WO2017046308A2

WO2017046308A2 - Verfahren zur herstellung eines topografischen höhenprofils und von elektrischen leiterbahnen auf einer betonoberfläche

Info

Publication number: WO2017046308A2
Application number: PCT/EP2016/071940
Authority: WO
Inventors: Thorsten KLOOSTER; Jan Iwanowicz; Jan JURASCHEK
Original assignee: Kennwert RD GmbH
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2017-03-23
Also published as: WO2017046308A3; DE102015115748A1; DE112016004252B4; DE112016004252A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines topografischen Höhenprofils mit einer Profiltiefe im Mikrometerbereich auf einer Betonoberfläche unter Verwendung von Schalungselementen mit einer vorzugsweise äußerst glatten Schalungsoberfläche durch Aufbringen einer Beschichtung auf die Schalungsoberfläche als Negativform des Höhenprofils.

Description

Verfahren zur Herstellung eines topografischen Höhenprofils und von elektrischen Leiterbahnen auf einer Betonoberfläche

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines topografischen Höhenprofils auf einer Betonoberfläche. Sie bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung von leitfähigen und isolierenden Schichten und insbesondere von elektrischen Leiterbahnen auf einer Betonoberfläche. Insgesamt bietet sie also ein Verfahren zur Herstellung von differenziert mehrstufig profilierten oder mikroprofilierten Oberflächen zum Erzeugen zum Beispiel von Schaltungen in Beton.

Aus der Betontechnologie sind zahlreiche Verfahren bekannt, die Oberfläche eines Betonbauteils zu strukturieren, ihr also ein topografisches Höhenprofil zu verleihen. Dazu werden beispielsweise entsprechend vorbereitete Schalungselemente eingesetzt, die eine Negativform des geplanten Höhenprofils aufweisen. So lehrt die DE 20 2009 009 261 U1 die Ver- wendung von Polycarbonatplatten zur Herstellung von Betonelementen mit rutschfesten Oberflächen. Dazu werden die Polycarbonatplatten vor der Verwendung als Schalplatte mit Glasgranulat abgestrahlt.

Nach dem gleichen Prinzip lassen sich Schalungen mit Matrizen ausstatten, womit die ur- sprünglich ebenen Schalungsoberflächen ein negatives Höhenprofil erhalten. Aus der DE 20 60 747 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von reliefierten Flächen in Beton bekannt, wobei vor dem Einbringen der Betonmasse in die Schalung oder Form diese mit einer Matrize, vorzugsweise aus einer kautschukhaltigen Masse oder aus Kunststoff, ausgekleidet wird, in welche das gewünschte Relief in negativer Form eingeprägt ist. Die Elastizität der Matrizen ermöglicht ein umstandsloses Ausschalen des Betonbauteils.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Höhenprofil mit einer Profiltiefe im Mikrometerbereich erzielt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ausbildung eines hochgenauen topografischen Höhenprofils mit einer Profiltiefe im Mikrometerbereich auf einer Betonoberfläche bzw. der Oberseite eines Betonbauteils gelöst durch Verwendung von Schalungselementen mit einer vorzugsweise äußerst glatten Schalungsoberfläche durch Aufbringen einer Beschichtung einer Negativform des Profils auf die Schalungsoberfläche als Nega- tivform des Höhenprofils. Unter dem erfindungsgemäßen Höhenprofil ist eine ihrer Höhe nach untereinander gestaffelte Anordnung von in aller Regel ebenen Teilprofilen zu verstehen, wobei sich die ebenen Teilprofile im Wesentlichen parallel zueinander und zur Oberseite bzw. Oberfläche des Betonbauteils erstrecken. Dabei liegen die ebenen Teilprofile bezüg- lieh der Oberfläche des Betonteils in der Regel auf derselben Seite, können aber auch beidseits der Oberfläche des Betonteils als Referenzebene liegen und sie zwischen sich einschließen.

Unebene Teilprofile können ebenfalls sinnvoll sein, beispielsweise um andere Funktionen als die der Ausbildung von elektrischen Leiterbahnen zu erfüllen. So kann eine unebene Fläche die akustischen Eigenschaften verbessern. Unebenheit lassen sich über eine Modifikation der Beschichtung erreichen, zum Beispiel einer Mikrostrukturprägung einer Folie. Es können bei Bedarf auch ebene mit unebenen Teilprofilen kombiniert werden.

Erfindungsgemäß wird also zunächst eine Schalung mit einer geeigneten, vor allem nicht zu rauen Oberfläche ausgewählt und bereitgestellt. Glatte Schalungsoberflächen sind im Hinblick auf die erforderliche hohe Präzision des Höhenprofils zu bevorzugen. Als Schalplatten bzw. Schalungsoberflächen von Schalplatten sind beispielsweise metallisierte Verbundplatten, Acrylglas, Hart-PVC, Polystyrol, Siebdruckplatten etc. geeignet. Je glatter die Schalungsoberfläche desto glatter und genauer ergibt sich das zu erzeugende Höhenprofil. Elastische oder gering elastische Materialien dagegen sind für das erfindungsgemäße Verfahren bestenfalls bedingt bis gar nicht geeignet. Denn das erfindungsgemäße Verfahren zielt auf die kontrollierte Betonierung von Strukturen im Mikrometerbereich ab. Die beabsichtigte sehr hohe Strukturgenauigkeit dürfte durch die Elastizität eines Schalungsträgers oder der darauf applizierten Schalungsoberfläche beeinträchtigt werden.

In einem anschließenden Schritt wird nun eine äußerst geringmächtige Beschichtung auf die ausgewählte Schalungsoberfläche aufgebracht. Die Mächtigkeit der Beschichtung liegt erfindungsgemäß im Skalenbereich von Mikrometern. Im einfachsten Fall kann es sich bei der Beschichtung um eine einzige Schicht handeln, in aufwändigeren Verfahren bzw. bei aufwändigeren Höhenprofilen um eine Mehrzahl an Schichten. Die Beschichtung kann in beiden Fällen voll- oder teilflächig aufgebracht werden. Sie bildet eine Struktur, die eine Negativform des gewünschten Höhenprofils erzeugt. Anschließend wird Beton in einen Schalungsaufbau mit der erfindungsgemäß vorbereiteten Schalung eingebracht, aushärten gelassen und das fertige Betonbauteil ausgeschalt. Es zeigt nun an derjenigen Oberseite, die die erfindungsgemäß beschichtete Schalungsoberfläche kontaktierte, ein hochgenau differenziertes und hochfeines Höhenprofil. Es weist zumin- dest eine Ebene auf, die parallel versetzt um nur wenige Mikrometer höher oder tiefer liegt als die Betonoberfläche.

Bereits die Herstellung eines Höhenprofils mit einer Profiltiefe im Mikrometerbereich auf einer Betonoberfläche stellt eine besondere Herausforderung dar. Dazu eignen sich besonders hochdichte Betone wie UHPC, die v. a. in Verbindung mit glatten Schalhäuten eine feinporige und dichtgelagerte Oberfläche ermöglichen. Der Einsatz insbesondere von metallisierten Verbundplatten als Schalungselemente ermöglicht den Verzicht auf Schalöl, der anderenfalls durch Ölrückstände auf der zukünftigen Betonoberfläche deren weitere Bearbeitung behindern könnte. Die Verbundplatten lassen sich außerdem biegen und behalten nach dem Um- formprozess die ihnen aufgezwungene Form bei, so dass sie sich auch für die Herstellung dünnwandiger, dreidimensional geformter Betonelemente eignen.

Das topografische Höhenprofil setzt sich aus einzelnen, in der Regel ebenen Abschnitten unterschiedlicher Profiltiefe zusammen, wobei Abschnitte gleicher Profiltiefe der Einfachheit halber als Teilprofil bezeichnet werden. Das topografische Höhenprofil setzt sich demnach aus unterschiedlichen Teilprofilen zusammen. Erfindungsgemäß werden die unterschiedlichen Teilprofile durch Aufbringen jeweils einer Beschichtung als Negativform des Teilprofils auf die Schalungsoberfläche erzielt. Die Beschichtung bzw. Negativform wiederum kann aus einer Anzahl an Schichten, also einer oder mehreren Schichten bestehen. Erfindungsgemäß braucht also nicht das vollständige Höhenprofil in einer einzigen Negativform abgebildet und vollflächig auf einem Schalungselement aufgebracht zu werden. Vielmehr kann es aus quasi einzelnen Negativformen für jedes Teilprofil zusammengesetzt und insofern teilflächig auf einem Schalungselement aufgebracht werden. Dabei können nebeneinanderliegende Teilprofile unterschiedlicher Tiefe auch durch eine einstückige Negativform erstellt werden, in- dem eine Negativform in der Dicke des weniger tiefen Teilprofils für zwei nebeneinanderliegende Teilprofile aufgebracht wird und anschließend eine weitere Negativform zur Ausbildung der Profiltiefe des tieferen zweiten Teilprofils teilflächig auf der ersten aufgebracht wird. Neben der Herstellung von Leiterbahnen sind weitere Funktionen bzw. Verwendungen des Höhenprofils denkbar. So können allgemein (mikro-)elektronische Strukturen, neben Leiterbahnen und Schaltungen z. B. Sensorfunktionen ausgebildet werden, darunter solche, die für die Funktion von Schaltungen erforderlich sind, wie zum Beispiel Leiterbahnen oder Vertie- fungen oder Plateaus für Mikrochips und Kontakte.

Jenseits elektrischer Anwendungen kann die erfindungsgemäße Herstellung des Höhenprofils ferner der gezielten Modifikation der akustischen Funktion eines Bauteils bzw. seiner Oberfläche dienen. So können für schalltechnische Zwecke und Anwendungen durch mikro- und feinstrukturierte Oberflächen die akustischen Eigenschaften optimiert werden. Beispielsweise geht die Rauigkeit oder Porosität von Oberflächen als Faktor in die Definition der sogenannten Güte eines Materials ein (i. d. R. als Q-Faktor bezeichnet). Ist diese niedrig, so ist aus akustischer Sicht i. d. R. eine gegenüber glatten Oberflächen gleichen Materials verbesserte Absorptions- oder Schallreflektionseigenschaft zur Schallreduzierung gegeben.

Erfindungsgemäß können mikro- und feinstrukturierte Oberflächen zur Verbesserung der Rutschfestigkeit eines Betonbauteils hergestellt werden, die aufgrund ihrer Feinheit gegenüber vergleichbaren Strukturen weniger stark verschmutzen. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Höhenprofils kann außerdem zur gezielten Modifikation des Fließverhaltens von Wasser auf einer Bauteiloberfläche eingesetzt werden. Denn durch die Modifikation der Grenzflächenschicht zwischen der Bauteiloberfläche und dem Wasser kann jene entweder: wasseraufnehmend oder -abweisend ausgebildet werden. Schließlich ist auch eine Beeinflussung des mechanischen Adhäsionsverhaltens bzw. der Haftung auf der Bauteiloberfläche durch die erfindungsgemäße Ausbildung eines Höhenprofils vorstellbar. So können mikro- und feinstrukturierte Oberflächen hergestellt werden, die die Anhaftung bzw. Verklammerung von Beschichtungen auf der Bauteiloberfläche verbessern.

Nach einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Beschichtung und insbesondere die Negativform eines Teilprofils durch Aufbringen einer Folie auf die Schalung erzeugt werden. Entsprechend der Profiltiefe im Mikrometerbereich kann die verwendete Folie maximal eine Stärke gleicher Dicke, also im Bereich weniger Mikrometer aufweisen. Derartige Folien sind als Kaschierfolien bekannt und können selbstklebend oder adhäsiv ausgebildet sein. Ihre Verwendung ermöglicht die hochgenaue Herstellung einer vollkommen gleichmäßigen Profiltiefe mit einem verhältnismäßig geringen technischen Aufwand. Erfindungsgemäß können verschiedene Auftragsverfahren für Folien eingesetzt werden: Die Folien können bevorzugt vergleichbar einer Trockenkaschierung aufgetragen werden. Alternativ können Adhesivfolien verwendet werden. Ebenfalls geeignet ist die Thermokaschie- rung. Der Auftragsvorgang kann bei allen diesen Verfahren mittels geeigneter Werkzeuge, wie Rakel und/oder Rollen, oder geeigneter Maschinen, wie Pressen, Thermopressen oder Rollpressen vereinfacht werden. Der Auftrag kann auch mittels sogenannter Transferfolien erfolgen. Dabei wird die aufzutragende Folie von einer Trägerfolie auf die Betonoberfläche übertragen. Ferner können die Folien auch händisch aufgetragen werden. Nasskaschierun- gen sind ebenfalls geeignet, wobei dieses Verfahren längere Trocknungszeiten bei dauerhaft konstanten Umgebungsbedingungen erfordert. Die Folien können stellenweise ausgeschnitten sein. Diese Ausschnitte können idealerweise mittels CNC-Schneidmaschinen bzw. - Schneidpiotter vor, aber auch nach dem Auftragen der Folie vorgenommen werden. Es ist darauf zu achten, dass der Folienauftrag in einer staubarmen Umgebung vorgenommen wird, um Einschlüsse und Schmutzeinträge zu vermeiden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann eine mehrstufige Profilierung durch eine Kombination mehrerer Folien bzw. Folienschichten hergestellt werden. Dabei können jedem Teilprofil eine Folie oder mehrere Folien zugeordnet sein. Im Dienste einer hohen Präzision können die Folien vorzugsweise mit CNC-Verfahren (Schneideplotver- fahren) bearbeitet, also zugeschnitten und/oder appliziert werden.

Nach einer zweiten Variante der Erfindung kann die Negativform durch Aufbringen von Farbschichten oder Lackschichten auf die Schalung als Beschichtung erzeugt werden. Im Ge- gensatz zu zum Beispiel Säuerungsprozessen zur Oberflächengestaltung werden die Betonstrukturen erfindungsgemäß ohne chemische Reaktion erzeugt. Für die Eignung von Lacken und Farben als Beschichtung ist im Gegenteil ihre chemische Reaktionsträgheit mit Beton von Vorteil. Idealerweise sind sie gegenüber Beton inert und bilden eine glatte geschlossene Oberfläche. Gefordert sind darüber hinaus ein guter Haftungsverbund der Schichten mit der Schalung sowie eine ausreichende Stabilität der aufgetragenen Schicht, zum Beispiel um eine Reaktion des Lacks oder der Farbe als Beschichtungsstoff mit dem Beton bzw. mit seiner der Schalung zugewandten Grenzschicht auszuschließen. Gut geeignet sind beispielsweise Fotolacke, wie sie für Fotobeton verwendet werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Färb- oder Lackschichten durch Aufsprühen oder Aufdrucken aufgebracht werden. Sowohl das Drucken als auch das Sprühen als Beschichtungsprozess wird technisch gut beherrscht und lässt daher eine hochgenaue Ausbildung von Schichten unterschiedlicher Dicke auch im Mikrometerbe- reich zu, die auch hinsichtlich ihrer Umrissform sehr exakt definiert werden können. CNC- Beschichtungsverfahren ermöglichen den Schichtauftrag einzelner auch hochfeiner Schichten selbst auf gekrümmten Oberflächen. Das Aufsprühen erfordert in der Regel eine Schablone, das Aufdrucken nicht.

Erfindungsgemäß können die Profiltiefen eines einzelnen Profils und damit die Dicke einer Folie bzw. einer Schicht ca. 500 μηι, 300 μηι, 250 μηι, 200 μηι, 100 μηι, 80 μηι, vorzugsweise nur 60 μηι, 50 μηη oder 40 μηη und besonders bevorzugt 30 μηι, 20 μηη oder 10 μηη umfassen. Die Profiltiefen sind regelmäßig durch den Anwendungszweck bestimmt. Werden zum Beispiel in einem späteren Schritt Leiterbahnen im Höhenprofil appliziert, so kann deren Tiefe maßgeblich sein zum Beispiel für den Widerstand und den Stromfluss. Alternativ oder zusätzlich können Schutzbeschichtungen aus Kunstharz o. ä. für die Leiterbahnen die Profiltiefe bestimmen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann zunächst in einer der oben für die Beschichtung beschriebenen Weise, also beispielsweise durch Folierungen oder Druckapplikationen, eine Positivform hergestellt werden. Aus ihr kann anschließend eine Negativform gebildet und auf der Schalungsoberfläche befestigt werden. Während die Positivform wie die oben erläuterte Beschichtung erzeugt wird, kann die Negativform dieses Verfahrens zum Beispiel aus Silikon erstellt werden. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für die Herstellung großer Stückzahlen von erfindungsgemäßen Schalungen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Ausbilden von leitfähigen und isolierenden Schichten auf einer Betonoberfläche, die eben und mit ihr oder ggf. einer anderen Referenzfläche insgesamt bündig abschließen.

Das oben genannte Verfahren kann dementsprechend die Grundlage eines darauf aufbauenden Verfahrens zur Herstellung eines ebenen, evtl. gegenüber einer Referenzoberfläche bündigen Schichtaufbaus aus Schichten mit einer Mächtigkeit im Mikrometerbereich auf einer Betonoberfläche dienen, das die folgenden Schritte umfasst: a) Erstellen eines Betonbauteils mit einer Oberfläche mit einem topografischen Höhenprofil mit einer Profiltiefe im Mikrometerbereich nach einer der oben beschriebenen Verfahren,

b) Auftragen jeweils einer Schicht bzw. Beschichtung in jeweils ein Teilprofil bestimmter Tiefe.

Die Besonderheit des Verfahrens besteht darin, dass die separat aufgebrachten Schichten nach Abschluss des Verfahrens sowohl untereinander, als auch mit einer Referenzoberfläche bündig bzw. ebenengleich abschließen. Als Referenzfläche wird regelmäßig die Betonoberfläche dienen. Alternativ kann zum Beispiel auch ein über sie überstehender oder in sie eingelassener Rahmen eine Referenzfläche bieten. Entsprechend der Möglichkeit, eine Hö- henprofilierung mit unterschiedlichen Profiltiefen zu erzeugen, können mehrere Schichten übereinander gelegt werden. Dabei kann es sich sowohl um leitfähige als auch um nicht leitfähige bzw. isolierende Schichten handeln. Leitfähige Schichten können jedenfalls elektrische Leiterbahnen, nicht leitfähige bzw. isolierende Schichten Isolatoren zwischen leitfähigen Schichten oder Schutzschichten für sie bilden. Auch ein unbeschichtetes Teilprofil kann als Isolator dienen, wenn es den Abstand zwischen den leitfähigen Schichten vergrößert. In einer einfachen Form kann durch Ausbildung eines einzelnen Teilprofils, das mit einer leitfähigen Schicht gefüllt wird, eine in einer Betonoberfläche bündig eingelassene hochfeine elektrische Leiterbahn hergestellt werden.

Zum Auftragen der Beschichtung auf die mikroprofilierte Betonoberfläche in Schritt b) sind Sprühverfahren, vorzugsweise Airbrush-Auftrag ggf. unter Zuhilfenahme von Schablonen und Abklebungen, die nach dem Trocknen entfernt werden, geeignet. Ferner eignen sich Druckverfahren, vorzugsweise Inkjetdruck, wobei der Druckkopf auch in einer Richtung orthogonal zur Bauteiloberfläche verfahrbar ist und so die verschiedenen Ebenen bzw. Teilprofile erreichen kann, oder Siebdruck. Ein weiteres geeignetes Auftragsverfahren ist das spin- coating sowie das Doctor-Blade-Verfahren.

Als Beschichtungsmaterialien sind alle gut leitfähigen bzw. gut isolierenden Farben geeignet, Lacke und sprüh- und druckfähige Substanzen und Lösungen. Sehr gut leitfähig ist eine Mischung aus einer CNT-Paste + PEDOT:PTS, wobei letzteres als Katalysator fungiert. Außerdem CNT-Paste allein und Leitsilber. Handelsübliche leitfähige Farben (z. B. bare conducti- ve), müssen auf die Dauerhaftigkeit und den Haftungsverbund mit Beton geprüft werden. Je nach Betongüte und Anwendung ist es erforderlich, die Betonoberfläche zu glätten und zu versiegeln, um die Funktion der Schaltung dauerhaft zu gewährleisten. So verhindert z. B. die Versiegelung das Eindringen der leitfähigen oder isolierenden Beschichtung in den Beton durch Kapillareffekte usw. Der Auftrag entsprechender Versiegelungen kann mit den oben genannten Auftragsverfahren erfolgen. Eine geeignete Substanz ist Epoxidharz. Hydrophobierungen und Imprägnierungen sind hier nur bedingt geeignet. Als isolierende Substanzen eignen sich z. B. alle gering oder nicht leitfähigen Farben.

In einer vorteilhaften Variante kann beim Erstellen des Betonbauteils bereits für den elektrischen Anschluss der leitfähigen Schicht(en) gesorgt werden, indem leitfähige Kontakte einbetoniert werden, und die leitfähige Schicht bereits beim bzw. durch ihr Einbringen an den Kontakten elektrisch leitend angeschlossen wird. Die Kontakte können in der Form von Stiften weitgehend orthogonal an der profilierten Oberfläche münden und über sie überstehen. Sie können dazu dienen, mit einer externen Verkabelung verbunden zu werden, an der sie beispielsweise angeklemmt oder angelötet werden. Alternativ können sie mit Leiterbahnen elektrisch in Kontakt stehen, die im Betonbauteil eingelassen sind. Alternativ zu abstehenden Kontaktstiften oder Pins können magnetische Kontakte bündig mit dem entsprechenden Teilprofil einbetoniert sein und eine externe Kontaktierung per Magnetkraft erlauben. Mit der Anordnung der Kontakte in einem Teilprofil lässt sich mit dem Einbringen einer leitfähigen Schicht in das Teilprofil bereits ein elektrischer Anschluss der leitfähigen Schicht an den Kontakt herstellen. Damit lässt sich ein elektrischer Anschluss der leitfähigen Schicht außerhalb ihrer Erstreckungsebene herstellen. Eine aufwändigere Variante der Erfindung kann durch die Ausbildung eines gestuften Höhenprofils mit Teilprofilen unterschiedlicher Profiltiefe und der Zuordnung von Kontakten zumindest zu einer Anzahl von unterschiedlichen Teilprofilen gekennzeichnet sein. So lässt sich beispielsweise ein Höhenprofil aus Teilprofilen unterschiedlicher Tiefe herstellen, wobei dem tiefsten Teilprofil ein erster Kontakt und dem am wenigsten tiefen Teilprofil ein zweiter Kontakt zugeordnet ist. Nun kann durch Einbringen einer ersten leitfähigen Schicht in das tiefste Teilprofil ein erster Leiter ausgebildet werden, der durch Einbringen einer nichtleitenden bzw. isolierenden Schicht in das zweite Teilprofil mittlerer Profiltiefe von einer leitfähigen Schicht im Teilprofil mit der geringsten Profiltiefe elektrisch getrennt ist. In dieser Anordnung können also zwei leitfähige Schichten übereinander, aber oberflächennah in einem Betonbauteil ausgebildet werden, beispielsweise als Kreuzung von Leiterbahnen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die leitfähige/n Schicht en als Sensoren oder Aktoren und/oder Mikroprozessoren, also als elektronische Bauteile zur Informationsverarbeitung, oder als Bauteile zur drahtlosen oder kabel- oder drahtgebundenen Informationsübermittlung (z. B. Antennen) ausgebildet sein. Mittels Sensoren ermittelte Informationen können so lokal verarbeitet, an lokale Netzwerke per LAN, W-LAN oder WiFi und/oder weiter an Steuereinheiten oder sonstige Rechnereinhei- ten übermittelt werden.

Das Prinzip der Erfindung wird im folgendem anhand einer Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Figur 1 : Drei schematische Explosionsansichten eines Schalungsaufbaus,

Figur 2: einen geschnittenen Schalungsaufbau,

Figur 3: ein erfindungsgemäß gewonnenes Betonbauteil,

Figur 4: ein erstes Anwendungsbeispiel, und

Figur 5: ein weiteres Anwendungsbeispiel

Figur 1 a zeigt eine räumliche Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Schalungsaufbaus, der in der Figur 1 b in einer Seitenansicht und in der Figur 1 c einer Draufsicht wiedergegeben ist. Demnach umfasst der Schalungsaufbau zwei Zylinderstifte 10 mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länge von etwa 20 mm. Sie stellen einen verlorenen Schalungsbestandteil dar, weil sie in das künftige Bauteil einbetoniert werden. Außerdem kommen drei selbstklebende quadratische Folien 12, 14, 16 unterschiedlicher Größe zum Einsatz, die aufgrund ihrer Dicke von nur 80 Mikrometern auf einem CNC - gesteuerten Schneidepiotter zugeschnitten werden. Die selbstklebende Folie 12 hat eine Seitenlänge von 20 mm, die Folie 14 von 40 mm und die Folie 16 von etwa 85 mm. Darunter ist eine ebenfalls quadratische Polystyroltafel 18 in weit gehenden gleichen Abmessungen wie die Folie 16 angebracht und weist eine Dicke von nur 1 mm auf und lässt sich daher vorzugsweise ebenfalls in einer CNC-gesteuerten Fräse zuschneiden. Wiederum darunter sind zwei zylindrische Neodymmagnete 20 mit einem Durchmesser von 5 mm und eine Länge von etwa 6 Millimetern gezeigt. Als unterster Bestandteil dient eine Trägerplatte 22, die ebenfalls quadratisch und mit einer Seitenlänge von 85 Millimetern und einer Dicke von 20 mm ausgestattet ist. Auch sie lässt sich auf CNC-gesteuerten Geräten fräsen.

Diese Bestandteile werden in der in den Figuren 1 a und 1 b gezeigten Weise montiert: Die Trägerblatte 22 stellt als Schalungsplatte gleichsam das„Rückgrad" des„Schalungsaufbaus" dar. Sie ist aus extrudiertem Polystyrol (XPS) ausgebildet und bietet daher neben einer hohen Stabilität auch eine leichte Bearbeitbarkeit. Sie ermöglicht es, neben einem hochgenauen Zuschnitt beispielsweise zwei Sacklöcher 24 anzubringen, deren Abmessungen den Neodymmagneten 20 entsprechen. Die Magnete 20 werden dort bündig mit einer der Polysty- roltafel 18 zugewandten Oberfläche der Trägerplatte 22 eingesetzt. Anschließend wird die Polystyroltafel 18 auf die Trägerplatte 22 aufgeklebt, womit die Tafel 18 die Schalhaut des Schalungsaufbaus darstellt. Als festes amorphes Polystyrol ist die Tafel 18 äußerst glatt und hart. Sie führt in ihrer Anwendung als Schalhaut zu einer äußerst glatten Oberfläche des mit ihr hergestellten Betonbauteils.

Auf die Polystyroltafel 18 wird eine Beschichtung zur Ausbildung eines Höhenprofils in Negativform aufgebracht. Die Beschichtung besteht aus den drei selbstklebenden Folien 12, 14, 16. Die unterste Folie 16 bedeckt die Polystyroltafel 18 in der schematischen Darstellung der Figur 1 vollflächig. Sie stellt ein erstes Teilprofil da, indem sie eine in der Figur 1 a bzw. Fi- gur 1 b gezeigten Darstellung eine untere Ebene definiert. In dem in Figur 1 gezeigten schematischen Aufbau fällt sie zusammen mit der Oberfläche des zukünftigen Betonbauteils. Die selbstklebende Folie 14 bedeckt nur einen Bruchteil der Folie 16 und wird mittig auf ihr aufgebracht. In der gleichen weiße wird auch die selbstklebende Folie 12, die die geringste Fläche aufweist, auf der Folie 14 befestigt. Damit definieren die Folien 12, 14 weitere Ebenen bzw. Teilprofile, die sich parallel zur Ebene der Folie 16 und damit zur zukünftigen Bauteiloberfläche des zur erstellenden Betonbauteils erstrecken.

Schließlich werden die zwei Zylinderstifte 10 montiert, indem der linke Zylinderstift 10 im Mittelpunkt der selbstklebenden Folien 12, 14, 16 und der rechte Zylinderstift 10 auf der unters- ten Folie 16 exzentrisch positioniert und dort jeweils von den Neodymmagneten 20 in Position gehalten werden. Damit ist ein Schalungsaufbau erreicht, wie er in Figur 2 im Wesentlichen dargestellt ist. Dort findet sich zusätzlich noch ein Schalungsrahmen 26, der die Trägerplatte 22 in Figur 2 aus Darstellungsgründen an nur zwei Seiten ihres Umfangs umgibt. Figur 2 verdeutlicht die erfindungsgemäße Entwicklung eines Höhenprofils anhand dreier Teilprofile: Die Folie 16 stellt eine erste Ebene bzw. ein erstes Teilprofil dar, das einer zukünftigen Bauteiloberfläche entspricht. Parallel dazu, aber in einen geringfügigeren Höhenversatz in der Dicke der Folie 14 verläuft ein zweites Teilprofil bzw. eine zweite Ebene. Der zweiten Ebene ist der exzentrisch angeordnete Zylinderstift 10 zugeordnet, indem er auf der zweiten Ebene aufsteht. Die zu den vorherigen Ebenen ebenfalls parallel sich erstreckende Ebene definiert die Folie 12, der zentrale Zylinderstift 10 zugeordnet ist

Der Schalungsaufbau gemäß Figur 2 kann dazu genutzt werden, ein Betonbauteil mit einem hochgenauen Höhenprofil als Grundlage einer Farbstoffsolarzelle herzustellen. Die erste Ebene stellt die Oberseite bzw. Oberfläche des Betonbauteils dar, auf dem bzw. in dem eingelassen die Farbstoffsolarzelle ausgebildet wird. Die zweite Ebene führt zu einer Vertiefung des zukünftigen Betonbauteils, in die die Fotoelektrode eingebracht werden kann. Der exzentrische Zylinderstift 10 stellt dort bereits ein Kontakt für die Fotoelektrode da. Die dritte Ebene stellt schließlich die Ebene für einen Rückkontakt da, der mit dem zentralen Zylinder- stift 10 über einen entsprechenden elektrischen Kontakt verfügt.

Der in Figur 2 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Schalungsaufbau wird nun mit Beton verfüllt, der in der Schalung verdichtet wird und aushärtet. Nach dem Entschalen ergibt sich ein Betonkörper, wie ihn Figur 3 wiedergibt. Sie zeigt einen quaderförmigen Be- tonkörper 30 mit einer ebenden Bauteiloberseite 32, die der ersten Ebene der Figur 2 entspricht und eine Referenzebene des Betonkörpers 30 darstellt. Die Bauteiloberseite 32 zeigt sich als quadratischer Rahmen, in den zentral ein Rücksprung 34 eingelassen ist. Er bildet die zweite Ebene gemäß Figur 2 und dient zur Aufnahme der Fotoelektrode. Auch der Rücksprung 34 ist quadratisch und rahmenartig, weil sich in seinem Zentrum ein weiterer Rück- sprung 36 entsprechend der dritten Ebene gemäß Figur 2 befindet. Sowohl der Rücksprung 34 als auch der quadratische Rücksprung 36 sind elektrisch kontaktiert an den beiden Zylinderstiften 10, die mit ihren beiden scheibenförmigen Deckflächen in der zweiten Ebene des Rücksprungs 34 bzw. in der dritten Ebene des Rücksprungs 36 münden. Mit Einbringen eines Rückkontakts in den Rücksprung 36 erhält jener eine elektrisch leitfähige Verbindung zum Zylinderstift 10, der auf eine der Bauteiloberseite 32 gegenüberliegende und nicht einsehbare Rückseite des Betonkörpers 30 führt.

Die Schichtdicke des Rückkontakts entspricht der Foliendicke der Folie 12 gemäß Figur 1 , also nur wenige Mikrometer. Nach Aufbringen des Rückkontakts ist der Rücksprung 36 vollkommen gefüllt, sodass sich der Rücksprung 34 als ebenes Quadrat und nicht mehr als Rahmen darstellt. Nun kann das Material für die Fotoelektrode eingebracht werden, das ebenfalls eine geringe Mächtigkeit aufweist, die der Dicke der Folie 14 und damit ebenfalls nur wenige Mikrometer entspricht. Die Fotoelektrode füllt ebenfalls den Rücksprung 34 voll- ständig aus und bildet damit eine bündige Oberfläche mit der Bauteiloberseite 32. Dadurch erhält der Betonkörper 30 eine vollkommen ebene Bauteiloberseite 32, in der eine Farbstoffsolarzelle bündig eingelassen ist.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen das Herstellungsprinzip einer Farbstoffsolarzelle auf einem ein- zelnen Betonkörper 30. Figur 4 zeigt ein Bauteil, auf dem mehrere Farbstoffsolarzellen auf einer Betonplatte 30 eingelassen sind. Die Herstellung der Betonplatte erfolgt nach demselben Prinzip, wie es in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist. In diesem Fall ist nicht die zweite Ebene bzw. der Rücksprung 34, sondern die dritte Ebene und damit die Bauteiloberseite 32 kontaktiert. So können die exzentrischen Kontaktstifte 10 der Bauteiloberseite 32 mit einem zweiten Schichtmaterial, z. B. einer mit Leiterbahnen bedruckten Glasscheibe, mit ITO-Glas oder mit sonstigen leitfähigen Materialien maximal ganzflächig abgedeckt werden. Eine solche Anordnung kann für das Zusammenspiel mit Prüfgeräten oder sonstigen externen Geräten vorteilhaft sein zum Beispiel zum Übertragen von Daten und Steuerbefehlen, oder für den Zweck der Möglichkeit der Berührung genutzt werden, also für eine Touchfunktion.

Eine weitere mögliche Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens wird anhand der Figur 5 kurz erläutert: Zur Herstellung einer Farbstoffsolarzelle auf Beton wird auf einer Oberfläche eines Betonbauteils 40 aus UHPC ein quadratisches topografische Höhenprofil im Mikrometerbereich ausgebildet. Die Profilierung bietet drei ebene Profiltiefen bzw. Teilpro- file 42, 44, 46, die sich alle parallel zu einer ebenen Oberfläche 48 des Betonbauteils 40 erstrecken. Das am tiefsten im Betonbauteil 40 eingesenkt liegende Teilprofil 42 ist zentral als Quadrat ausgebildet, das rahmenartig und konzentrisch von den beiden weiteren Teilprofilen 44, 46 umschlossen wird. Das äußerste und höchstgelegene rahmenartige Teilprofil 46 liegt über der Oberfläche 48, während sich die Teilprofile 42 und 44 unterhalb der Oberfläche 48 erstrecken. In dem tiefsten großflächigen Teilprofil 42 wird eine Graphit- und Titandioxidschicht eingebracht. Über zwei laschenartige ebenengleiche Profilfortsätze 50 (nur einer dargestellt) an gegenüberliegenden Seiten des quadratischen Teilprofils 42 reicht die dort einzubringende Schicht an zwei Kontaktstifte 52 heran, so dass die am tiefsten liegende Graphit- und Titandioxidschicht elektronisch kontaktiert werden kann, auch wenn weitere Schichten auf ihr aufgebracht werden und sie überdecken.

Die erste Schicht im tiefsten Teilprofil 42 wird bis zur Höhe bzw. bis zum Niveau des mittleren Teilprofils 44 aufgebracht, so dass sich nun ein quadratisches Profil mittlerer Tiefe ergibt, das ursprünglich lediglich als Rahmen zu erkennen war. In das nun vorliegende quadratische mittlere Teilprofil 44 wird ein Elektrolyt aufgebracht, dessen Mächtigkeit so gewählt wird, dass er an das Niveau des letzten und höchstgelegenen Teilprofils 46 mit der geringsten Dicke anschließt. Der Elektrolyt füllt als zweite Schicht also den Innenbereich des äußersten quadratischen Rahmens 46 aus.

Schließlich wird auf das jetzt oberste Teilprofil 46, das sich durch Auffüllen der beiden unteren Schichten ebenfalls als quadratisches Profil darstellt, eine Gegenelektrode aufgebracht (nicht dargestellt), die durch nach außen abstehende und einander gegenüberliegende Laschen 54, die jeweils an einen Kontaktstift 56 reichen, elektrisch kontaktiert werden kann.

Die Profilierung ermöglicht damit die Integration der Elektroden und die ebengleiche Ausbildung der stromerzeugenden Funktionsschichten einer Farbstoffsolarzelle in bzw. an der Betonoberfläche. Die Gesamthöhe des Systems der Farbstoffsolarzelle beträgt in etwa 80 μηι. Jedes Quadrat kann eine Zelle darstellen. Durch die Kontaktierung mittels der Kontaktstifte 52, 56, durch eine Anordnung mehrerer derartiger Profile bzw. Zellen nebeneinander ist eine flexiblere Reihen-, Parallel- oder kombinierte Schaltung möglich. Der Rückkontakt als unterstes tiefstes Teilprofil 42 und der Frontkontakt als das Teilprofil 46 mit der geringsten Tiefe fassen eine so gebildete Zelle ring- oder rahmenartig ein. Der gestufte Rahmen führt über sein treppenartiges Profil zu einer Trennung der Elektroden. Das Schichtsystem kann im Mikrometerbereich angepasst werden, so dass die Funktionsschichten in exakter Schichtstärke aufgetragen werden können. Die Rahmenstruktur gibt also Lage und Größe der Zellenform bereits vor und definiert über die unterschiedlichen Profiltiefen die Dicke und den Abstand der Schichten voneinander. Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen Schalungsaufbauten und daraus gewonnen Betonkörpern um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der Scha- lungsaufbauten und der Betonkörper in anderer geometrischer Form als in der hier beschriebenen erfolgen. Ebenso können die Teilprofile in einer anderen geometrischen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Platzgründen bzw. designerischen Gründen notwendig ist. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel„ein" bzw.„eine" nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrmals oder mehrfach vorhanden sein können.

Bezugszeichenliste

10 Zylinderstift

12 selbstklebende Folie

14 selbstklebende Folie

16 selbstklebende Folie

18 Polystyroltafel

20 Neodymmagnete

22 Trägerplatten

24 Sackloch

26 Schalungsrahmen

30 Betonkörper

32 Bauteiloberseite

34 Rücksprung

36 Rücksprung

40 Betonbauteil

42 Teilprofil

44 Teilprofil

46 Teilprofil

48 Oberfläche

50 Profilfortsatz

52 Kontaktstift

54 Lasche

56 Kontaktstift

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 . Verfahren zur Ausbildung eines topografischen Höhenprofils mit einer Profiltiefe im Mik- rometerbereich auf einer Betonoberfläche unter Verwendung von Schalungselementen mit einer vorzugsweise äußerst glatten Schalungsoberfläche durch Aufbringen einer Be- schichtung auf die Schalungsoberfläche als Negativform des Höhenprofils.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch Folien als Beschichtung

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Kombination mehrerer mit

Schneidemaschinen bearbeiteter Folien zur Herstellung mehrstufiger Profilierungen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet durch Selbstklebefolie oder Kaschierfolie.

5. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch Farbschichten oder Lackschichten als Beschichtung.

6. Verfahren nach dem obigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbschichten oder Lackschichten durch Aufsprühen oder Aufdrucken aufgebracht werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Positivform in einem der Verfahren nach Anspruch 2 bis 4 oder nach Anspruch 5 bis 7 hergestellt wird, aus der eine Negativform gebildet und auf der Schalungsoberfläche befestigt wird.

8. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Profiltiefe eines einzelnen Profils von 500 μηη, 250 μηη oder 100 μηη, vorzugsweise von 80 μηη, 60 μηη, 40 μηη oder 10 μηι.

9. Verfahren zur Herstellung eines ebenen, gegenüber einer Referenzfläche bündigen

Schichtaufbaus mit einer Mächtigkeit im Mikrometerbereich auf einer Betonoberfläche mit den folgenden Schritten:

a) Erstellen eines Betonbauteils mit einer Oberfläche mit einem topografischen Höhen- profil mit einer Profiltiefe im Mikrometerbereich nach einem Verfahren der obigen Ansprüche 1 bis 9, b) Auftragen einer Schicht in das Höhenprofil.

10. Verfahren nach dem obigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erstellen des Betonbauteils an der Oberfläche mündende leitfähige Kontakte einbetoniert werden, und die leitfähige Schicht (durch) bei ihrem Einbringen an den Kontakten elektrisch leitend angeschlossen wird.

1 1 . Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ausbildung eines gestuften Höhenprofils mit Teilprofilen (Ebenen) unterschiedlicher Profiltiefe unter Zuordnung von Kontakten zumindest zu einer Anzahl von unterschiedlichen Teilprofilen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige/n Schicht/en als Sensoren oder Aktoren und/oder Mikroprozessoren oder elektronische Bauteile zur Informationsübermittlung ausgebildet sind.

13. Verwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Höhenprofils mit einer Profiltiefe im Mikrometerbereich auf einer Betonoberfläche nach einem der obigen Ansprüche zur Herstellung von elektrischen Leiterbahnen oder zur Modifikation der akustischen Eigenschaften, des Fließverhaltens, des Adhäsionsverhaltens oder der Rutschfestigkeit der Betonoberfläche.