EP4513669A1

EP4513669A1 - Stahlbauteil mit einer intergrierten antenne und verfahren zum herstellen eines stahlbauteils mit einer intergrierten antenne

Info

Publication number: EP4513669A1
Application number: EP23193574.3A
Authority: EP
Inventors: Stefan Scheiblhofer; Markus BORZ; Johannes SELL; Stefan Schuster; Thomas Blazek; Andreas Gaich; Golsa GHIAASI
Original assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Current assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Priority date: 2023-08-25
Filing date: 2023-08-25
Publication date: 2025-02-26

Abstract

Die Erfindung schafft ein Stahlbauteil (100), ein kaltumgeformtes Stahlbauteil (100) sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlbauteils (100). Das Stahlbauteil (100) umfasst:ein Grundsubstrat (110) aus einem beschichteten oder unbeschichteten Stahlblech;eine Zwischenstruktur (120), welche zumindest eine direkt auf dem Grundsubstrat aufgebrachte dielektrische Funktionsschicht (122) auf Lackbasis umfasst; undmindestens eine auf der Zwischenstruktur (120) aufgebrachte strukturierte leitfähige Schicht (130), in welcher mindestens eine Antennenflächenstruktur (140) ausgebildet ist, welche zusammen mit dem Grundsubstrat (110) als Grundfläche und mit der Zwischenstruktur (120) als Dielektrikum mindestens eine Antenne (150) ausbildet.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stahlbauteil und ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlbauteils. Das Stahlbauteil weist insbesondere eine integrierte Antenne auf, welche in vorteilhafter Weise die Eigenschaften des Stahlbauteils ausnutzt.

Technischer Hintergrund

Räume, die von metallischen oder metallisierten Flächen umschlossen sind, dämpfen elektromagnetische Wellen stark. Dies ist häufig unerwünscht, insbesondere wenn es um Gebäude mit metallischen Fassaden oder Fahrzeuge wie Züge, PKWs, LKWs, Schiffe, Flugzeuge usw. geht.

Teilweise werden nachträglich aufwändige

Signalverstärkungseinheiten installiert. Diese erfordern nicht nur zusätzliche Fertigungs- oder Montageschritte, sondern meist auch externe Zuleitungen oder Ableitungen für den Signaltransport. Bei solchen Lösungen ist es häufig unerwünscht, dass sich die nachträglich angebrachten Antennenstrukturen von der Fläche, an der sie angebracht sind, abheben und dann nicht nur unästhetisch sein können, sondern auch empfindlich gegen Umwelteinflüsse sowie Beschädigungen sind.
In der US 2021/280 963 A1 ist ein Verfahren zum Bilden einer Antenne auf der Oberfläche eines Fahrzeugs beschrieben, welches das Bilden einer Ausnehmung in einer Oberfläche des Fahrzeugs und das Einsetzen der Antenne in den Schlitz umfasst. Auch hierbei sind jedoch verschiedene Schritte nach dem Herstellen des entsprechenden Bauteils des Fahrzeugs nötig, insbesondere das Ausbilden der Ausnehmung und das Einfügen der Antenne. Darüber hinaus ist es häufig unerwünscht, dass Bauteile mit Öffnungen versehen werden, da dies Korrosion oder sonstige Verschlechterung begünstigen kann, beispielsweise eine Verschlechterung der Stabilität des Bauteils.
EP 1 630 730 B1 beschreibt ein System umfassend einen Transponder mit Patch-Antenne sowie einen Gegenstand mit einem metallischen Bestandteil. Der Transponder weist einen Transponderchip und eine Metallfläche auf, welche mit dem metallischen Bestandteil des Gegenstands galvanisch oder kapazitiv gekoppelt ist. Der Transponder wird mit einer Klebeschicht auf dem Gegenstand angebracht. Ein solches System ist anfällig gegen Umwelteinflüsse und Beschädigungen. Das System ist auch nicht integraler Bestandteil eines Stahlbauteils und kann somit auch - nicht einmal teilweise - in integrierten Schritten während der Herstellung des Stahlbauteils miterzeugt werden.
Bekannte Patch-Antennen aus dem Stand der Technik werden mit hochspezialisierten, für die Antennenfunktion stark optimierten Hochfrequenz-Dielektrika ausgebildet, insbesondere mit Laminaten. Solche Hochfrequenz-Dielektrika sind jedoch in der Handhabung schwierig; sie können insbesondere nicht direkt auf Stahlbauteile aufgebracht oder aufgedruckt werden. Darüber hinaus erfordern sie aus Stabilitätsgründen häufig die Einlage von Fasern, etwa von Glasfasermatten, was wiederum die Antenneneigenschaften verschlechtert.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Stahlbauteil bereitzustellen, welches robust gegen Umwelteinflüsse ist und dennoch eine funktionale Antenne aufweist, die bevorzugt mit möglichst wenig zusätzlichen Fertigungsschritten an dem Stahlbauteil ausbildbar ist. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlbauteils mit einer Antenne bereitzustellen, welches mit möglichst wenig zusätzlichen Schritten auskommt und somit einfach in der Umsetzung und kostengünstig in der Verwendung ist.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Dementsprechend wird ein Stahlbauteil bereitgestellt, umfassend:

ein Grundsubstrat aus einem beschichteten oder unbeschichteten Stahlblech;
eine Zwischenstruktur, welche zumindest eine direkt auf dem Grundsubstrat aufgebrachte dielektrische Funktionsschicht auf Lackbasis umfasst; und
mindestens eine auf der Zwischenstruktur aufgebrachte strukturierte leitfähige Schicht, in welcher mindestens eine Antennenflächenstruktur ausgebildet ist, welche zusammen mit dem Grundsubstrat als Grundfläche (oder: Massefläche) und mit der Zwischenstruktur als Dielektrikum (oder: Abstandhalter) mindestens eine Antenne ausbildet.

Bei der direkt auf dem Grundsubstrat aufgebrachten dielektrischen Funktionsschicht auf Lackbasis kann es sich insbesondere um ein Grundlacksystem (auch: Primer-Schicht von englisch "primer") handeln. Das Grundlacksystem kann mittels Bandbeschichtung auf dem beschichteten oder unbeschichteten Stahlblech aufgetragen werden und beispielsweise zwischen 6 Mikrometern und 100 Mikrometern (pm) dick sein, insbesondere zwischen 60 Mikrometern und 90 Mikrometern, beispielsweise 80 Mikrometer dick. Bei dem beschichteten Stahlblech kann es sich insbesondere um ein verzinktes Stahlblech handeln, das heißt ein mit Zink oder einer Zinklegierung beschichtetes Stahlblech, oder um ein Stahlblech, welches mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beschichtet ist.
Die direkt auf dem Grundsubstrat aufgebrachte dielektrische Funktionsschicht auf Lackbasis ist bevorzugt direkt auf dem Grundsubstrat abgeschieden oder aufgedruckt. Die einzelnen Elemente oder Schichten der Zwischenstruktur sind auch bevorzugt direkt aufeinander abgeschieden oder aufgedruckt. Die strukturierte leitfähige Schicht ist ebenfalls bevorzugt direkt auf der Zwischenstruktur abgeschieden oder auf dieser aufgedruckt. Die Zwischenstruktur und die strukturierte leitfähige Schicht sind somit vorteilhaft nicht, oder nicht zerstörungsfrei, von dem Grundsubstrat lösbar, was die strukturelle Haltbarkeit des Stahlbauteils als Ganzes erhöht. Jede dielektrische Schicht, insbesondere auf Lackbasis, ist zudem vorteilhaft faserfrei, d.h., sie enthält keine Fasern wie etwa ein stabilisierendes Glasfasergewebe. Dies verbesserte die Antenneneigenschaften der Antenne, während gleichzeitig das Grundsubstrat eine gute Stabilität gewährleistet.
Das Grundlacksystem bzw. die Primer-Schicht umfassen vorzugsweise Korrosionsschutzpartikel. Da diese mit der Antennenfunktion teilweise interferieren können, kann in manchen Ausführungsformen die Primer-Schicht als ein Dünnschichtprimer mit Dicken zwischen 6 Mikrometern und 10 Mikrometern ausgebildet sein, insbesondere mit etwa oder genau 6 Mikrometern Dicke.
Die Zwischenstruktur kann zusätzliche dielektrische Funktionsschichten umfassen. Dabei können mehrere oder auch alle weiteren dielektrischen Funktionsschichten ebenfalls auf Lackbasis ausgebildet sein. Die Zwischenstruktur kann darüber hinaus auch leitfähige Schichten aufweisen, beispielsweise um Zuleitungen oder Ableitungen, d.h. elektrisch Kontaktleitungen, zu der Antennenflächenstruktur auszubilden.
Die strukturierte leitfähige Schicht kann insbesondere eine strukturierte metallische Schicht sein. Alternativ kann sie auch ein leitfähiges Material auf Kohlenstoffbasis aufweisen oder daraus bestehen, z.B. Graphen oder Graphit.
Der Begriff Antennenflächenstruktur soll einen Bestandteil einer Antenne beschreiben, welcher aus einer metallischen Fläche, einer metallischen Umrandung oder Schleife (englisch "Loop") oder einer anderen Realisierungsform besteht, gemäß welcher für elektromagnetische Wellen im Wesentlichen zweidimensional wirkende Strukturen ausgebildet werden können. Beispiele für solche Antennenflächenstrukturen gemäß verschiedenen Antennentypen werden im Nachfolgenden näher erläutert werden und werden sich insbesondere aus der Bezeichnung der entsprechenden Antenne ergeben. Als die Fläche der Antennenflächenstruktur ist bei einer metallischen Fläche die Fläche an sich, bei einer metallischen Umrandung oder Schleife die umschlossene Fläche und bei anderen Realisierungsformen die entsprechend effektiv für elektromagnetische Wellen wirkende Fläche anzusehen.
Die Antennenflächenstruktur kann insbesondere eine planare Antennenflächenstruktur sein, d.h., sie kann vollständig in einer Ebene angeordnet sein. Dies kann vor oder nach einem Umformen (insbesondere Kaltumformen) des Stahlbauteils der Fall sein. Mit anderen Worten kann das Stahlbauteil so beschaffen sein, dass die Antennenflächenstruktur vor einem Umformen planar ist und nach dem Umformen nicht-planar ist, oder derart, dass die Antennenflächenstruktur vor und nach dem Umformen planar ist. Der letztere Fall kann beispielsweise auftreten, wenn nur Abschnitte des Stahlbauteils, in welchen keine Antennenflächenstruktur angeordnet ist, umgeformt werden, beispielsweise nur Abschnitte, welche Zuleitungen, Ableitungen, oder Verbindungsleitungen (d.h. elektrische Kontaktleitungen) der Antennen enthalten und/oder Abschnitte, in welchen keine strukturierte leitfähige Schicht ausgebildet ist. In manchen Varianten kann es auch der Fall sein, dass die Antennenflächenstruktur vor dem Umformen nicht-planar ist und nach dem Umformen planar ist. Dasselbe gilt auch für eine (jeweilige) elektrische Kontaktleitung der Antennenflächenstruktur, welche ebenfalls, ganz oder teilweise, vor oder nach dem Umformen, planar oder nicht-planar ausgebildet sein kann.
Es versteht sich, dass in der strukturierten leitfähigen Schicht auch mehr als eine Antenne ausgebildet sein kann, beispielsweise eine Antennenanordnung (englisch "antenna array"), insbesondere eine Sende-/Empfangsanordnung oder eine Retro-Reflektoranordnung. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn sämtliche Antennen in der strukturierten leitfähigen Schicht auf dieselbe Weise realisiert sind, das heißt insbesondere die gleiche Antennenflächenstruktur aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass in der strukturierten leitfähigen Schicht Antennen mit unterschiedlicher technischer Grundlage (d.h. unterschiedlichem Antennentyp) und/oder unterschiedlichen Antennenflächenstrukturen ausgebildet sein können.
Sofern mehrere Antennen in dem Stahlbauteil vorgesehen sind, können diese Antennen insbesondere innerhalb der strukturierten leitfähigen Schicht verschaltet sein, das heißt, die strukturierte leitfähige Schicht kann insbesondere auch Verbindungsleitungen zwischen mehreren Antennen, speziell zwischen mehreren Antennenflächenstrukturen, aufweisen. Insbesondere wenn die Antennen Teil einer (Signal-)Sende- und/oder (Signal-)Empfangsanordnung sind, können auch Teile der elektrischen Kontaktleitungen (z.B. von einem Signalgenerator zu der Antenne) und/oder Signalableitungen (z.B. von der Antenne zu einem Signalverstärker) innerhalb der strukturierten leitfähigen Schicht ausgebildet sein.
Die mindestens eine Antenne in dem Stahlbauteil kann insbesondere für ein Frequenzband innerhalb eines Frequenzbereichs von 30 MHz bis 80 GHz ausgebildet sein, beispielsweise innerhalb eines Frequenzbereichs von 2 GHz bis 7 GHz, von 55 GHz bis 85 GHz, oder von 850 MHz bis 930 MHz.
Die mindestens eine Antenne kann auch für andere Frequenzbänder optimiert sein, was insbesondere umfasst, dass die Antenne für mindestens eine Frequenz in einem solchen Frequenzband, oder im Wesentlichen gleichmäßig an alle Frequenzen des Frequenzbands, optimiert ist.
Beispielsweise kann die Antenne optimiert sein für eines oder mehrere der lizenzfreien ISM-Frequenzbänder bzw. ISM-Frequenzen, etwa:

315MHz
433-435 MHz
900-915 MHz
2400-2500 MHz
5725-5875 MHz oder
24-24.6 GHz.

Die mindestens eine Antenne kann alternativ optimiert sein für mindestens ein LTE-Frequenzband, etwa eines der folgenden:

LTE band 01 (FDD2100 - IMT)
LTE band 03 (FDD1800 - DCS)
LTE band 07 (FDD2600 - IMT-E)
LTE band 08 (FDD900 - E-GSM)
LTE band 20 (FDD800 - EUDD)
LTE band 28 (FDD700 - APT)

Die mindestens eine Antenne kann alternativ optimiert sein für mindestens ein GSM-Frequenzband, etwa eines der folgenden:

824 MHz bis 894 MHz
876 MHz bis 960MHz
1710 MHz bis 1880MHz
1850 MHz bis 1990MHz

Die mindestens eine Antenne kann alternativ optimiert sein für mindestens ein WLAN-Frequenzband, ein WIFI-Frequenzband oder ein Bluetooth-Frequenzband, etwa eines der folgenden:

2400MHz bis 2483MHz oder 2497MHz
5150 MHz bis 5725MHz
57 GHz bis 71GHz

Die mindestens eine Antenne kann alternativ optimiert sein für mindestens ein Frequenzband für RFID-Applikationen, beispielsweise für 868 MHz bis 930 MHz.
Die mindestens eine Antenne kann alternativ für mindestens ein Frequenzband Short-Range-Devices-(SRD-)Frequenz optimiert sein, beispielsweise für eines der folgenden:

863 MHz bis 870 MHz
902 MHz - 928 MHz

Die mindestens eine Antenne kann alternativ für mindestens ein GNSS-Frequenzband optimiert sein, beispielsweise für 1176.45 MHz, 1207.14 MHz, 1227.6 MHz, 1278.75 MHz und/oder 1575.42 MHz.
Die mindestens eine Antenne kann alternativ für mindestens ein Radio-Frequenzband optimiert sein, insbesondere im UKW(VHF)-Bereich, beispielsweise für ein Frequenzband von 87,5 MHz bis 108 MHz.
Die mindestens eine Antenne kann alternativ für mindestens ein Radar-Frequenzband optimiert sein, beispielsweise für das L-Band, das S-Band, das C-Band, das X-Band, das K_u-Band, das Ka-Band, das V-Band, das W-Band (jeweils gemäß ITU) und/oder ein Band von 76 GHz bis 81 GHz. Insbesondere für Stahlbauteile mit einer Retro-Reflektoranordnung sind diese Frequenzbänder vorteilhaft.
Die mindestens eine Antenne kann alternativ für mindestens ein IoT-Frequenzband optimiert sein, beispielsweise für ein ZigBee-Frequenzband um 868 MHz, 915 MHz und/oder 2450 MHz, oder für Frequenzbänder wie etwa 902 MHz bis 928 MHz, 863 MHz - 870 MHz, 779 MHz bis 787 MHz oder 470 MHz bis 510 MHz.
Einer der großen Vorteile der vorliegenden Erfindung ist es, dass Stahlbauteile, insbesondere beschichtete oder unbeschichtete Stahlbleche, häufig ohnehin mit einer (oder mehreren) Schicht(en) auf Lackbasis versehen werden, welche erfindungsgemäß als dielektrische Funktionsschichte(n) verwendet werden kann bzw. können. Der relativ simple aber dennoch vollfunktionale Aufbau der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist somit dem gegenüber mit geringem zusätzlichem Aufwand realisierbar und hat gleichzeitig viele strukturale Vorteile: Durch die integrale Anordnung der Antenne in einem Schichtsystem ist die Antenne weitgehend unempfindlich gegen Umwelteinflüsse. Das Stahlbauteil ist vorteilhaft undurchbrochen, das heißt es weist keine Löcher, Schlitze oder dergleichen auf, was die Robustheit des Stahlbauteils sowohl gegen physikalische Einflüsse als auch chemische Einflüsse (Oxidation etc.) verstärkt.
Das derart ausgebildete Stahlbauteil ist somit nicht nur hochgradig unempfindlich, sondern auch ästhetisch wohlgefällig und weist eine hohe Designfreiheit auf.
Es ist beispielsweise verwendbar in Fahrzeugteilen, insbesondere an Außenwänden von Fahrzeugteilen, wo ein geringer Strömungswiderstand bei gleichzeitig gutem Antennenempfang erwünscht ist. Ein weiterer Anwendungsbereich ergibt sich bei metallischen Gebäudefassaden, beispielsweise als eine Einrichtung, welche dazu ausgelegt ist, elektromagnetische Signale an der Außenseite des Gebäudes zu empfangen und diese an die Innenseite des Gebäudes weiterzuleiten, optional dabei zu verstärken (z.B. "repeater").
Da das erfindungsgemäße Stahlbauteil sehr robust ist und auch mit hohen Krümmungen versehen werden kann, eignet es sich auch für die Anwendung in einem oder als ein tragbares Accessoire (engl. "wearable"), etwa einem Armreif, einem Bestandteil einer Uhr oder Smartwatch oder dergleichen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, das Stahlbauteil mit besonders geringer Höhe der zusätzlichen Schichten über dem Stahlblech auszubilden. Dies kann die Designfreiheit bei der Verwendung des Stahlbauteils weiter erhöhen.
Im Folgenden wird wiederholt von den Eigenschaften "der mindestens einen Antenne" des Stahlbauteils die Rede sein. Es versteht sich, dass damit immer gemeint ist, dass die entsprechenden Eigenschaften auch auf eine Vielzahl von Antennen zutreffen können, oder dass auch verschiedene Eigenschaften auf verschiedene Antennen an ein und demselben Stahlbauteil zutreffen können.
Wie bereits erwähnt, kann die mindestens eine Antenne gemäß einer Vielzahl von im Stand der Technik bekannten Antennentypen mit unterschiedlichen Antennenflächenstrukturen ausgebildet sein. Insbesondere kann die mindestens eine Antenne als einer der folgenden Typen von Antennen (Antennentypen) ausgebildet sein:

als eine Patch-Antenne;
als Grounded-Coplanar-Patch-Antenne;
als Slotted-Patch-Antenne;
als Slot-Antenne (oder: Schlitz-Typ-Antenne);
als Folded-Monopole-Antenne;
als Loop-Antenne;
als Folded-Loop-Antenne; und/oder als
Planar-Inverted-F-Antenne.

Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen ist mindestens eine Antenne als Grounded-Coplanar-Patch-Antenne ausgebildet. Hierzu kann die mindestens eine Antennenflächenstruktur durch eine in der strukturierten leitfähigen Schicht freigelassene Grabenstruktur von einer geerdeten (oder: zu erdenden) Flächenstruktur der strukturierten leitfähigen Schicht zumindest teilweise umgeben sein. Mit anderen Worten kann die strukturierte leitfähige Schicht einen geerdeten, oder mit Erde zu verbindenden, Abschnitt aufweisen, welcher mindestens eine davon galvanisch getrennte Antennenflächenstruktur in der strukturierten leitfähigen Schicht mehrheitlich oder vollständig umschließt.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen ist die mindestens eine Antenne als Slot-Antenne (oder: Schlitz-Typ-Antenne, engl. "slot type antenna") ausgebildet. Solche Schlitz-Typ-Antennen weisen für gewöhnlich Ausnehmungen und/oder Schlitze im Grundsubstrat, d.h. im beschichteten oder unbeschichteten Stahlblech, auf.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen ist eine elektrische Kontaktleitung zu der mindestens einen Antennenflächenstruktur ganz oder teilweise in der Zwischenstruktur und/oder der strukturierten leitfähigen Schicht ausgebildet. Bei einer Mikrostreifenleitung (engl. "microstrip line") oder der Grounded-Coplanar-Patch-Antenne ist zumindest ein Teil der elektrischen Kontaktleitung in der strukturierten leitfähigen Schicht angeordnet. Bei einer koaxialen Zuleitung, oder bei Varianten, in denen die elektrische Kontaktleitung parallel zu der strukturierten leitfähigen Schicht angeordnet ist, kann diese elektrische Kontaktleitung ganz oder teilweise in der Zwischenstruktur ausgebildet sein. Dies kann z.B. bei aperturgekoppelten Zuleitungen (engl. "aperture-coupled feed") oder bei Nahfeld-gekoppelten Zuleitungen (engl. "proximity feed") der Fall sein.
Die elektrischen Kontaktleitungen können wie in der gängigen Leiterplattentechnik ausgelegt werden, d.h. je nach Antennentyp (bzw. Typ des abstrahlenden/empfangenden Elements) sind Varianten wie Mikrostreifenleitung (single-ended), differentielle Leitungssysteme, grounded-coplanar Varianten usw. realisierbar. Die konkreten Abmessungen hängen hauptsächlich von der Geometrie, insbesondere der Dicke d und den dielektrischen Eigenschaften der Zwischenstruktur ab und können jeweils vom Fachmann für den gewünschten Frequenzbereich und an die Antennenimpedanz angepasst werden.
Beispielsweise bewegt sich bei einer Dicke d der Zwischenstruktur mit 100 µm < d < 180µm die typische optimale Breite einer Mikrostreifenleitung im Impedanzfenster von 25-75 Ohm bei 0.2-0.9mm.
Für die Kontaktierung der elektrischen Kontaktleitungen stehen mehrere Varianten - ähnlich zur Kontaktierung klassischer Leiterplatten - zur Auswahl. Neben typischen Steckerlösungen sind beispielsweise auch Federkontaktierungen, Lötverbindungen, oder impedanzangepasste Klebeverbindung sowie Edge-Mount Verbindungen denkbar und ergaben in Tests gute Ergebnisse.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen weist die Zwischenstruktur eine Dicke von zwischen etwa (oder genau) 30 Mikrometern und etwa (oder genau) 300 Mikrometern, bevorzugt zwischen etwa (oder genau) 110 Mikrometern und etwa (oder genau) 230 Mikrometern, besonders bevorzugt zwischen etwa (oder genau) 140 Mikrometern und etwa (oder genau) 200 Mikrometern auf, beispielsweise von etwa (oder genau) 180 Mikrometern. Die Erfinder haben festgestellt, dass selbst eine Zwischenstruktur von derart geringer Dicke ausreicht, um Antennen mit geeigneten Eigenschaften auszubilden. Dem Erfordernis hoher Abstände zwischen Grundfläche und Antennenflächenstruktur stehen andererseits der Wunsch nach möglichst geringer Ausdehnung über dem Stahlblech sowie nach einfacher Herstellbarkeit in möglichst wenigen Schritten gegenüber. Auch hierbei haben die Erfinder festgestellt, dass die genannten Werte sich gut zum Ausgleich dieser widersprüchlichen Anforderungen eignen.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen weist die Zwischenstruktur mindestens zwei dielektrische Funktionsschichten auf, bevorzugt mindestens drei dielektrische Funktionsschichten. Die verschiedenen dielektrischen Funktionsschichten können alle oder teilweise aus demselben Material oder aus verschiedenen Materialien bestehen. Für dielektrische Funktionsschichten wird Lack als Basis bevorzugt. Die Erfinder haben festgestellt, dass dielektrische Schichten auf Lackbasis nicht nur mit bekannten und vielfach bereits vorhandenen Maschinen aufgetragen werden können, sondern überraschender Weise darüber hinaus auch mit für die Antennenfunktion der Antenne (oder die Retro-Reflektorfunktion im Falle eines Retro-Reflektors) günstigen Eigenschaften ausgebildet werden können.
Ein Vorteil von mehrschichtigen Zwischenstrukturen, die insbesondere mehrere dielektrische Funktionsschichten auf Lackbasis aufweisen, ist, dass unterschiedliche Materialien (vor allem: Lacktypen) eingesetzt werden können, um verschiedene Anforderungen zu erfüllen und Eigenschaften zu erzielen, beispielsweise: Korrosionsschutz, chemische Beständigkeit, Dielektrizitätskonstante, dielektrische Verluste, Oberflächenbeschaffenheit, Temperaturstabilität, und/oder dergleichen mehr.
Das Ausbilden (insbesondere: Auftragen) mehrerer - egal ob gleicher oder unterschiedlicher - dielektrischer Funktionsschichten aufeinander hat auch den Vorteil, dass dadurch die Wahrscheinlichkeit verringert oder eliminiert wird, dass sich durch die gesamte Zwischenstruktur hindurch eine durchgehende Pore ausbilden kann. Solche Poren können unerwünschte Durchschläge durch die Zwischenstruktur begünstigen. Darüber hinaus sind bereits bestehende Produktionsstraßen häufig mit Maschinen ausgerüstet, welche bestimmte Schichten nur bis zu einer maximalen Dicke ausbilden bzw. auftragen können. Um eine gewünschte Dicke der Zwischenstruktur zu erreichen, kann es somit vorteilhaft sein, eine dielektrische Funktionsschicht desselben Materials und optional auch derselben Dicke zwei- oder mehrfach übereinander aufzutragen.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen weist jede Funktionsschicht der Zwischenstruktur eine Dicke zwischen etwa (oder genau) 20 Mikrometern und etwa (oder genau) 80 Mikrometern auf, bevorzugt zwischen etwa (oder genau) 30 Mikrometern und etwa (oder genau) 60 Mikrometern. Die Erfinder haben festgestellt, dass bei diesen Werten eine einfache Herstellbarkeit der Zwischenstruktur des Stahlbauteils bei gleichzeitig geringer Gefahr durchgehender Poren erzielbar ist.
Um eine Gesamtdicke der Zwischenstruktur von beispielsweise etwa 110 Mikrometern bis etwa 145 Mikrometern über dem Grundsubstrat (d.h. dem Stahlblech) zu erzielen, kann beispielsweise mittels Bandbeschichtung eine Primer-Schicht von etwa 20 Mikrometern bis etwa 25 Mikrometern Dicke aufgetragen werden (erste dielektrische Funktionsschicht der Zwischenstruktur), worauf dann mittels Siebdruck o.ä. drei weitere dielektrische Funktionsschichten, insbesondere auf Lackbasis, von jeweils etwa 30 Mikrometern bis etwa 40 Mikrometern aufgetragen werden.
Bei einer Primer-Schicht von 6 Mikrometern bis 10 Mikrometern Dicke kann entsprechend mittels Siebdruck o.ä. eine Zwischenstruktur mit vier dielektrischen Funktionsschichten, insbesondere auf Lackbasis, von jeweils etwa 30 Mikrometern bis etwa 40 Mikrometern aufgetragen werden.
Bei anderen Ausführungsformen kann die Zwischenstruktur auch ausschließlich aus der Primer-Schicht (oder: Grundlack) bestehen. Mittels Bandbeschichtung kann diese beispielsweise mit einer Dicke d von zwischen 80 Mikrometern und 100 Mikrometern aufgetragen werden.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen weist die Zwischenstruktur mindestens eine pigmentierte Lackschicht auf. Die Pigmente können beispielsweise eine Anti-Diffusionswirkung aufweisen, sodass die pigmentierte Lackschicht auch als "Diffusionsbarriere" oder "Barriereschicht" bezeichenbar ist. Die Pigmente können beispielsweise auf Metallbasis (z.B. Titandioxid) oder Silikatbasis ausgebildet sein. Schichten mit signifikanter Leitfähigkeit sind hierbei weniger bevorzugt, um die Wirkung der Antenne nicht zu beeinträchtigen.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen weist die strukturierte leitfähige Schicht ein Metall auf oder besteht aus einem Metall, und weist insbesondere Silber und/oder Kupfer auf oder besteht aus Silber und/oder Kupfer (d.h. sie kann als eine Silberschicht, Kupferschicht, oder aus einer Mischung von Kupfer und Silber ausgebildet sein). Beispielsweise kann die gesamte strukturierte leitfähige Schicht aus Silbertinte, Kupfertinte, oder einer aus Silber und Kupfer gemischten oder enthaltenden Tinte) bestehen, die mittels eines Druckverfahrens (z.B. mit einem Siebdruckverfahren oder einem Tröpfchenstrahldruckverfahren, engl. "ink jet printing") auf die Zwischenstruktur aufgedruckt wird bzw. wurde.
Weiterhin kann die strukturierte leitfähige Schicht Graphen und/oder Graphit aufweisen oder daraus bestehen. Beispielsweise kann die gesamte strukturierte leitfähige Schicht aus Graphentinte, Graphittinte, oder einer aus Graphen und Graphit gemischten oder enthaltenden Tinte bestehen, die mittels eines Druckverfahrens (z.B. mit einem Siebdruckverfahren oder einem Tröpfchenstrahldruckverfahren, engl. "ink jet printing") auf die Zwischenstruktur aufgedruckt wird bzw. wurde.
Die strukturierte leitfähige Schicht kann auch aus einer Tinte bestehen, welche eine Mischung aus Kupfer, Silber, Graphen, und/oder Graphit aufweist und welche mittels eines Druckverfahrens (z.B. mit einem Siebdruckverfahren oder einem Tröpfchenstrahldruckverfahren, engl. "ink jet printing") auf die Zwischenstruktur aufgedruckt wird bzw. wurde.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen kann die strukturierte leitfähige Schicht zwischen etwa (oder genau) 1 Mikrometer und etwa (oder genau) 30 Mikrometern dick sein, bevorzugt zwischen etwa (oder genau) 3 Mikrometern und etwa (oder genau) 10 Mikrometern, zum Beispiel 8 Mikrometer, 9 Mikrometer, oder 10 Mikrometer dick. Insbesondere wenn es sich bei der strukturierten leitfähigen Schicht um eine Silberschicht und/oder eine Kupferschicht handelt, sind diese Werte besonders gut geeignet, um einen Ausgleich zwischen ausreichender Dicke für die Antennenwirkung bzw. einer zuverlässigen elektrischen Leitfähigkeit einerseits sowie Anforderungen an das Druckverfahren und die maximale Höhe des Stahlbauteils andererseits zu schaffen.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen ist über der strukturierten leitfähigen Schicht eine Schutzfolie angebracht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das beschichtete Stahlbauteil außerdem zur Kaltumformung ausgelegt ist. Die Schutzfolie kann dabei die strukturierte leitfähige Schicht vor Beschädigung durch die Kaltumformung schützen.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen umfasst das Stahlbauteil eine Antennenanordnung mit einer Mehrzahl von Antennen sowie mit mindestens einem Anpassungselement in der strukturierten leitfähigen Schicht. Bei dem mindestens einen Anpassungselement kann es sich beispielsweise um einen Kombinierer (engl. "combiner"), eine Weiche (engl. "divider") und/oder ein Impedanzanpassungselement handeln, etwa eine Verjüngung oder Verbreiterung in einer elektrischen Leitung in der strukturierten leitfähigen Schicht. Die Mehrzahl von Antennen ist insbesondere über demselben Grundsubstrat als Grundfläche, mit derselben Zwischenstruktur als Dielektrikum, und mit derselben strukturierten leitfähigen Schicht ausgebildet.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen ist die Antennenanordnung als eine Sende- und/oder Empfangsanordnung ausgebildet. Bevorzugt ist diese mit mindestens einem Signalverstärker und/oder Signalgenerator koppelbar oder gekoppelt, welcher besonders bevorzugt ebenfalls in dem Stahlbauteil oder an dem Stahlbauteil ausgebildet ist.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen ist die Antennenanordnung als eine elektrisch abgeschlossene (oder: isolierte) Retro-Reflektoranordnung, insbesondere eine Radar-Retro-Reflektoranordnung, ausgebildet. Insbesondere im Gegensatz zu Sende-/Empfangsanordnungen sind Retro-Reflektoranordnungen somit nicht mit Signalgeneratoren oder Signalsenken gekoppelt, sondern dienen lediglich dem gezielten (oder: gerichteten) Reflektieren einfallender elektromagnetischer Strahlung. Für diese, aber vorteilhaft auch für verschiedene andere Anwendungen und Ausführungsformen, kann somit das erfindungsgemäße Stahlbauteil als rein passives Stahlbauteil realisiert sein, also insbesondere ohne eine externe Stromversorgung.
Unter einer Retro-Reflektoranordnung kann generell eine Anordnung verstanden werden, welche dazu ausgelegt ist, eintreffende elektromagnetische Strahlung in eine definierte Richtung zurückzuwerfen oder umzulenken. Beispielsweise kann die Retro-Reflektoranordnung so ausgebildet sein, dass sie eingehende Signale genau in die Richtung zurückwirft, aus denen diese stammen. Solche Retro-Reflektoranordnungen können beispielsweise eine bessere Erkennung des Stahlbauteils mittels Radar bewirken, was insbesondere sinnvoll ist, wenn das Stahlbauteil ein Fahrzeugteil, ein Fassadenteil, ein Laternenmast, oder ein Straßenschild ist.
Alternativ könnte die Retro-Reflektoranordnung aber auch dazu ausgebildet sein, eingehende Signale in andere Richtungen als die eingehende Richtung abzulenken bzw. zu re-emittieren. Dies kann beispielsweise die Erkennung des Stahlbauteils mittels Radar erschweren, was etwa für militärische Fahrzeuge von Nutzen sein kann. Eine andere Anwendung hierfür wäre die Signalumlenkung an Gebäudefassaden, etwa von Mobilfunkmasten auf Häusern hinunter in enge Häuserschluchten, durch erfindungsgemäße Stahlbauteile als Gebäudefassadenteile.
Eine Retro-Reflektoranordnung kann auch dazu ausgebildet sein, eingehende elektromagnetische Strahlung in genau die eingehende Richtung zurückzulenken. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Stahlbauteil aus möglichst vielen (oder sogar allen) Richtungen gleich gut elektromagnetisch zu erfassen ist, beispielsweise von einem Infrarot- oder Radarsensor.
Ein und dasselbe Stahlbauteil kann sowohl (mindestens) eine Sendeanordnung, (mindestens) eine Empfangsanordnung und/oder (mindestens) eine Retro-Reflektoranordnung aufweisen, welche jeweils für denselben, oder für verschiedene Frequenzbereiche, optimiert sein können.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen ist über der strukturierten leitfähigen Schicht eine Decklackierung aufgebracht. Die Decklackierung kann die Aufgabe haben, die strukturierte leitfähige Schicht vor äußeren Einflüssen oder Beschädigungen zu schützen und/oder ästhetische Zwecke erfüllen. Somit erhöht die Decklackierung nicht nur die Robustheit des Stahlbauteils, sondern auch dessen Einsatzfähigkeit bzw. Designfreiheit.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen weist das Stahlbauteil im Bereich der Antennenflächenstruktur und/oder der elektrischen Kontaktleitung eine Krümmung auf. Die Krümmung kann dabei derart gestaltet sein, dass krümmungszentrumsferne Abschnitte des Stahlbauteils gegenüber dem planaren (unumgeformten) Zustand des Stahlbauteils eine Dehnung von bis zu 15%, bis zu 20% oder sogar bis zu 40% aufweisen. Der integrierte Aufbau des erfindungsgemäßen Stahlbauteils ermöglicht nämlich eine zerstörungsfreie Krümmung des Stahlbauteils auch nach dem Ausbilden der Zwischenstruktur und/oder der strukturierten leitfähigen Schicht, beispielsweise durch nachfolgende Kaltumformung. Somit können Stahlbauteile mit hoher Designfreiheit und in einfacher Weise sogar mit gekrümmten Abschnitten hergestellt werden, die gleichzeitig eine funktionierende Antenne (oder eine Antennenanordnung oder zumindest eine elektrische Kontaktleitung) aufweisen.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen beträgt ein Flächenverhältnis der strukturierten leitfähigen Schicht oder einer von der Antennenflächenstruktur eingerahmten oder abgedeckten Fläche zur Fläche des Grundsubstrats 1:20 oder weniger, bevorzugt 1:50 oder weniger. Bei mehreren Antennenflächenstrukturen kann dies für jede einzelne Antennenflächenstruktur, oder sogar für alle Antennenflächenstrukturen zusammen gelten. Somit besteht eine hohe Designfreiheit, wo die Antennenflächenstruktur(en) über dem Grundsubstrat angeordnet werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Stahlbauteil gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung bereit, welches kaltumgeformt wurde, d.h. ein kaltumgeformtes erfindungsgemäßes Stahlbauteil. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die mindestens eine Antennenflächenstruktur vor der Kaltumformung planar war und bei dem kaltumgeformten Stahlbauteil nicht-planar ist.
Bei dem Stahlbauteil, insbesondere dem kaltumgeformten Stahlbauteil, kann es sich bevorzugt um ein Fahrzeugteil oder einen Gebäudefassadenteil handeln. Für Fahrzeugteile kommen beispielsweise Türen oder Dächer von Fahrzeugen wie etwa Flugzeugen, Schiffen, Zügen, LKWs oder PKWs in Betracht. Somit kann etwa die üblicherweise am Dach eines Fahrzeugs in Form eines flexiblen Stabs oder einer "Haifischflosse" angebrachte Radio- und/oder Mobilfunkantenne unsichtbar im Dach des Fahrzeugs integriert werden. Bei Gebäudefassadenteilen kann es sich beispielsweise um Verkleidungen von Gebäudefassaden handeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Stahlbauteils bereit, mit den Schritten:

Bereitstellen eines (elektrisch leitfähigen) Grundsubstrats aus einem beschichteten oder unbeschichteten Stahlblech;
Ausbilden einer Zwischenstruktur, umfassend ein Aufbringen zumindest einer dielektrischen Funktionsschicht auf Lackbasis direkt auf das Grundsubstrat; und
Ausbilden einer strukturierten leitfähigen Schicht direkt auf der Zwischenstruktur derart, dass in der strukturierten leitfähigen Schicht mindestens eine Antennenflächenstruktur ausgebildet ist, welche zusammen mit dem Grundsubstrat als Grundfläche und mit der Zwischenstruktur als Abstandhalter mindestens eine Antenne ausbildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Stahlbauteils eignet sich besonders zum Herstellen des Stahlbauteils gemäß der Ausführungsformen des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung, d.h. des erfindungsgemäßen Stahlbauteils. Somit sind die Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß und für alle beschriebenen oder implizierten Varianten, Optionen, Modifikationen oder Abwandlungen des erfindungsgemäßen Stahlbauteils entsprechend anpassbar, und umgekehrt.
Das Bereitstellen des Grundsubstrats aus einem beschichteten Stahlblech kann ein Bereitstellen eines unbeschichteten Stahlblechs und ein darauffolgendes Beschichten des unbeschichteten Stahlblechs umfassen. Bei dem beschichteten Stahlblech kann es sich insbesondere um ein verzinktes Stahlblech handeln, das heißt ein mit Zink oder einer Zinklegierung beschichtetes Stahlblech, oder um ein Stahlblech, welches mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beschichtet ist.
Das Aufbringen zumindest der dielektrischen Funktionsschicht auf Lackbasis direkt auf das Grundsubstrat kann auch als "Grundlackierung" bezeichnet werden. Dies kann beispielsweise erfolgen mittels:

Bandbeschichtung (englisch "Coil Coating"),
Siebdruck,
Digitaldruck,
Tröpfchenstrahldruckverfahren (englisch "Inkjet"),
Pulverlackierung,
Tauchverfahren,
Sprühverfahren (englisch "Airbrush")
und/oder Schlitzdüsenverfahren (englisch "Slot-die Coating").

Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen erfolgt das Ausbilden der Zwischenstruktur durch ein Auftragen einer Mehrzahl von dielektrischen Funktionsschichten aufeinander. Diese können ausgebildet sein wie im Vorangehenden bereits besprochen wurde, insbesondere aus denselben oder verschiedenen Materialien, mit denselben oder verschiedenen Dicken, mit den beschriebenen bevorzugten Einzeldicken und/oder Gesamtdicken, und bevorzugt auf Lackbasis.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen erfolgt das Auftragen einer einzelnen dielektrischen Funktionsschicht, insbesondere einer oder jeder dielektrischen Funktionsschicht nach/auf dem Grundlack, insbesondere mittels:

Das Ausbilden der strukturierten leitfähigen Schicht kann insbesondere umfassen (oder bestehen aus):

a) Ausbilden einer unstrukturierten leitfähigen Schicht und darauffolgendes Strukturieren der leitfähigen Schicht (beispielsweise durch Ätzen mit oder ohne Ätzmaske oder dergleichen); oder
b) Auftragen der leitfähigen Schicht in bereits strukturierter Form, beispielsweise mittels eines Druckverfahrens.

Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen erfolgt das Ausbilden der strukturierten leitfähigen Schicht auf der Zwischenstruktur mittels:

Siebdruck,
Digitaldruck,
Tröpfchenstrahldruckverfahren (englisch "Inkjet"),
Rotationssiebdruck,
Flexodruck,
Schablonendruck,
und/oder Rollenverfahren.

Wie im Vorangehenden bereits beschrieben wurde, kann die strukturierte leitfähige Schicht insbesondere mittels einer (oder als eine) metallischen Tinte, bevorzugt einer Silbertinte, auf die Zwischenstruktur aufgetragen, insbesondere aufgedruckt werden. Mit anderen Worten erfolgt das Ausbilden der strukturierten leitfähigen Schicht besonders bevorzugt durch ein Aufdrucken mindestens einer strukturierten Schicht Silbertinte.
Besonders vorteilhaft ist bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass die genannten Schritte zum Herstellen des Stahlbauteils ohnehin für die meisten Stahlbauteile bei deren Fertigung verwendet werden und somit nur geringe Modifikationen nötig sind, um das erfindungsgemäße Verfahren in einem bestehenden System zu implementieren.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen, Varianten und Verfeinerungen von Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen umfasst das Verfahren außerdem die Schritte:

Optionales Aufbringen einer Schutzfolie über der strukturierten leitfähigen Schicht; und
Kaltumformen zumindest eines Teils des Stahlbauteils, ggfs. während die Schutzfolie aufgebracht ist. Die Schutzfolie kann Beschädigungen der Antenne während des Umformens verringern oder verhindern.

Gemäß einigen bevorzugten Ausführungsformen, Varianten oder Verfeinerungen von Ausführungsformen wird bei dem Kaltumformen unter anderem ein Abschnitt der strukturierten leitfähigen Schicht umgeformt, welcher mindestens eine der mindestens einen Antennenflächenstruktur und/oder einer elektrischen Kontaktleitung zu der Antennenflächenstruktur umfasst. Hierdurch ergibt sich eine hohe Designfreiheit.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nachstehend anhand von

Ausführungsbeispielen in den Figuren der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen hierbei:

Fig. 1: eine schematische Querschnittsansicht durch ein Stahlbauteil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: eine schematische Querschnittsansicht durch ein Stahlbauteil gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3: eine schematische Querschnittsansicht durch ein Stahlbauteil gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4: eine schematische Querschnittsansicht durch ein Stahlbauteil gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5A-5E: schematische Ansichten möglicher Antennentypen der Antenne in erfindungsgemäßen Stahlbauteilen; und
Fig. 6: ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In sämtlichen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nicht anders angegeben ist

mit denselben Bezugszeichen versehen worden. Die Bezeichnung und Nummerierung der Verfahrensschritte impliziert nicht zwangsläufig eine Reihenfolge, sondern dient der besseren Unterscheidung, obwohl in einigen Varianten die Reihenfolge auch der Reihenfolge der Nummerierung entsprechen kann.

Detaillierte Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch ein Stahlbauteil 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Stahlbauteil 100 umfasst ein elektrisch leitfähiges, beschichtetes oder unbeschichtetes Stahlblech, beispielsweise ein verzinktes Stahlblech, als ein Grundsubstrat 110. Direkt auf dem Grundsubstrat 110 (genauer: auf einer leitfähigen Oberfläche des Grundsubstrats 110) ist eine Zwischenstruktur 120 aufgebracht.
Die Dicke des Grundsubstrats 110 spielt bei vielen Antennensystemen auch aufgrund der geringen Eindringtiefe von elektromagnetischen Wellen bei typischen verwendeten Frequenzen keine erhebliche Rolle. Bei Schlitz-Typ-Antennen kann die Dicke des Grundsubstrats 110 jedoch eine Rolle spielen, da in diesem Fall durch das Grundsubstrat 110 hindurch Schlitze ausgebildet werden. Für diesen Fall kann die Dicke des Grundsubstrats beispielsweise zwischen 0.5mm und 1.0mm bis 9mm liegen.
Bei der Ausführungsform von Fig. 1 besteht die Zwischenstruktur 120 aus einer direkt auf dem Grundsubstrat 110 aufgebrachten ersten dielektrischen Funktionsschicht 122 auf Lackbasis sowie einer direkt auf dieser ersten dielektrischen Funktionsschicht 122 aufgebrachten zweiten dielektrischen Funktionsschicht 124, bevorzugt ebenfalls auf Lackbasis. Die ersten und zweiten dielektrischen Funktionsschichten 122, 124 können aus demselben Lackmaterial bestehen oder verschiedene Lackmaterialien aufweisen. Mögliche Lacktypen sind beispielsweise:

Polyester;
Polyurethan (PU);
Polyvinylchlorid (PVC);
Epoxy / Epoxidharz;
Acrylat;
Methacrylat;
und/oder dergleichen mehr.

Der Begriff "zweite dielektrische Funktionsschicht" soll hierbei nicht bedeuten, dass es sich dabei zwangsläufig um eine einzelne Funktionsschicht handelt, sondern soll als abstrakte Bezeichnung zur Unterscheidung von der ersten dielektrischen Funktionsschicht 122 verstanden werden, welche direkt auf das Grundsubstrat 110 aufgebracht ist. Demnach kann es eine oder mehrere zweite dielektrische Funktionsschichten 124 geben, wie auch im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 erläutert werden wird.
Unmittelbar auf der Zwischenstruktur 120, auf deren von dem Grundsubstrat 110 abgewandten Seite, ist eine strukturierte leitfähige Schicht 130 aufgebracht. In der strukturierten leitfähigen Schicht 130 ist, realisiert durch die Strukturierung, mindestens eine Antennenflächenstruktur 140 ausgebildet. Die Antennenflächenstruktur 140 kann beispielsweise in Form eines Patches oder einer Loop ausgebildet sein.
Der Patch kann bevorzugt eine quadratische, rechtwinklige, kreisförmige, elliptische und/oder andere regelmäßige oder unregelmäßige Form aufweisen; dies gilt analog auch für eine metallische Schleife oder Loop, welche in der strukturierten leitfähigen Schicht 130 auf der Zwischenstruktur 120 ausgebildet sein kann. Im Nachfolgenden werden einige besonders bevorzugte Ausgestaltungen von Antennenflächenstrukturen 140 näher beschrieben werden, insbesondere mit Bezug auf Fig. 5A-5E.
Die Antennenflächenstruktur 140 bildet zusammen mit dem Grundsubstrat 110 als Grundfläche und mit der Zwischenstruktur 120 als Dielektrikum (oder: Abstandhalter) eine Antenne 150 aus. Sind mehrere Antennenflächenstrukturen 140 in der strukturierten leitfähigen Schicht 130 ausgebildet, können das Grundsubstrat 110 und die Zwischenstruktur 120 vorteilhaft als Grundfläche bzw. Dielektrikum für jede der Antennen fungieren.
Es ist somit auch für viele Anwendungen unnötig, die Strukturierung der strukturierten leitfähigen Schicht 130 gegenüber dem Grundsubstrat 110 und allen einzelnen Schichten der Zwischenstruktur 120 präzise auszurichten, da das Grundsubstrat 110 und die Zwischenstruktur 120 vorteilhaft in horizontaler Richtung, das heißt parallel zur Ausdehnung des blechförmigen Grundsubstrats 110, uniform ausgebildet sind.
Zum Ausbilden einer Vielzahl von Antennen innerhalb des Stahlbauteils 100 kann es somit ausreichend sein, mit einfachen Beschichtungsverfahren (zum Beispiel Druckverfahren, Tauchverfahren oder dergleichen) die Zwischenstruktur 120 aufzutragen, wobei eine Ausdifferenzierung der einzelnen Antennen 150 ausschließlich durch eine geeignet strukturierte leitfähige Schicht 130 realisiert werden kann. Es ist somit ersichtlich, wie der Aufbau des Stahlbauteils 100 gemäß der vorliegenden Erfindung eine einfache, im industriellen Maßstab durchführbare, und gleichzeitig mit einer jeglichem Bedarf entsprechenden Komplexität herstellbar ist. Ein Zuschneiden des Stahlbauteils 100 kann dann vorzugsweise nach der Fertigstellung der Antenne 150 maßgenau erfolgen.
Dies gilt insbesondere dann, wenn auch die elektrischen Kontaktleitungen der (oder: zu der) Antenne 150, in der strukturierten leitfähigen Schicht 130 ausgebildet sind.
Die Erfinder haben festgestellt, dass für die Zwischenstruktur 120 insbesondere eine Dicke d von zwischen etwa (oder genau) 30 µm und etwa (oder genau) 300 µm geeignet ist. Besonders bevorzugt ist eine Dicke d zwischen etwa (oder genau) 110 µm und etwa (oder genau) 230 µm, und besonders bevorzugt zwischen etwa (oder genau) 140 µm und etwa (oder genau) 200 µm.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 kann dies beispielsweise durch eine erste dielektrische Funktionsschicht 122 von zwischen 70 µm und 90 µm Dicke sowie eine zweite dielektrische Funktionsschicht 124 mit einer Dicke von zwischen 20 µm und 40 µm realisiert werden. Die erste dielektrische Funktionsschicht 122 kann mit der Dicke von 70 µm bis 90 µm, bevorzugt 75 µm bis 85 µm, besonders bevorzugt 80 µm, beispielsweise mittels Bandbeschichtung auf dem Grundsubstrat 110 aufgetragen werden.
Die zweite dielektrische Funktionsschicht 124 kann beispielsweise ebenfalls mittels Bandbeschichtung (zum Beispiel mit einer Dicke zwischen 20 µm und 25 um), mittels Siebdruck (beispielsweise mit einer Dicke zwischen 30 µm und 40 µm) und/oder dergleichen ausgebildet werden. Als eine Variante des Stahlbauteils 100 können auch zwei zweite dielektrische Funktionsschichten 124 mit der beschriebenen Dicke ausgebildet werden, sodass die Dicke d der Zwischenstruktur 120 dann beispielsweise zwischen 110 µm und 160 µm liegen kann. Ein weiteres Beispiel wäre ein Stahlbauteil 100 mit einer ersten dielektrischen Funktionsschicht 122 von 80 µm Schichtdicke (z.B. mittels Bandbeschichtung aufgebraucht), und mit vier zweiten dielektrischen Funktionsschichten 124 mit jeweils 35 µm Schichtdicke (z.B. mittels Siebdruck aufgebracht), sodass sich eine Dicke d der Zwischenstruktur 120 von 220 µm ergibt.
Die zweite dielektrische Funktionsschicht 124 (oder eine von mehreren solchen) kann als eine pigmentierte Lackschicht ausgebildet sein, beispielsweise als Diffusionsbarriere.
Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, kann insbesondere die erste dielektrische Funktionsschicht 122, welche auch als Grundlack oder Primer-Schicht bezeichenbar ist, das gesamte Grundsubstrat 110 oder zumindest den Großteil einer Oberfläche des Grundsubstrats 110 auf einer Seite des Stahlblechs bedecken, während die zweite dielektrische Funktionsschicht 124 im Gegensatz dazu mit kleinerer Fläche, das heißt lokal begrenzt, ausgebildet sein kann. Dies hat den Vorteil, dass in standardisierten Verfahren teilweise standardmäßig beschichtete oder unbeschichtete Stahlbleche zunächst mit einem Grundlack versehen werden, bevor sie weiterverarbeitet werden.
Im Gegensatz dazu kann dann das Auftragen der zweiten dielektrischen Funktionsschicht 124 ressourcenschonend gezielter erfolgen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die zweite dielektrische Funktionsschicht 124 die gesamte, von dem Grundsubstrat 110 abgewandte Oberfläche der ersten dielektrischen Funktionsschicht 122 bedeckt. Ebenso kann die strukturierte leitfähige Schicht 130 die gesamte, von der ersten dielektrischen Funktionsschicht 122 abgewandte Oberfläche der (ggfs. obersten) zweiten dielektrischen Funktionsschicht 124 bedecken, oder nur einen Teil davon.
Die strukturierte leitfähige Schicht 130 kann insbesondere Silber aufweisen oder aus Silber bestehen, wobei auch andere Varianten und Materialien möglich sind, wie im Vorangehenden beschrieben wurde. In einigen vorteilhaften Varianten kann das Ausbilden der strukturierten leitfähigen Schicht 130 durch ein Aufdrucken der strukturierten leitfähigen Schicht 130 auf die zweite dielektrische Funktionsschicht 124 erfolgen, bzw. bei mehreren zweiten dielektrischen Funktionsschichten 124 auf deren oberste. Bevorzugte Verfahren hierfür sind Siebdruck, Digitaldruck, Tröpfchenstrahldruck, Rotationssiebdruck, Flexodruck, Schablonendruck, oder Rollenverfahren.
Bei einer konkreten Ausführungsform kann das Stahlbauteil 100 eine erste dielektrische Funktionsschicht 122 aus einer Polyester-Polyurethan-Mischung aufweisen, welche mittels Bandbeschichtung auf das Grundsubstrat 110 aufgetragen wurde. Die zweite dielektrische Funktionsschicht 124 kann auf Acrylat-Basis ausgebildet sein und mittels Siebdruck auf die erste dielektrische Funktionsschicht 122 aufgedruckt sein. Die strukturierte leitfähige Schicht 130 schließlich kann aus Silbertinte bestehen und auf die Zwischenstruktur 120 mittels Siebdruck aufgedruckt sein.
Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch ein Stahlbauteil 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Stahlbauteil 200 ist eine Variante des Stahlbauteils 100 und unterscheidet sich von diesem dadurch, dass statt einer einzelnen zweiten dielektrischen Funktionsschicht 124 eine Mehrzahl von zweiten dielektrischen Funktionsschichten 224-1, 224-2, 224-3, 224-4 (im Folgenden teilweise zusammenfassend als 224-i bezeichnet) auf der ersten dielektrischen Funktionsschicht 122 aufgebracht ist.
Wie in Fig. 2 ersichtlich ist, können insbesondere (aber nicht zwingend) vier zweite dielektrische Funktionsschichten 224-i vorgesehen sein, die jeweils aus demselben Material (z.B. auf Acrylat-Basis), aber auch aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein können. Die Schichtdicke der einzelnen zweiten dielektrischen Funktionsschichten 224-i ist vorteilhaft im Wesentlichen (oder genau) gleich. Der Abstand zwischen der durch das Grundsubstrat 110 gebildeten Grundfläche der Antenne 150 und der Antennenflächenstruktur 140 ist somit die Dicke d der Zwischenstruktur 120, gebildet als Summe aus den vier Schichtdicken der zweiten dielektrischen Funktionsschichten 224-i und der Schichtdicke der ersten dielektrischen Funktionsschicht 122. Beträgt die Schichtdicke der ersten dielektrischen Funktionsschicht 122 beispielsweise 25 Mikrometer, und die Schichtdicke jeder der zweiten dielektrischen Funktionsschichten 224-i jeweils 30 Mikrometern, ergibt sich eine Dicke d der Zwischenstruktur von 145 Mikrometern.
Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch ein Stahlbauteil 300 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Stahlbauteil 300 ist eine Variante des Stahlbauteils 200 und unterscheidet sich von diesem dadurch, dass über den zweiten dielektrischen Funktionsschichten 224-i, über der strukturierten leitfähigen Schicht 130 sowie zumindest über einem Teil der ersten dielektrischen Funktionsschicht 122 eine Decklackierung 360 (d.h. eine Abdeckschicht auf Lackbasis) aufgebracht ist. Die Decklackierung 360 kann dem Schutz der mindestens einen Antennenflächenstruktur 140 dienen. Bei dem Design des Stahlbauteils 300, insbesondere der mindestens einen Antenne 150, werden die elektrischen Eigenschaften der Decklackierung 360 (oder: Decklackschicht) vorteilhaft berücksichtigt.
Bei der Decklackierung 360 kann es sich beispielsweise auch um eine farbige Lackierung handeln, wie etwa um die Außenlackierung eines Fahrzeugbauteils. Das Stahlbauteil 300 kann somit beispielsweise ein Fahrzeugbauteil mit integrierter Antenne 150 (und/oder mit integrierter Retro-Reflektoranordnung) an einer (geplanten) Außenseite des Fahrzeugs sein.
Fig. 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch ein Stahlbauteil 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Stahlbauteil 400 ist eine Variante des Stahlbauteils 100 und unterscheidet sich von diesem dadurch, dass das Stahlbauteil 400 zumindest lokal eine Krümmung aufweist. Diese kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Stahlbauteil 400 an seiner Außenseite 401 (d.h. der von dem Grundsubstrat 110 abgewandten Außenfläche der strukturierten leitfähigen Schicht 130) eine größere Dehnung aufweist als an seiner Innenseite 402 (d.h. an der freistehenden Außenfläche des Grundsubstrats 110). Die Außenseite 401 kann gegenüber der Innenseite 402 um 10%, 20%, 25% oder sogar 40% gedehnt sein.
Alternativ kann auch ein äußerer Krümmungsradius R der Außenseite 401 definiert werden, um eine lokale Krümmung eines Abschnitts des Stahlbauteils 400 zu beschreiben, insbesondere eines Abschnitts, welcher mindestens eine Antennenflächenstruktur 140 und/oder eine Antenne 150 und/oder eine elektrische Kontaktleitung beinhaltet. Hierbei kann R beispielsweise zwischen 1mm und 10 Metern liegen. Für einen Abschnitt, welcher mindestens eine Antennenflächenstruktur 140 aufweist, kann der äußere Krümmungsradius R beispielsweise zwischen 20 mm und 10 m liegen. Für einen Abschnitt, welcher keine Antennenflächenstruktur, aber mindestens eine elektrische Kontaktleitung aufweist, kann der äußere Krümmungsradius beispielsweise zwischen 1 mm und 50 mm liegen. Generell können insbesondere Abschnitte mit elektrischen Kontaktleitungen aber ohne Antennenflächenstrukturen 140 mit einer stärkeren Krümmung ausgebildet oder versehen werden als Abschnitte mit mindestens einer Antennenflächenstruktur 140.
Wie bereits erläutert wurde, ermöglicht die integrierte Anordnung der erfindungsgemäßen Stahlbauteile 100-400 es, das Stahlbauteil 100-400 mittels Kaltumformung zu verformen, ohne dass dabei die Antenne 150 oder deren elektrische Kontaktleitungen zerstört werden, was eine hohe Designfreiheit mit sich bringt. Das gesamte Stahlbauteil 400 kann die genannte Krümmung aufweisen, oder die Krümmung kann lediglich lokal vorhanden sein, während andere Abschnitte des Stahlbauteils 400 krümmungsfrei sind (r=R=unendlich), oder das Stahlbauteil 400 kann verschiedene Krümmungen in verschiedene Richtungen aufweisen. Die Krümmung oder die Krümmungen können konvexe Krümmungen wie in Fig. 4 und/oder konkave Krümmungen sein.
Die Erfindung ermöglicht es, wie schon erläutert wurde, insbesondere mindestens einen Abschnitt des Stahlbauteils mit einer Krümmung zu versehen, welcher mindestens eine Antennenflächenstruktur 140 und/oder mindestens eine Antenne 150 und/oder mindestens eine elektrische Kontaktleitung beinhaltet. Gerade solche Abschnitte sind mit herkömmlichen Techniken entweder nicht zu krümmen, oder nicht mit entsprechenden Strukturen versehbar.
Die erfindungsgemäßen Stahlbauteile 100-400 unterstützen zahlreiche klassische Verfahren aus dem Bereich der Kaltumformung wie etwa Biegen, Kanten, Tiefziehen und/oder dergleichen mehr. Je nach Auswahl der Materialien der Zwischenstruktur 120 (insbesondere: des Lacksystems) sind große Umformgrade bis hinunter zu etwa 1T entsprechend Biegeversuchen in einem T-Bend-Test möglich, d.h. beispielsweise Dehnraten von bis zu 50%.
Die Antennenflächenstrukturen 140 (d.h. die abstrahlenden bzw. empfangenden Antennenelemente) werden - ohne Einschränkung der Allgemeinheit - typischerweise in Bereichen des Grundsubstrats 110 mit geringerem Umformgrad aufgebracht werden. Die Unebenheit / Wölbung im Bereich der mindestens einen Antennenflächenstruktur 140 im umgeformten Zustand des Grundsubstrats 110 kann im Antennendesign z.B. in einer 3D Finite-Elemente-Methoden-(FEM-)Simulation berücksichtigt werden. Dazu werden die typischerweise im planaren Zustand gedruckten Antennenflächenstrukturen dementsprechend vorverzerrt, und dann mittels Kaltumformung in die gewünschte Endform mit den gewünschten Antennenparametern gebracht.
Nicht nur die Geometrie, sondern auch die potentielle Ausdünnung der leitfähigen strukturierten leitfähigen Schicht 130 durch lokale Verformung kann so berücksichtigt werden. Elektrische Kontaktleitungen werden typischerweise auch im Bereich stärkerer Umformung - z.B. um Kanten - geführt.
In einigen Ausführungsformen ist daher mindestens eine elektrische Kontaktleitung an einem Abschnitt des Stahlbauteils mit einer höheren Krümmung angeordnet als die Krümmung eines Abschnitts des Stahlbauteils im Bereich mindestens einer Antenne, wobei letztere vorzugsweise nichtverschwindend ist.
Es versteht sich, dass nicht nur das Stahlbauteil 100 aus Fig. 1, sondern auch die Stahlbauteile 200; 300 aus Fig. 2 und Fig. 3 sowie Stahlbauteile gemäß beliebigen anderen Ausführungsformen ebenfalls mit einer oder mehreren Krümmungen ausgebildet werden können.
Fig. 5A-5E zeigen schematische Ansichten möglicher Antennentypen A-E der Antenne 150 in erfindungsgemäßen Stahlbauteilen. Demnach können die erfindungsgemäßen Stahlbauteile so ausgebildet werden, dass mindestens eine Antenne 150 darin einem dieser Antennentypen entspricht, wobei die Antennentypen in den Fig. 5A-5E nicht erschöpfend sind, sondern nur eine Auswahl möglicher Antennentypen zur Illustration der Realisierbarkeit mithilfe der vorliegenden Erfindung darstellen.
Gemäß Fig. 5A kann die mindestens eine Antenne 150 als eine Grounded-Coplanar-Patch-Antenne A ausgebildet sein. Hierzu ist der in Fig. 5A gezeigte Ausschnitt der strukturierten leitfähigen Schicht 130 in zwei Abschnitte unterteilt, die mittels einer Grabenstruktur 143 voneinander galvanisch getrennt sind: einerseits die Antennenflächenstruktur 140 mit mikrostreifenförmiger elektrische Kontaktleitung 145, andererseits die Restfläche 142 der strukturierten leitfähigen Schicht 130. Die Restfläche 142 ist dafür vorgesehen, mit Erde (engl. "ground") verbunden zu werden, sodass die Antennenflächenstruktur 140 in Form eines rechteckigen Patches und die geerdete Restfläche 142 dann koplanar angeordnet sind. Das Grundsubstrat 110 ist ebenfalls zur Erdung vorgesehen. Die Grabenstruktur 143 stellt, dort wo sie angeordnet ist, die (ggfs. oberste) dielektrische Funktionsschicht 122, 124; 224-i vollständig von der strukturierten leitfähigen Schicht 130 frei.
Es versteht sich, dass mehrere derartige Antennenflächenstrukturen 140 innerhalb der strukturierten leitfähigen Schicht 130 angeordnet sein können, welche optional untereinander auch mittels der elektrischen Kontaktleitungen 145 zu einer Antennenanordnung verbunden (oder: verschaltet) sein können. Die geerdete oder für die Erdung vorgesehene Restfläche 142 kann allen diesen Antennenflächenstrukturen 140 gemeinsam sein.
Als Beispiel kann eine Grounded-Coplanar-Patch-Antenne A mit einer Dicke d der Zwischenstruktur 120 von d=180 Mikrometern bei einer Permittivität ε_r=4.4 mit einem Verlustfaktor tanδ=0.001, einer -10dB Bandbreite >1% und einem Abfall von - 3dB bei einem Öffnungswinkel >40°/80° (horizontal/vertikal) realisiert werden.
Gemäß Fig. 5B kann die mindestens eine Antenne 150 auch als eine Patch-Antenne B ausgebildet sein, hier mit beispielhaft quadratischer Antennenflächenstruktur 140 und elektrischer Kontaktleitung 145 als Mikrostreifenleitung in der strukturierten leitfähigen Schicht 130. Die strukturierte leitfähige Schicht 130 besteht hier aus Antennenflächenstruktur(en) 140 und elektrischer/n Kontaktleitung/en 145. Auch hier versteht es sich, dass mehrere derartige Antennenflächenstrukturen 140 über mehrere elektrische Kontaktleitungen 145 miteinander zu einer Antennenanordnung verbunden oder verschaltet sein können, oder auch einzeln an einer Haupt-Zuleitung (Speiseleitung) oder Haupt-Ableitung angeschlossen sein können.
Gemäß Fig. 5C kann die mindestens eine Antenne 150 auch als eine Patch-Antenne mit koaxialer elektrischer Kontaktleitung C (hier: Zuleitung) ausgebildet sein. Hierzu kann eine Bohrung in dem Grundsubstrat 110 ausgebildet werden oder für die koaxiale elektrische Kontaktleitung 146 verwendet werden.
Gemäß Fig. 5D kann die mindestens eine Antenne 150 auch als Patch-Antenne mit Nahfeld-gekoppelter elektrischer Kontaktleitung D ausgebildet sein (engl. "proximity feed patch antenna"). Hierzu wird eine weitere strukturierte leitfähige Schicht innerhalb der Zwischenstruktur ausgebildet, beispielsweise - wie in Fig. 5D gezeigt - zwischen der ersten dielektrischen Funktionsschicht 122 und der zweiten dielektrischen Funktionsschicht 124, oder aber zwischen mehreren zweiten dielektrischen Funktionsschichten 124.
Gemäß Fig. 5E kann die mindestens eine Antenne 150 als Patch-Antenne mit aperturgekoppelter elektrischer Kontaktleitung E (engl. "aperture-coupled feed") ausgebildet sein. Hierzu ist in dem Grundsubstrat 110 eine Apertur 115 (hier ein Schlitz) ausgebildet. Auf der von der Zwischenstruktur 120 abgewandten Seite des Grundsubstrats 110 ist eine weitere dielektrische Schicht 126 angeordnet, auf der wiederum eine weitere strukturierte leitfähige Schicht ausgebildet ist, welche eine als Mikrostreifenleitung ausgebildete elektrische Kontaktleitung 145 umfasst (oder aus dieser besteht). Ein Signal auf dieser Mikrostreifenleitung wird durch die Apertur 115 auf die Antennenflächenstruktur 140 eingekoppelt (SendeAntenne), bzw. ein von der Antennenflächenstruktur 140 empfangenes Signal wird über die Apertur 115 auf die Mikrostreifenleitung eingekoppelt. Die in den Fig. 5D und 5E gezeigten Spalte zwischen manchen Schichten dienen nur der Illustration.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines Stahlbauteils, insbesondere eines Stahlbauteils gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, etwa eines der Stahlbauteile 100-400. Das Verfahren ist gemäß allen in Bezug auf das erfindungsgemäße Stahlbauteil beschriebenen Optionen, Varianten oder Ausführungsformen anpassbar und umgekehrt. Zum besseren Verständnis werden daher für die nachfolgende Beschreibung auch Bezugszeichen der vorangehenden Figuren verwendet, ohne dass diese als einschränkend verstanden werden sollen.
Mögliche Eigenschaften des Stahlbauteils wurden im Vorangehenden ausführlich erläutert. Es versteht sich, dass die im Nachfolgenden beschriebenen Verfahrensschritte jeweils so durchgeführt werden können, dass diese Eigenschaften vorliegen bzw. ausgebildet werden.
In einem Schritt S100 wird ein elektrisch leitfähiges Grundsubstrat 110 aus einem beschichteten oder unbeschichteten Stahlblech bereitgestellt. Dies kann in einem Schritt S110 ein Bereitstellen eines unbeschichteten Stahlblechs, und in einem Schritt S120 ein Beschichten des unbeschichteten Stahlblechs umfassen, beispielsweise ein Verzinken oder Aluminium-Beschichten.
In einem Schritt S200 wird eine Zwischenstruktur 120 direkt auf dem Grundsubstrat 110 ausgebildet. Das Ausbilden S200 der Zwischenstruktur 120 umfasst zumindest ein Aufbringen S210 zumindest einer ersten dielektrischen Funktionsschicht 122 auf Lackbasis direkt auf das Grundsubstrat 110. Wie im Voranstehenden beschrieben, können in einem oder mehreren weiteren Schritten S220 mindestens eine weitere (zweite) dielektrische Funktionsschicht 124; 224-i, vorzugsweise auf Lackbasis, direkt übereinander ausgebildet bzw. aufgetragen werden, und zwar insgesamt direkt auf der ersten dielektrischen Funktionsschicht 122.
Jeder (oder zumindest einer) Schritt des Aufbringens S210, S220 einer dielektrischen Funktionsschicht 122, 124; 224-i, insbesondere auf Lackbasis, wird bevorzugt von einem Trocknungsschritt S230 gefolgt, bevor der nächste Schritt S220 durchgeführt wird. Das Trocknen S230 kann beispielsweise in einem Ofen (z.B. einem Durchlaufofen) durchgeführt werden, durch einen UV-Trockner und/oder dergleichen mehr.
Das Aufbringen S210, S220 von dielektrischen Funktionsschichten 122, 124; 224-i, insbesondere auf Lackbasis, erfolgt beispielsweise durch:

In einem Schritt S300 wird eine strukturierte leitfähige Schicht 130 direkt auf der Zwischenstruktur 120 derart ausgebildet, dass in der strukturierten leitfähigen Schicht 130 mindestens eine Antennenflächenstruktur 140 ausgebildet ist, welche zusammen mit dem Grundsubstrat 110 als Grundfläche und mit der Zwischenstruktur 120 als Dielektrikum (oder: Abstandhalter) mindestens eine Antenne 150 ausbildet.
Das Ausbilden S300 der strukturierten leitfähigen Schicht 130 kann beispielsweise ein Ausbilden der strukturierten leitfähigen Schicht durch ein Auftragen, insbesondere mittels eines Druckverfahrens (z.B. eines Siebdruckverfahrens, eines Digitaldruckverfahrens, eines Tröpfchenstrahldruckverfahrens, eines Rotationssiebdrucks, eines Flexodrucks oder eines Rollenverfahrens) der leitfähigen Schicht bereits im strukturierten Zustand umfassen.
Das Ausbilden S300 der strukturierten leitfähigen Schicht 130 kann bevorzugt ein Aufdrucken mindestens einer strukturierten Schicht Silbertinte aufweisen oder daraus bestehen.
In anderen Ausführungsformen hingegen kann das Ausbilden der strukturierten leitfähigen Schicht 130 ein Ausbilden S310 (z.B. Auftragen) einer unstrukturierten leitfähigen Schicht sowie ein darauffolgendes Strukturieren S320 der ausgebildeten (bzw. aufgetragenen) unstrukturierten leitfähigen Schicht umfassen.
Je nach realisiertem Design der Antenne 150 werden in (oder zwischen) den Schritten S100, S200 auch die eine oder mehrere elektrische Kontaktleitungen 145, 146 ausgebildet. Elektrische Kontaktleitungen 145, 146 (oder Teile davon) in der strukturierten leitfähigen Schicht 130 werden vorzugsweise in dem Schritt S300 ausgebildet. Elektrische Kontaktleitungen 145, 146, welche durch die oder innerhalb der Zwischenstruktur 120 verlaufen, können in zusätzlichen Schritten ausgebildet werden, etwa für den Antennentyp D aus Fig. 5D.
Nach dem Ausbilden S200 der Zwischenstruktur 120 und der strukturierten leitfähigen Schicht 130 kann optional ein Kaltumformen S500 durchgeführt werden. Wie im Voranstehenden bereits beschrieben wurde, können die Strukturen 110, 120, 130, 150 etc. in den Schritten S100-S300 derart ausgebildet werden, dass sie die nötigen Eigenschaften für ihre bestimmungsgemäße Verwendung erst dann erreichen, wenn das Kaltumformen S500 durchgeführt wurde.
Die Zwischenstruktur 120 und/oder die strukturierte leitfähige Schicht 130 können elektrische Kontaktleitungen wie etwa Zu- oder Ableitungen für die mindestens eine Antenne 150, oder Verbindungsleitungen zwischen mehreren Antennen 150 einer Antennenanordnung umfassen. Das Ausbilden mindestens einer elektrischen Kontaktleitung kann somit in einem der Schritte S200 oder S300 erfolgen, oder auch in einem zusätzlichen Schritt durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Stahlbauteil hat die vorteilhafte Eigenschaft, dass sich Krümmungen auch im Bereich der Antennenflächenstruktur(en) 140 und/oder der elektrischen Kontaktleitung(en) 145, 146 realisieren lassen. Da dies besondere Designfreiheit ermöglicht, wird das Kaltumformen S500 somit bevorzugt derart durchgeführt, dass im Bereich mindestens einer Antennenflächenstruktur 140 und/oder mindestens einer elektrischen Kontaktleitung 145, 146 eine Krümmung entsteht, beispielsweise mit den im Voranstehenden beschriebenen Krümmungscharakteristiken.
Das Verfahren kann einen optionalen Schritt S10 eines Simulierens der herzustellenden Antenne 150 und/oder des herzustellenden Stahlbauteils 100-400 umfassen. Das Simulieren S10 kann das Empfangen gewünschter Eigenschaften (insbesondere Empfangs- und/oder Sendeeigenschaften) der herzustellenden Antenne 150, von Eigenschaften des umgeformten Stahlbauteils 100-400, des Kaltumformens S500 selbst, und/oder des nicht-umgeformten Grundsubstrats 110 oder dergleichen umfassen. Daraufhin kann automatisch simuliert (oder: ermittelt) werden, mit welchen Eigenschaften die Verfahrensschritte, insbesondere die Verfahrensschritte S200 und S300 durchgeführt werden müssen, damit nach dem Kaltumformen S500 eine Antenne 150 mit den gewünschten Eigenschaften vorliegt.
Mit anderen Worten kann in dem Simulieren S10 ein vorverzerrtes Design simuliert (oder: ermittelt) werden, welches derart beschaffen ist, dass ein gemäß diesem vorverzerrten Design hergestelltes Stahlbauteil nach dessen Umformen S500 gewünschte Eigenschaften aufweist. Das Simulieren S10 kann mittels eines Computersystems durchgeführt werden und somit computerimplementiert sein. Beispielsweise kann die final umgeformte Antenne 150 in einem FEM-Tool als ein 3D-Bauteil entworfen und entsprechend geforderter funktionaler Eigenschaften optimiert werden. Danach wird dieses 3D-Bauteil unter Berücksichtigung des Umformverfahrens auf den planaren Zustand transformiert, wobei Veränderungen im Material wie etwa Dickenschwankungen, Dehnungen, Ausdünnungen von gedruckten Strukturen etc. berücksichtigt werden können.
Die gewünschten Eigenschaften können je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausfallen. Typische relevante Optimierungsparameter, d.h. geforderte funktionale Eigenschaften bei Antennen können betreffen:

Antennengewinn,
Richtcharakteristik,
Mittenfrequenz und Bandbreite,
Antennenimpedanz und/oder
Polarisationstyp und Polarisationsebenen.

Für den Entwurf und die Optimierung der Antennen unter Verwendung von Schichten auf Lackbasis ist eine möglichst exakte Kenntnis der Lackeigenschaften vorteilhaft, insbesondere der Dielektrizitätskonstante und dem Verlustfaktor bei der gewünschten Antennenfrequenz. Vorteilhaft ist außerdem eine möglichst exakte Kenntnis (und ggfs. Anpassung) der Leitfähigkeit der strukturierten leitfähigen Schicht.
Typischerweise werden diese Parameter von den Lackherstellern gar nicht oder nur im sehr niederfrequenten Bereich angegeben. Für eine gegebene Schichtstruktur können diese Parameter daher in einem ersten Schritt durch Fertigung und Vermessung von Teststrukturen ermittelt werden. Geeignete Teststrukturen sind aus dem Stand der Technik bekannt (z.B. Resonatoren, Leitungen, ...). Mit den ermittelten Parametern kann dann eine Auslegung der Antennenstruktur erfolgen. Es ist auch denkbar, derartige Teststrukturen standardmäßig im regulären Produktionsablauf mit zu drucken. Damit kann der Produktionsprozess laufend oder stichprobenartig überwacht werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verfahrensschritte des Verfahrens, insbesondere die Schritte S200 und S300, derart durchgeführt werden, und vor allem Strukturen mit derartigen Eigenschaften und geometrischen Abmessungen und Formen erzeugen, dass das simulierte vorverzerrte Design realisiert wird.
Ebenso können zusätzliche Schritte durchgeführt werden, um die Antenne 150 auszubilden. Bei Schlitz-Typ-Antennen (etwa Typ E in Fig. 5E) beispielsweise können Aperturen (Schlitze oder Ausnehmungen) in dem Grundsubstrat 110 ausgebildet werden, z.B. darin eingestanzt werden. Dies erfolgt vor oder nach dem Auftragen S210 der ersten dielektrischen Funktionsschicht 122. Das Stanzen kann auch nach oder während des Ausbildens S200 der restlichen Zwischenstruktur 120 erfolgen, beispielsweise vor oder nach einem Aufbringen S220 einer (ggfs. einer von mehreren) zweiten dielektrischen Funktionsschicht 124.
Um insbesondere die mindestens eine Antenne 150 zu schonen, kann nach dem Ausbilden S300 der strukturierten leitfähigen Schicht 130 in einem Schritt S400 eine Schutzfolie auf der strukturierten leitfähigen Schicht 130 angebracht oder ausgebildet werden, die in einem Schritt S600 nach dem Kaltumformen S500 wieder entfernt werden kann.
Optional kann auch in einem Schritt S700 eine Decklackierung 360 aufgetragen werden, beispielsweise vor (oder auch anstatt) des Anbringens S400 der Schutzfolie, oder nach dem Entfernen S600 der Schutzfolie nach dem Kaltumformen S500. Die Decklackierung 360 kann mit einem beliebigen der beschriebenen oder im Stand der Technik bekannten Lackierungsverfahren aufgetragen werden, beispielsweise mittels Pulverbeschichtung. Wird Schritt S10 durchgeführt, werden die Eigenschaften der Decklackierung 360 bei der Simulation vorteilhaft berücksichtigt.
Das Verfahren kann weitere Verfahrensschritte aufweisen, die vor, während, nach, oder zwischen den beschriebenen Verfahrensschritten durchgeführt werden können. In diesen Schritten können beispielsweise durchgeführt werden: ein Zuschneiden, eine Applikation weiterer Substratschichten, eine Trocknung von Schichten (z.B. der strukturierten leitfähigen Schicht 130), ein Prüfen von leitfähigen Strukturen, ein Anbringen und nachfolgendes Ablösen einer temporären Schutzschicht, ein Endtest der Antenne 150 und/oder dergleichen mehr.

Bezugszeichenliste

100: Stahlbauteil
110: Grundsubstrat
115: Apertur
120: Zwischenstruktur
122: erste dielektrische Funktionsschicht
124: zweite dielektrische Funktionsschicht
126: dielektrische Funktionsschicht
130: strukturierte leitfähige Schicht
140: Antennenflächenstruktur
142: Restfläche
143: Grabenstruktur
145: elektrische Kontaktleitung
146: koaxiale elektrische Kontaktleitung
150: Antenne
200: Stahlbauteil
224-i: Funktionsschicht
300: Stahlbauteil
360: Decklackierung
400: Stahlbauteil
401: Außenseite
402: Innenseite

A-E: Antennentypen
R: Außenradius
S10..S700: Verfahrensschritte

Claims

Stahlbauteil (100; 200; 300; 400), umfassend:
ein Grundsubstrat (110) aus einem beschichteten oder unbeschichteten Stahlblech;

eine Zwischenstruktur (120), welche zumindest eine direkt auf dem Grundsubstrat aufgebrachte dielektrische Funktionsschicht (122) auf Lackbasis umfasst; und

mindestens eine auf der Zwischenstruktur (120) aufgebrachte strukturierte leitfähige Schicht (130), in welcher mindestens eine Antennenflächenstruktur (140) ausgebildet ist, welche zusammen mit dem Grundsubstrat (110) als Grundfläche und mit der Zwischenstruktur (120) als Dielektrikum mindestens eine Antenne (150) ausbildet.
Stahlbauteil (100; 200; 300; 400) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Antenne (150) als Patch-Antenne (B), insbesondere als Grounded-Coplanar-Patch-Antenne (A), als Slotted-Patch-Antenne, als Slot-Antenne, als Folded-Monopole-Antenne, als Loop-Antenne, als Folded-Loop-Antenne oder als Planar-Inverted-F-Antenne ausgebildet ist.
Stahlbauteil (100; 200; 300; 400) nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine Antenne (150) als Grounded-Coplanar-Patch-Antenne (A) ausgebildet ist, indem die mindestens eine Antennenflächenstruktur (140) durch eine in der strukturierten leitfähigen Schicht (130) freigelassene Grabenstruktur (143) von einer geerdeten Flächenstruktur (142) der strukturierten leitfähigen Schicht (130) zumindest teilweise umgeben ist.
3. Stahlbauteil (100; 200; 300; 400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine elektrische Kontaktleitung (145; 146) zu der mindestens einen planaren Antennenflächenstruktur (140) in der Zwischenstruktur (120) und/oder der strukturierten leitfähigen Schicht (130) ausgebildet ist.
Stahlbauteil (100; 200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Zwischenstruktur (120) eine Dicke von zwischen 30 Mikrometern und 300 Mikrometern, bevorzugt zwischen 110 Mikrometern und 230 Mikrometern, besonders bevorzugt zwischen 140 Mikrometern und 200 Mikrometern aufweist.
Stahlbauteil (100; 200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zwischenstruktur (120) mindestens zwei dielektrische Funktionsschichten (122, 124; 224-i) aufweist, welche aus denselben oder aus verschiedenen Materialien bestehen.
Stahlbauteil (100; 200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die strukturierte leitfähige Schicht (130) Silber, Kupfer, Graphen und/oder Graphit aufweist und/oder zwischen 1 Mikrometer und 30 Mikrometern, insbesondere 3 Mikrometer bis 10 Mikrometer dick ist.
Stahlbauteil (100; 200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend eine Antennenanordnung mit einer Mehrzahl von Antennen (150) sowie mit mindestens einem Anpassungselement, insbesondere einem Kombinierer, einer Weiche und/oder einem Impedanzanpassungselement, in der strukturierten leitfähigen Schicht.
Stahlbauteil (100; 200; 300; 400) nach Anspruch 7, wobei die Antennenanordnung als eine Sende- und/oder Empfangsanordnung ausgebildet ist und mit mindestens einem Signalverstärker und/oder Signalgenerator koppelbar ist;
oder wobei die Antennenanordnung als eine elektrisch abgeschlossene Retro-Reflektoranordnung ausgebildet ist.
Stahlbauteil (100; 200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei ein Flächenverhältnis einer von der Antennenflächenstruktur (140) eingerahmten oder abgedeckten Fläche zur Fläche des Grundsubstrats (110) 1:20 oder weniger, bevorzugt 1:50 oder weniger beträgt.
Kaltumgeformtes Stahlbauteil (100; 200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verfahren zum Herstellen eines Stahlbauteils (100; 200; 300; 400), mit den Schritten:
Bereitstellen (S100) eines Grundsubstrats (110) aus einem beschichteten oder unbeschichteten Stahlblech;

Ausbilden (S200) einer Zwischenstruktur (120), umfassend ein Aufbringen (S210, S220) zumindest einer dielektrischen Funktionsschicht (122, 124; 224-i) auf Lackbasis direkt auf das Grundsubstrat (110); und

Ausbilden (S300) einer strukturierten leitfähigen Schicht (130) direkt auf der Zwischenstruktur (120) derart, dass in der strukturierten leitfähigen Schicht (130) mindestens eine Antennenflächenstruktur (140) ausgebildet ist, welche zusammen mit dem Grundsubstrat (110) als Grundfläche und mit der Zwischenstruktur (120) als Abstandhalter mindestens eine Antenne (150) ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 11,
wobei das Ausbilden (S200) der Zwischenstruktur durch ein Auftragen (S210; S220) einer Mehrzahl von Funktionsschichten jeweils aufeinander erfolgt, insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens, eines Digitaldruckverfahrens, eines Tröpfchenstrahldruckverfahrens, einer Pulverlackierung, eines Tauchverfahrens, eines Sprühverfahrens, und/oder eines Schlitzdüsenverfahren.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
wobei das Ausbilden (S300) der strukturierten leitfähigen Schicht (130) durch ein Aufdrucken, insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens, eines Digitaldruckverfahrens, eines Tröpfchenstrahldruckverfahrens, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13,
wobei das Ausbilden (S300) der strukturierten leitfähigen Schicht (130) durch ein Aufdrucken mindestens einer strukturierten Schicht Tinte erfolgt, wobei die Tinte Silber, Kupfer, Graphen und/oder Graphit aufweist oder daraus besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die direkt auf das Grundsubstrat (110) aufzubringende dielektrische Funktionsschicht (122) auf Lackbasis der Zwischenstruktur (120) mittels Bandbeschichtungstechnik aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
außerdem aufweisend:
Kaltumformen (S500) zumindest eines Teils des Stahlbauteils (100; 200; 300; 400),

wobei bei dem Kaltumformen (S500) unter anderem ein Abschnitt der strukturierten leitfähigen Schicht (130) umgeformt wird,

welcher mindestens eine der mindestens einen Antennenflächenstruktur (140) und/oder mindestens eine elektrische Kontaktleitung (145; 146) umfasst.