wie der ersten und/oder zweiten Kontaktierungsschicht) der hierin beschriebenen Heizvorrichtungen und/oder des erfindungsgemäßen Bauteils (das heißt des erfindungsgemäßen Heizsystems) alle thermischen Spritzverfahren, sofern sich durch diese metallische Werkstoffe verarbeiten und somit metallische Schichten auf unterschiedlichen Substraten (insbesondere der Heizschicht der hierin beschriebenen Heizvorrichtungen und/oder dem Substratelement des erfindungsgemäßen Bauteils oder Substraten, auf die die Heizschicht oder das Substratelement basiert) erzeugen lassen. Beim Lichtbogenspritzen werden insbesondere elektrisch leitende Spritzwerkstoffe kontinuierlich unter einem bestimmten Winkel aufeinander zugeführt. Zwischen den Spritzwerkstoffen brennt nach dem Zünden ein Lichtbogen und schmilzt den Spritzwerkstoff ab.
  • Beispielweise zeichnet sich das Lichtbogenspritzen dadurch aus, dass zwei Drähte innerhalb des so genannten Spritzbrenners mittels eines Lichtbogens (der insbesondere durch Anlegen eines elektrischen Stromes erzeugt werden kann) aufgeschmolzen werden. Die auf diese Weise entstehenden schmelzflüssigen Partikel werden durch einen Trägergasstrom beschleunigt und treffen nach der Flugphase auf die zu beschichtende Substratoberfläche auf, wo durch die Erstarrung der Partikel die metallische Schicht ausgebildet wird. Der Haftungsmechanismus kann dabei größtenteils auf einer mechanischen Verklammerung beruhen, teilweise jedoch auch auf einer teilweisen Verschweißung der Substratoberfläche und den schichtbildenden Metallpartikeln.
  • Die Temperatur der schmelzflüssigen Partikel ist jeweils von der Schmelztemperatur des beim thermischen Spritzen (insbesondere Lichtbogenspritzen) eingesetzten und zu verspritzenden Werkstoffes (d.h. Spritzwerkstoffes) und von den eingesetzten Prozessparametern abhängig und hat einen direkten Einfluss auf die Temperaturbelastung für das zu beschichtende Substrat.
  • Vorteilhafterweise werden die Prozessparameter derart eingestellt, dass eine Schädigung oder Zerstörung des eingesetzten Substrats (insbesondere der Heizschicht der hierin beschriebenen Heizvorrichtungen und/oder dem Substratelement des erfindungsgemäßen Bauteils oder Substraten, auf die die Heizschicht oder das Substratelement basiert) bei der Herstellung und/oder Anordnung der ersten und/oder zweiten leitfähigen Komponente (wie der ersten und/oder zweiten Kontaktierungsschicht) der hierin beschriebenen Heizvorrichtungen und/oder des erfindungsgemäßen Bauteils vermieden wird. Beispielweise werden die Prozessparameter derart eingestellt, dass die Temperaturbelastung des Substrates minimal bleibt, insbesondere, dass die Temperatur des Substrates während des thermischen Spritzens (insbesondere des Lichtbogenspritzens) maximal 200°C (wie ≤ 195°C, ≤ 190°C, ≤ 185°C, ≤ 180°C, ≤ 175°C, ≤ 170°C, ≤ 165°C, ≤ 160°C, ≤ 155°C, ≤ 150°C) beträgt. Weitere Prozessparameter, die einen Einfluss auf die Temperaturbelastung des Substrats haben können, sind die Stärke des elektrischen Stromes (mit Hilfe dessen der Lichtbogen erzeugt wird), der Druck des Trägergases, die Überfahrgeschwindigkeit (das heißt die Geschwindigkeit, mit der während des thermischen Spritzens der Spritzbrenner relativ zum Substrat oder das Substrat relativ zum Spritzbrenner bewegt wird) und der Spritzabstand (das heißt der Abstand zwischen der Spritzdüse des Spritzbrenners bis zum nächsten Punkt der Substartoberfläche, gemessen längs der Spritzstrahlachse). Vorteilhafterweise werden zum thermischen Spritzen eine geringe Stromstärke (beispielsweise 30 - 100 A, wie 30 - 95 A, 30 - 90 A, 30 - 80 A, 35 - 75 A, 40 - 70 A, 45 - 70 A), ein mittlerer Trägergasdruck (beispielsweise 1,0 - 3,0 bar, wie 1,1 - 2,9 bar, 1,2 - 2,8 bar, 1,3 - 2,7 bar, 1,4 - 2,6 bar, 1,5 - 2,5 bar), eine hohe Überfahrgeschwindigkeit (beispielsweise ≥ 450 mm/s, wie ≥ 460 mm/s, ≥ 470 mm/s, ≥ 480 mm/s, ≥ 490 mm/s, ≥ 500 mm/s, ≥ 510 mm/s, ≥ 520 mm/s, ≥ 530 mm/s, ≥ 540 mm/s, ≥ 550 mm/s, ≥ 560 mm/s, ≥ 570 mm/s, ≥ 580 mm/s, ≥ 590 mm/s, ≥ 600 mm/s) und ein Spritzabstand im Bereich von 50 - 400 mm (beispielweise 60 - 390 mm, wie 70 - 380 mm, 80 - 360 mm, 90 - 350 mm, 100 - 300 mm, 105 - 290 mm, 110 - 280 mm, 120 - 270 mm, 125 - 260 mm, 130 - 250 mm) verwendet.
  • Zum Beispiel kann die Herstellung und/oder Anordnung der ersten und/oder zweiten leitfähigen Komponente (wie der ersten und/oder zweiten Kontaktierungsschicht) der hierin beschriebenen Heizvorrichtungen und/oder des erfindungsgemäßen Bauteils bei einer Stromstärke von 30 - 80 A, einem Trägergasdruck von 1,5 - 2,5 bar, einer Überfahrgeschwindigkeit von > 500 mm/s und einem Spritzabstand von 100 - 300 mm erfolgen.
  • Die Schichtmorphologie und -eigenschaften der auf dem Substrat (insbesondere der Heizschicht der hierin beschriebenen Heizvorrichtungen und/oder dem Substratelement des erfindungsgemäßen Bauteils) durch thermisches Spritzen (insbesondere Lichtbogenspritzen) erzeugten Schichten (insbesondere metallischen Schichten) können weiterhin durch den Einsatz verschiedener Trägergasarten (beispielsweise Druckluft, Stickstoff, Argon) und/oder verschiedener Düsengeometrien des Spritzbrenners beeinflusst werden. Spezielle Düsengeometrien ermöglichen dabei auch den Einsatz eines sogenannten Sekundärgasstroms, welcher sich vor allem auf die Größe und Geschwindigkeit der schmelzflüssigen Spritzpartikel auswirkt.
  • Mittels des thermischen Spritzverfahrens (insbesondere des Lichtbogen-Spritzverfahrens) können in vorteilhafter Weise metallischen Schichten mit gradierten Eigenschaften auf verschiedenen Substraten erzeugt (das heißt hergestellt und/oder angeordnet) werden. Insbesondere ist es durch die Herstellung und/oder Anordnung der ersten und/oder zweiten leitfähigen Komponente (wie der ersten und/oder zweiten Kontaktierungsschicht) der hierin beschriebenen Heizvorrichtungen und/oder des erfindungsgemäßen Bauteils als Mehrschichtsystem (zum Beispiel aus unterschiedlichen Spritzwerkstoffen) möglich, gezielt mechanische Spannungen (insbesondere diejenigen, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei der Herstellung oder im Betrieb auftreten) zwischen den funktionellen Schichten der hierin beschriebenen Heizvorrichtungen und/oder des erfindungsgemäßen Bauteils abzubauen und damit die Lebensdauer der hierin beschriebenen Heizvorrichtungen und/oder des erfindungsgemäßen Bauteils zu erhöhen.
  • Ein besonderer Vorteil des thermischen Spritzverfahrens (insbesondere des Lichtbogen-Spritzverfahrens) besteht in der Möglichkeit, zwei unterschiedliche Spritzwerkstoffe zu kombinieren und somit sogenannte Pseudolegierungen zu erzeugen. Insbesondere bei mehrschichtig aufgebauten Schichten (wie der ersten und/oder zweiten leitfähigen Komponente, insbesondere der ersten und/oder zweiten Kontaktierungsschicht, der hierin beschriebenen Heizvorrichtungen und/oder des erfindungsgemäßen Bauteils) kann damit ein sanfter Übergang der Eigenschaften zwischen den einzelnen Werkstoffen (wie zum Beispiel zwischen dem Substratelement und der ersten leitfähigen Komponente und/oder zwischen der ersten und/oder zweiten leitfähigen Komponente und der Heizschicht) realisiert werden.
  • Als Beispiel wird an dieser Stelle ein Schichtsystem aus den Spritzwerkstoffen Kupfer und Zink genannt. Als erste Lage wird eine Schicht aus Zink erzeugt. Diese hat die Funktion, auftretende mechanische Spannungen abzubauen. Die zweite Lage besteht aus einer sogenannten Pseudolegierung aus Zink und Kupfer. Diese wird dadurch erzeugt (das heißt hergestellt und/oder angeordnet), dass beim thermischen Spritzen verschiedenartige Spritzwerkstoffe (zum Beispiel ein Draht aus einem Metall oder einer Legierung und ein weiterer Draht aus einem anderen Metall oder einer anderen Legierung) gleichzeitig eingesetzt werden. Beispielsweise können gleichzeitig ein Zink-Draht und Kupfer-Draht verwendet werden, um eine Schicht einer Pseudolegierung aus Zink und Kupfer zu erzeugen. Als dritte Lage des Schichtsystems wird eine Kupfer-Schicht erzeugt. Hierdurch kann eine gute elektrische Kontaktierung gewährleistet werden. Es ist natürlich auch möglich, auf diese Art und Weise Mehrschichtsysteme aufzubauen, die aus drei oder mehr Spritzwerkstoffen bestehen (beispielsweise ein Mehrschichtsystem aus je einer Schicht Zn, Sn und Cu).
  • Als Spritzwerkstoffe, die in dem thermischen Spritzverfahren (insbesondere dem Lichtbogen-Spritzverfahren) eingesetzt werden können, eigenen sich prinzipiell alle leitfähigen Werkstoffe, insbesondere diejenigen, die in Drahtform vorliegen können, wie entsprechende Metalle (zum Beispiel Kupfer, Zink, Zinn, Aluminium, Silber) oder entsprechende Legierungen (zum Beispiel Messing). Vorteilhaft sind natürlich Werkstoffe, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wie Kupfer, Messing, Aluminium oder Silber.
  • Die Schichtdicken der durch thermisches Spritzen erzeugten (das heißt hergestellten und/oder angeordneten) Schichten (wie zum Beispiel der ersten und/oder zweiten leitfähigen Komponente, insbesondere der ersten und/oder zweiten Kontaktierungsschicht, der hierin beschriebenen Heizvorrichtungen und/oder des erfindungsgemäßen Bauteils) liegen im Bereich von 0,05 - 0,5 mm. Je nach Anwendungsfall der hierin beschriebenen Heizvorrichtungen und/oder des erfindungsgemäßen Bauteils (das heißt des erfindungsgemäßen Heizsystems) kann dadurch auch die Flexibilität des Gesamtsystems beeinflusst werden.
  • Als Substrat für das thermische Spritzen (insbesondere das Lichtbogen-Spritzen) eignen sich sowohl elektrisch leitfähige als auch elektrisch isolierende Werkstoffe. Elektrisch leitfähige Werkstoffe können beispielsweise Stahl, Aluminium oder Kupfer darstellen. Als elektrisch isolierende Werkstoffe können thermoplastische oder duroplastische Polymere oder keramische Werkstoffe eingesetzt werden. Hierbei ist anzumerken, dass mittels des thermischen Spritzverfahrens (insbesondere des Lichtbogen-Spritzverfahrens) auch vergleichsweise niedrigschmelzende, temperatursensible und/oder geschäumte thermoplastische Polymere (wie zum Beispiel Polypropylen (PP), expandiertes Polypropylen (EPP), Polystyrol (PS), expandiertes Polystyrol (EPS)) mit metallischen Schichten versehen werden können. Dies wird dadurch möglich, dass die Temperaturbelastung des Substrats im Wesentlichen von der Temperatur der schmelzflüssigen Spritzpartikel abhängig ist. Diese Partikeltemperatur ist vorteilhafterweise stets kleiner oder gleich der Schmelztemperatur des eingesetzten Spritzwerkstoffes. Im erfindungsgemäßen Bauteil und Verfahren ist das Substratelement ein temperatursensibles und/oder geschäumtes thermoplastisches Polymer.
  • Die Vorgehensweise zur Beschichtung solcher temperatursensiblen Substrate besteht in der Erzeugung einer ersten metallischen Schicht aus einem Spritzwerkstoff, der eine Schmelztemperatur aufweist, die maximal 300°C (beispielweise maximal 290°C, maximal 280°C, maximal 270°C, maximal 260°C, maximal 250°C, maximal 240°C, maximal 230°C, maximal 220°C, maximal 210°C, maximal 200°C) über der Temperaturbelastung des Substrates liegt (z.B. Zink; Schmelztemperatur: 419,5 °C). Diese erste Schicht dient dazu, den Substratwerkstoff vor einer weiteren Temperatureinwirkung zu schützen. Auf diese erste metallische Schicht kann in einem weiteren Verfahrensschritt ein Schicht aus einem beliebigen metallischen Spritzwerkstoff (z.B. Kupfer; Schmelztemperatur: 1084,6°C) erzeugt werden. Die Wärme der auf dem Substrat auftreffenden schmelzflüssigen Spritzpartikel aus dem zweiten Spritzwerkstoff wird dabei von der ersten metallischen Schicht aufgenommen und homogenisiert, wodurch eine thermische Schädigung des eigentlichen Substratwerkstoffes vermieden wird. Durch diese Vorgehensweise ist es auch möglich, Mehrschichtsysteme, wie oben beschrieben, aufzubauen. Wie in Patenanspruch 1 definiert, ist/sind im erfindungsgemäßen Bauteil die erste elektrisch leitfähige Komponente und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente (ein) Mehrschichtsystem(e), das/die thermisch gespritzt ist/sind, an der Heizschicht angeordnet ist/sind und eine erste metallische Schicht aus einem Spritzwerkstoff, der eine Schmelztemperatur aufweist, die maximal 300°C über der Temperaturbelastung des Substratelements liegt, und eine Schicht aus einem weiteren Spritzwerkstoff, ausgewählt aus einem von Kupfer, Messing und Aluminium, umfasst/umfassen.
  • Durch den Aufbau der hierin beschriebenen Heizvorrichtung, insbesondere mit übereinanderliegenden funktionellen Schichten in Form von Kontaktierungsschichten und einer Heizschicht sind unterschiedliche Ausführungsvarianten möglich, beispielsweise ein flexibles folienbasiertes Heizsystem, ein direkter Aufbau des Heizsystems auf nicht elektrisch leitenden Strukturen mit komplexen dreidimensionalen Geometrien, oder ein direkter Aufbau des Heizsystems auf elektrisch leitenden Strukturen mit komplexen dreidimensionalen Geometrien.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Kombination von thermisch gespritzten Kontakten und einer heizbaren Beschichtung. Eine Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf den Stromfluss senkrecht zur Schichtebene.
  • Bevorzugt kann das Substratelement als dreidimensionale Struktur ausgebildet sein. Damit können beliebig ausgebildete, dreidimensionale Strukturen, auch kompliziert aufgebaute dreidimensionale Strukturen, beheizt werden.
  • Beispielsweise kann der Aufbau der hierin beschriebenen Heizvorrichtung auf einem Substratelement in Form eines folienartigen Trägerwerkstoffs erfolgen. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass auf diese Art ein flexibles Heizsystem generiert werden kann, welches dem jeweiligen Anwendungsfall individuell angepasst werden kann. Als Substratfolien kommen bei dieser Variante vor allem Polymerfolien in Betracht. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, eine metallische Folie als Trägerwerkstoff einzusetzen. In diesem Fall entfällt der Aufbau einer ersten Kontaktierungsschicht, da das elektrisch leitfähige Substrat selbst als vollflächige Kontaktierung fungieren kann. In dieser Ausführung der hierin beschriebenen Heizvorrichtung besteht der Vorteil gegenüber konventionellen Heizfolien darin, dass das Heizsystem zum einen in jeder beliebig geformten Fläche hergestellt werden kann zum anderen kann das erfindungsgemäße Heizsystem in dieser Ausführung auch als Rollenware hergestellt werden, welche durch Zuschneiden in die gewünschte Form gebracht werden kann. Durch die Flexibilität des Heizsystems können somit zweidimensional gekrümmte Strukturen beheizt werden.
  • In anderer Ausgestaltung wird die hierin beschriebene Heizvorrichtung direkt auf einer massiven, nichtleitfähigen Trägerstruktur, beispielsweise ein Kunststoffbauteil, aufgebaut. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass das Heizsystem direkt auf komplexen, dreidimensional geformten Strukturen oder Bauteilen erzeugt werden kann. Dies ermöglicht eine sehr hohe Anpassbarkeit an unterschiedlichste Anwendungsfälle und stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber allen, auf dem Markt verfügbaren Heizsystemen dar.
  • In weiterer Ausgestaltung kann die erste elektrisch leitfähige Komponente der Heizvorrichtung als Substratelement des Bauteils ausgebildet sein. Dieses Ausführungsbeispiel ergibt sich beispielsweise durch den Einsatz von elektrisch leitfähigen Strukturen oder Bauteilen als Träger für die hierin beschriebene Heizvorrichtung. Hier ergibt sich die Möglichkeit, die Trägerstruktur selbst zur Stromeinleitung, insbesondere zur Kontaktierung, in die Heizschicht zu nutzen. Dies reduziert den Herstellungsaufwand deutlich, da lediglich eine Kontaktschicht erzeugt werden muss.
  • Der direkte Kontakt des Heizsystems mit dem zu beheizenden Bauteil ermöglicht eine optimale Wärmeübertragung, wodurch Wärmeverluste vermieden werden und insgesamt die Energieeffizienz der Beheizung gesteigert wird.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils bereitgestellt, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
    1. a) es wird eine erste elektrisch leitfähige Komponente hergestellt oder bereitgestellt;
    2. b) es wird die erste elektrisch leitfähige Komponente auf ein Substratelement aufgebracht, wobei das Substratelement ein temperatursensibles und/oder geschäumtes thermoplastisches Polymer ist;
    3. c) es wird eine Heizschicht an der ersten elektrisch leitfähigen Komponente angeordnet, wobei die Heizschicht zumindest bereichsweise als Kohlenstoff-basierte Heizschicht ausgebildet wird;
    4. d) es wird eine zweite elektrisch leitfähige Komponente hergestellt oder bereitgestellt;
    5. e) die zweite elektrisch leitfähige Komponente wird an der Heizschicht angeordnet;
    6. f) die erste elektrisch leitfähige Komponente und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente ist/sind (ein) Mehrschichtsystem(e), das/die mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt wird/werden und/oder an der Heizschicht angeordnet wird/werden und eine erste metallische Schicht aus einem Spritzwerkstoff, der eine Schmelztemperatur aufweist, die maximal 300°C über der Temperaturbelastung des Substratelements liegt, und eine Schicht aus einem weiteren Spritzwerkstoff, ausgewählt aus einem von Kupfer, Messing und Aluminium, umfasst/umfassen. Vorzugsweise werden die elektrisch leitfähigen Komponenten und die Heizschicht derart in Bezug zueinander angeordnet, dass ein Stromfluss senkrecht zur Ebene der Heizschicht und/oder in Richtung der Ebene der Heizschicht realisiert wird oder realisierbar ist. Insbesondere wird in diesem erfindungsgemäßen Aspekt ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils bereitgestellt, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: a) Her- oder Bereitstellen einer ersten elektrisch leitfähigen Komponente; b) Aufbringen der ersten elektrisch leitfähigen Komponente auf ein Substratelement, wobei das Substratelement ein temperatursensibles und/oder geschäumtes thermoplastisches Polymer ist; c) Anordnen einer Heizschicht an der ersten elektrisch leitfähigen Komponente, wobei die Heizschicht zumindest bereichsweise als Kohlenstoff-basierte Heizschicht ausgebildet wird; d) Her- oder Bereitstellen einer zweiten elektrisch leitfähigen Komponente; e) Anordnen der zweiten elektrisch leitfähigen Komponente an der Heizschicht, wobei die erste elektrisch leitfähige Komponente und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente (ein) Mehrschichtsystem(e) ist/sind, das/die mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt und/oder an der Heizschicht angeordnet wird/werden und eine erste metallische Schicht aus einem Spritzwerkstoff, der eine Schmelztemperatur aufweist, die maximal 300°C über der Temperaturbelastung des Substratelements liegt, und eine Schicht aus einem weiteren Spritzwerkstoff, ausgewählt aus einem von Kupfer, Messing und Aluminium, umfasst/umfassen, und die elektrisch leitfähigen Komponenten und die Heizschicht derart in Bezug zueinander angeordnet werden, dass ein Stromfluss senkrecht zur Ebene der Heizschicht und/oder in Richtung der Ebene der Heizschicht realisiert wird oder realisierbar ist.
  • Vorzugsweise ist das Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehende beschriebenen erfindungsgemäßen Bauteils ausgebildet, so dass auf die entsprechenden Ausführungen weiter oben vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen wird.
  • Bevorzugt kann die erste elektrisch leitfähige Komponente auf ein Substratelement aufgebracht werden, insbesondere mittels eines Auftragverfahrens, bevorzugt mittels eines thermischen Spritzverfahrens, etwa eines Lichtbogen-Spritzverfahrens, insbesondere eines Lichtbogen-Spritzverfahrens, wie es vorstehend für die hierin beschriebenen Heizvorrichtungen beschrieben wurde. In diesem Schritt zur Herstellung einer hierin beschriebenen Heizvorrichtung wird auf ein beliebiges Trägersubstrat, das ein temperatursensibles und/oder geschäumtes thermoplastisches Polymer ist, eine Kontaktierungsschicht, beispielsweise eine Metallschicht, aufgebracht. In anderer Ausgestaltung kann das Substratelement selbst, auf das die Heizvorrichtung aufgebracht wird und das ein temperatursensibles und/oder geschäumtes thermoplastisches Polymer ist, als elektrisch leitfähige Komponente ausgebildet sein.
  • Bevorzugt kann die Heizschicht, hier eine durch elektrischen Strom beheizbare Schicht, mittels eines Auftragverfahrens auf die erste elektrisch leitfähige Komponente aufgebracht werden, insbesondere mittels eines Sprüh-Verfahrens, eines Roll-Verfahrens oder eines Rakel-Verfahrens.
  • In weiterer Ausgestaltung kann die zweite elektrisch leitfähige Komponente mittels eines Auftragverfahrens auf die Heizschicht aufgebracht wird, insbesondere mittels eines thermischen Spritzverfahrens, etwa eines Lichtbogen-Spritzverfahrens, insbesondere eines Lichtbogen-Spritzverfahrens, wie es vorstehend für die hierin beschriebenen Heizvorrichtungen beschrieben wurde.
  • Für die gesamte Erfindung ist als Vorteil gegenüber anderen Lösungen zur Kontaktierung hervorzuheben, dass hochtemperaturfähige elektrische Kontaktierungen bei Raumtemperatur aufgebracht werden können. Viele andere elektrische Kontaktierungen sind für hohe Temperaturen (z.B. 500 °C) nicht geeignet, weil sie beispielsweise aufgeklebt sind und der verwendete Klebstoff keine ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweist. Andere Lösungen, beispielsweise Leitlacke auf anorganischer Basis, müssen bei hoher Temperatur gesintert werden, um ihre Eigenschaften zu erzielen. Dagegen sind die thermisch gespritzten Kontaktierungen bis zu sehr hohen Temperaturen stabil, können aber bei Raumtemperatur aufgebracht werden. Das Verfahren ist insbesondere interessant für Hochtemperaturanwendungen, wenn Kontakte nicht mehr aufgeklebt werden können oder ein Einbrennen von Leitpasten bei 600-900°C nicht machbar ist. Im vorliegenden Fall kann man hochtemperaturfähige Kontakte bei Raumtemperatur aufbringen, was ein erheblicher Vorteil ist. Eine gute Haftung existiert im gesamten Temperaturbereich.
  • Die hierin beschriebene Heizvorrichtung und/oder das Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich in sehr vielen Anwendungsgebieten einsetzen. Zu nennen sind beispielsweise folgende Anwendungen:
    • Formenbau
      • Beheizung von Formen zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen
    • Automotive
      • Sitzheizung
      • Seitenwandheizung
    • Luft- und Raumfahrttechnik
      • Einsatz zur Enteisung von Tragflächen
    • Windenergieanlagen
      • Heizbeschichtung von Windflügeln zur Vorbeugung von Eisbildung
    • Schienenverkehr
      • Beheizung von Führerstand und Fahrgastzelle
      • Seitenwandheizung
    • Haustechnik
      • Fußboden- bzw. Wandheizung
      • Heizung für sanitäre Anlagen
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diejenigen Beispiele, die nicht von den angehängten Patentansprüchen umfasst sind, sind lediglich zu Vergleichszwecken angegeben. Es zeigen:
    • Figur 1
    Verfahrensschritte zum Aufbau einer hierin beschriebenen elektrischen Heizvorrichtung;
    Figur 2
    eine homogene Beheizung beliebiger Formen durch die Erzeugung der Heizvorrichtung direkt auf einem komplex geformten Bauteil;
    Figur 3
    eine flexible, folienbasierte Heizvorrichtung;
    Figur 4
    eine Heizvorrichtung für nicht elektrisch leitfähige Substratelemente mit komplexen Geometrien;
    Figur 5
    eine Heizvorrichtung für elektrisch leitfähige Substratelemente mit komplexen Geometrien;
    Figur 6
    verschiedene Bemusterungen von elektrisch leitfähigen Komponenten;
    Figur 7
    ein Ausführungsbeispiel für die beidseitige Kontaktierung einer Heizschicht durch thermisches Lichtbogen-Spritzen;
    Figur 8
    den gezielten Spannungsabbau durch Mehrschichtsysteme; und
    Figuren 9 bis 13
    Ausführungsbeispiele für verschiedene Kontaktierungsgeometrien.
  • In den Figuren ist ein erfindungsgemäßes Bauteil 10 dargestellt, welches ein Substratelement 11 aufweist. Weiterhin verfügt das Bauteil über eine elektrische Heizvorrichtung 20. Die elektrische Heizvorrichtung 20 verfügt über eine erste leitfähige Komponente 21 in Form einer Kontaktierungsschicht, eine Heizschicht 22, sowie eine zweite leitfähige Komponente 23 in Form einer Kontaktierungsschicht.
  • Die hierin beschriebene Heizvorrichtung 20 wird über eine Folge von Beschichtungsvorgängen aufgebaut. Die Funktionalität wird dabei durch die Kombination von mindestens einer Heizschicht 22, basierend auf mit Kohlenstoff-Nanopartikeln dotierten Polymeren, und einer Kontaktierung dieser Heizschicht 22 durch wenigstens eine, flächendeckend aufgebrachte zweite leitfähige Komponente 23 in Form einer Metallschicht erreicht.
  • Zur Erzeugung dieser metallischen Kontaktierungsschicht kommt das Verfahren des sogenannten Lichtbogenspritzens, welches zu der Gruppe der thermischen Spritzverfahren zählt, zum Einsatz.
  • Im ersten Schritt zur Herstellung eines entsprechenden Bauteils 10 wird auf ein beliebiges Substratelement 11, beispielsweise ein Trägersubstrat, eine erste elektrisch leitfähige Komponente 21, beispielsweise eine metallische Kontaktierungsschicht, mittels Lichtbogenspritzen aufgebracht. Im Anschluss wird eine, durch elektrischen Strom beheizbare Beschichtung, die Heizschicht 22, auf die erzeugte leitfähige Komponente 21, aufgetragen. Der Auftrag dieser Heizschicht 22 kann durch verschiedene Auftragsverfahren, wie beispielsweise Sprühen, Aufrollen oder Rakeln, erfolgen. Im dritten Verfahrensschritt wird eine zweite leitfähige Komponente 23, beispielsweise eine metallische Kontaktierungsschicht 23, auf die Heizschicht 22 aufgetragen. Die Verfahrensschritte sind in Figur 1 dargestellt.
  • Die erzeugten Kontaktierungsschichten dienen als flächendeckende Kontaktierung der Heizschicht 22. Die so erzeugte sandwichförmige Heizung, bei der ein Stromfluss quer zur Bauteiloberfläche gewährleistet wird, zeichnet sich dadurch aus, dass sie auf jeder Flächengeometrie und -topologie, also auch auf dreidimensionalen Strukturen, generierbar ist. Dadurch wird es möglich, auch komplexgeformte Bauteile und Strukturen homogen zu beheizen, wie beispielhaft in Figur 2 gezeigt ist.
  • Durch den Aufbau des erfindungsgemäßen Bauteils beziehungsweise der hierin beschriebenen Heizvorrichtung mit übereinanderliegenden funktionellen Schichten sind prinzipiell drei unterschiedliche Ausführungsvarianten möglich:
    1. 1. Flexibles folienbasiertes Heizsystem
    2. 2. Direkter Aufbau des Heizsystems auf nicht elektrisch leitenden Strukturen mit komplexen dreidimensionalen Geometrien
    3. 3. Direkter Aufbau des Heizsystems auf elektrisch leitenden Strukturen mit komplexen dreidimensionalen Geometrien
  • Die genannten Ausführungsvarianten werden im Folgenden kurz beschrieben.
    • Ausführungsbeispiel 1: Flexibles, folienbasiertes Heizsystem
  • In der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform erfolgt der Aufbau der hierin beschriebenen Heizvorrichtung auf einem folienartigen Substratelement 11 als Trägerwerkstoff. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass auf diese Art ein flexibles Heizsystem generiert werden kann, welches dem jeweiligen Anwendungsfall individuell angepasst werden kann. Als Substratfolien kommen bei dieser Variante vor allem Polymerfolien in Betracht. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, eine metallische Folie als Trägerwerkstoff einzusetzen. In diesem Fall entfällt der erste Verfahrensschritt, also der Aufbau der ersten elektrisch leitfähigen Komponente, da das elektrisch leitfähige Substrat selbst als vollflächige Kontaktierung fungieren kann. Auf dem Substratelement 11 werden dann nacheinander die erste leitfähige Komponente 21, die Heizschicht 22 und die zweite leitfähige Komponente 23 aufgebracht.
  • In dieser Ausführung besteht der Vorteil gegenüber konventionellen Heizfolien darin, dass das Bauteil 10 als Heizsystem zum einen in jeder beliebig geformten Fläche hergestellt werden kann; zum anderen kann das erfindungsgemäße Heizsystem in dieser Ausführung auch als Rollenware hergestellt werden, welche durch Zuschneiden in die gewünschte Form gebracht werden kann. Durch die Flexibilität des Heizsystems können somit zweidimensional gekrümmte Strukturen beheizt werden.
    • Ausführungsbeispiel 2: Direkter Aufbau des Heizsystems auf nicht elektrisch leitenden Strukturen mit komplexen dreidimensionalen Geometrien
  • In dieser Ausführung gemäß Figur 4 wird die hierin beschriebene Heizvorrichtung 20 direkt auf einer massiven, nichtleitfähigen Trägerstruktur, welche das Substratelement 11 darstellt, beispielsweise ein Kunststoffbauteil, aufgebaut. Der Aufbau erfolgt dabei analog zum Ausführungsbeispiel in Figur 3, es werden also insgesamt 3 Schichten auf dem Substratelement 11 als Trägerstruktur erzeugt.
  • Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass das Bauteil 10, bei dem es sich um ein Heizsystem handeln kann, direkt auf komplexen, dreidimensional geformten Strukturen oder Bauteilen erzeugt werden kann. Dies ermöglicht eine sehr hohe Anpassbarkeit an unterschiedlichste Anwendungsfälle und stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber allen, auf dem Markt verfügbaren Heizsystemen dar.
    • Ausführungsbeispiel 3: Direkter Aufbau des Heizsystems auf elektrisch leitenden Strukturen mit komplexen dreidimensionalen Geometrien
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das in Figur 5 dargestellt ist, ergibt sich durch den Einsatz von elektrisch leitfähigen Strukturen oder Bauteilen als Substratelement 11 für die hierin beschriebene Heizvorrichtung 20. Hier ergibt sich die Möglichkeit, das Substratelement 11 selbst als elektrisch leitfähige Komponente 21 zur Stromeinleitung beziehungsweise Kontaktierung in die Heizschicht 22 zu nutzen. Dies reduziert den Herstellungsaufwand deutlich, da lediglich eine elektrisch leitfähige Komponente 23 erzeugt werden muss.
  • Der direkte Kontakt der Heizvorrichtung in den Ausführungsvarianten gemäß den Figuren 4 und 5 mit dem zu beheizenden Bauteil ermöglicht eine optimale Wärmeübertragung, wodurch Wärmeverluste vermieden werden und insgesamt die Energieeffizienz der Beheizung gesteigert wird.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der hierin beschriebenen Heizvorrichtung können die elektrisch leitfähigen Komponenten, beispielsweise die metallischen
  • Kontaktierungsschichten als eine Art Muster, beispielsweise mäanderartig erzeugt werden. Verschiedene Ausführungsbeispiele sind in Figur 6 dargestellt. Hierdurch wird die Flexibilität der hierin beschriebenen Heizvorrichtung erhöht. Weiterhin können eventuelle Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch diese Kontaktierung ausgeglichen und daraus resultierende mechanische Spannungen zwischen den funktionellen Schichten vermindert oder vermieden werden. Ein weiterer Vorteil, der sich durch diese Ausführung ergibt, ist, dass durch die Anordnung der Kontaktflächen der Heizstromfluss derartig beeinflusst werden kann, dass unterschiedliche Temperaturbereiche beziehungsweise Heizzonen in der zu beheizenden Fläche realisiert werden können.
  • Es ist ebenfalls denkbar, dass die Kontaktierung der Heizschicht 22 durch das Aufspritzen von elektrisch leitfähigen Komponenten 21, 23 in Form von Kontaktierungsflächen mittels Lichtbogenspritzen nur an den Seiten der zu beheizenden Fläche in Form eines Substratelements 11 erfolgt. In diesen Fall besteht beispielsweise die Möglichkeit, Rohre oder rohrähnliche Strukturen auf der Innenseite mit einer Heizschicht 22 zu versehen und die Kontaktierung dieser Heizschicht 22 mittels Lichtbogenspritzen an den offenen Enden dieses Rohres aufzubringen. Hierdurch können solche Strukturen einfach und effizient beheizt werden. Ein entsprechendes Beispiel hierzu ist in Figur 7 dargestellt.
  • Um die Entwicklung von mechanischen Spannungen zwischen den funktionellen Schichten während der Herstellung und während des Betriebs der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung zu minimieren beziehungsweise zu vermeiden, besteht die Möglichkeit, die metallischen Kontaktierungsschichten gradiert aufzubauen. Das heißt, dass durch eine gezielte Auswahl der Verfahrensparameter beim thermischen Spritzen der Kontaktschichten die Eigenschaften, beispielsweise Porengröße, Porenanzahl, der resultierenden metallischen Schicht derart eingestellt werden, dass mechanische Spannungen kompensiert werden können.
  • Eine weitere Möglichkeit, mechanische Spannungen zwischen den funktionellen Schichten gezielt abzubauen und damit die Lebensdauer des Heizsystems zu erhöhen, ist es, die metallischen Kontaktschichten als Mehrschichtsystem aus unterschiedlichen Werkstoffen aufzubauen. Durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe kann sowohl eine gute elektrische Kontaktierung als auch ein gezielter Spannungsabbau gewährleistet werden. Beispielhaft sei hier ein System aus den Werkstoffen Kupfer, Zinn und Zink genannt. Ein Beispiel hierfür ist in Figur 8 dargestellt.
  • In den Figuren 9 bis 12 sind elektrische Heizvorrichtungen mit verschiedenen Kontaktgeometrien dargestellt. Der Strom fließt hier immer parallel zur Ebene der Heizfläche 22 zwischen den elektrisch leitfähigen Komponenten 21, 23 in Form von Metallkontakten, an denen eine Potentialdifferenz P1-P2 anliegt.
  • In Figur 9 ist eine Kammstruktur dargestellt. Der Strom fließt zwischen den Stegen. Eine solche Ausgestaltung eignet sich beispielsweise für große Flächen, Fußboden, Wand, Formenbau, Maschinen-/Werkzeugbau. Selbstverständlich kann in anderer Ausgestaltung die Heizschicht auch über die Stegenden hinaus bis zur entsprechenden leitfähigen Komponente, die beispielsweise eine Gegenelektrode darstellt, gezogen werden, so dass die Fläche zwischen den elektrisch leitfähigen Komponenten, bei denen es sich beispielsweise um Elektroden handelt, vollständig beschichtet ist.
  • Figur 10 zeigt eine einfache Variante mit zwei parallelen Kontakten. Eine solche Ausgestaltung eignet sich für kleine bis mittlere Flächen, Automobil, Luft- und Raumfahrt, Formenbau, Maschinen-/Werkzeugbau.
  • Figur 11 zeigt eine Variante mit ringförmig angelegten Kontakten. Der Stromfluss erfolgt zwischen den beiden Ringelektroden. Diese Ausgestaltung eignet sich beispielsweise für Gefäße, Maschinen-/Werkzeugbau. Es muss jedoch kein Ring vorliegen. Es kann auch ein vollflächiger Kreis verwendet werden.
  • Figur 12 zeigt eine Variante mit starren oder flexiblen gewölbten/wölbbaren Flächen, wie Bleche, Folien, Textilien und dergleichen. Diese Ausgestaltung eignet sich beispielsweise für Anwendungen, die im Zusammenhang mit den Figuren 9 bis 13 beschrieben sind. Denkt man dieses Ausführungsbeispiel weiter, kann man sich beispielsweise auch ein an beiden Enden oder längs kontaktiertes Rohr vorstellen, etwa durch Aufrollen.
  • In Figur 13 ist eine Variante mit "schwebenden" Kontakten zur Potentialverteilung bei komplizierteren Flächen dargestellt. Eine solche Ausgestaltung ist beispielsweise für Fußböden in Fahrzeugen, etwa Schienenfahrzeuge, Schifffahrt, und dergleichen, einsetzbar. Bei der in Figur 13 dargestellten Ausführungsform kann an den schwebenden Kontakten auch ein Potential anliegen.
  • Das Auftragen von Kontakten im Inneren von Röhren, Gefäßen, Schläuchen jeder Größe kann ebenfalls realisiert werden.
  • Eine Forderung bei gleichmäßiger Dicke der Heizschicht ist, dass die Kontakte parallel sind. Diese müssen nicht gerade sein. Kontakte können unter oder über der Heizschicht angebracht werden. Jede andere geometrische Anordnung der Kontakte erfordert eine lokale Schichtdickenanpassung der Heizschicht, was aber mit modernen Druckverfahren durchaus möglich ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Bauteil
    11
    Substratelement
    20
    Elektrische Heizvorrichtung
    21
    Erste elektrisch leitfähige Komponente (erste Kontaktierungsschicht)
    22
    Heizschicht
    23
    Zweite elektrisch leitfähige Komponente (zweite Kontaktierungsschicht)
    P1
    Potential
    P2
    Potential

Claims (14)

  1. Bauteil (10), aufweisend wenigstens eine elektrische Heizvorrichtung (20) sowie ein Substratelement (11), auf dem die elektrische Heizvorrichtung (20) angeordnet ist, wobei die elektrische Heizvorrichtung (20) wenigstens eine erste elektrisch leitfähige Komponente (21), wenigstens eine Heizschicht (22) sowie wenigstens eine zweite elektrisch leitfähige Komponente (23) aufweist, wobei die erste elektrisch leitfähige Komponente (21) und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente (23) ein Mehrschichtsystem ist oder Mehrschichtsysteme sind, das/die thermisch gespritzt ist/sind, an der Heizschicht (22) angeordnet ist/sind und eine erste metallische Schicht aus einem Spritzwerkstoff, der eine Schmelztemperatur aufweist, die maximal 300°C über der Temperaturbelastung des Substratelements (11) liegt, und eine Schicht aus einem weiteren Spritzwerkstoff, ausgewählt aus einem von Kupfer, Messing und Aluminium, umfasst/umfassen, wobei die Heizschicht (22) zumindest bereichsweise als Kohlenstoff-basierte Heizschicht ausgebildet ist und wobei das Substratelement (11) ein temperatursensibles und/oder geschäumtes thermoplastisches Polymer ist.
  2. Bauteil (10) nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähigen Komponenten (21, 23) ober- und unterhalb der Heizschicht (22) und/oder an den Seiten der Heizschicht (22) vorgesehen sind.
  3. Bauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Komponente (21) als elektrisch leitfähige Kontaktierungsschicht ausgebildet ist.
  4. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrisch leitfähige Komponente (23) als elektrisch leitfähige Kontaktierungsschicht ausgebildet ist.
  5. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Komponente (21) und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente (23) flächendeckend ausgebildet ist/sind.
  6. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Komponente (21) und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente (23) in Form eines elektrisch leitfähigen Kontaktierungsmusters ausgebildet ist/sind.
  7. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet dass wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite elektrisch leitfähige Komponente (21, 23) als Elektrode ausgebildet sind und dass die Elektroden unterschiedliches Potentialniveau aufweisen.
  8. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste elektrisch leitfähige Komponente (21) und/oder wenigstens eine zweite elektrisch leitfähige Komponente (23) derart ausgebildet ist/sind, dass unterschiedliche Temperaturbereiche und/oder Heizzonen in der Heizschicht realisiert oder realisierbar sind.
  9. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht (22) zumindest bereichsweise als Kohlenstoff-Nanomaterial- oder Kohlenstoff-Mikromaterial-basierte Heizschicht ausgebildet ist.
  10. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Komponente (21), die Heizschicht (22) und die zweite elektrisch leitfähige Komponente (23) sandwichartig ausgebildet sind.
  11. Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrisch leitfähige Komponente (21) und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente (23) mittels eines Auftragverfahrens, insbesondere mittels eines Lichtbogen-Spritzverfahrens auf der Heizschicht aufgebracht ist/sind.
  12. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (10), gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    a) Her- oder Bereitstellen einer ersten elektrisch leitfähigen Komponente (21);
    b) Aufbringen der ersten elektrisch leitfähigen Komponente (21) auf ein Substratelement (11), wobei das Substratelement (11) ein temperatursensibles und/oder geschäumtes thermoplastisches Polymer ist;
    c) Anordnen einer Heizschicht (22) an der ersten elektrisch leitfähigen Komponente (21), wobei die Heizschicht (22) zumindest bereichsweise als Kohlenstoff-basierte Heizschicht ausgebildet wird;
    d) Her- oder Bereitstellen einer zweiten elektrisch leitfähigen Komponente (23);
    e) Anordnen der zweiten elektrisch leitfähigen Komponente (23) an der Heizschicht (22);
    wobei die erste elektrisch leitfähige Komponente (21) und/oder die zweite elektrisch leitfähige Komponente (23) ein Mehrschichtsystem ist oder Mehrschichtsysteme sind, das/die mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt und/oder an der Heizschicht (22) angeordnet wird/werden und eine erste metallische Schicht aus einem Spritzwerkstoff, der eine Schmelztemperatur aufweist, die maximal 300°C über der Temperaturbelastung des Substratelements (11) liegt, und eine Schicht aus einem weiteren Spritzwerkstoff, ausgewählt aus einem von Kupfer, Messing und Aluminium, umfasst/umfassen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zur Herstellung eines Bauteils (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass
    (i) die elektrisch leitfähigen Komponenten (21, 23) ober- und unterhalb der Heizschicht (22) und/oder an den Seiten der Heizschicht (22) vorgesehen sind; und/oder
    (ii) die erste elektrisch leitfähige Komponente (21) auf ein Substratelement (11) aufgebracht wird, insbesondere mittels eines Auftragverfahrens, bevorzugt mittels eines Lichtbogen-Spritzverfahrens; und/oder
    (iii) die Heizschicht (22) mittels eines Auftragverfahrens auf die erste elektrisch leitfähige Komponente (21) aufgebracht wird, insbesondere mittels eines Sprüh-Verfahrens, eines Roll-Verfahrens oder eines Rakel-Verfahrens; und/oder
    (iv) die zweite elektrisch leitfähige Komponente (23) mittels eines Auftragverfahrens auf die Heizschicht (22) aufgebracht wird, insbesondere mittels eines Lichtbogen-Spritzverfahrens.
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