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Die Erfindung betrifft, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Verbundwerkstoff in Sandwichstruktur mit zwei Deckschichten und dazwischen angeordneten Kern, wobei der Verbundwerkstoff auf mindestens einer Deckschicht eine gedruckte Struktur und/oder Schaltung mit Anschlussmittel an elektrische Leitungen trägt. Weiterhin betrifft, gemäß Patentanspruch 5, die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs.
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Im Bereich der gedruckten Elektronik (engl. „Printed Electronics“) wurden in den letzten Jahren enorme Fortschritte erzielt. Die Beherrschung der Technologie ermöglicht zahlreiche Vorteile wie u.a. der 3D-Anordnung von Schaltungen auf engstem Raum. Vor allem im Transportsektor könnten durch diese Technologie sowohl wichtiger Bauraum wie auch eine Integration neuer Funktionen realisiert werden. Die technologische Herausforderung hierbei liegt in der Anbindung der 3D-Schaltungsträger an das vorhandene Strom- bzw. Datensystem. Eine Translation von gedruckten Leiterbahnen auf Kabelsysteme wird benötigt. Eine beispielhafte Anwendung ist in 5 gezeigt. Hierbei handelt es sich um ein Sandwich-Panel, welches in der Luftfahrt als Verkleidungselement verwendet wird. Dieses Element eignet sich für die Integration von gedruckten Strukturen. Diese müssen allerdings in einem nachfolgenden Prozessschritt an das vorhandene Strom- bzw. Datensystem angeschlossen werden.
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Beispielsweise ist aus der
DE 10 2014 002 365 A1 ein Flugzeugpaneel für einen Innenraum eines Flugzeuges und Verfahren zur Fertigung des Flugzeugpaneels bekannt. Das Flugzeugpaneel weist eine Sandwichstruktur auf, welche als Sandwichlagen einen Kernabschnitt und einen Deckabschnitt mit einer Prepreg-Schicht umfasst. Der Kernabschnitt umfasst einen Wabenkern und/oder ist durch diesen gebildet. Beispielsweise ist der Wabenkern aus einem Papier- und/oder Kartonmaterial gebildet. Insbesondere wird für den Wabenkern ein beschichtetes Aramidpapier verwendet. Dies hat insbesondere Vorteile im Hinblick auf ein reduziertes Gewicht des Flugzeugpaneels. Der optionale Bodenabschnitt ist z. B. aus einer weiteren Prepreg-Schicht gebildet und/oder umfasst diese. Weiterhin weist das Flugzeugpaneel mindestens ein Schaltelement zur Aktivierung mindestens einer elektrischen Einrichtung des Flugzeugs auf, wobei mindestens ein Schaltelement durch die Prepreg-Schicht im Deckabschnitt fixiert ist. Insbesondere umfasst das Flugzeugpaneel mindestens ein Stützelement zum stützenden Haltern des Schaltelements im Flugzeugpaneel, wobei das Stützelement als ein Plättchen mit einer zentralen Vertiefung und mit umlaufendem Randbereich ausgebildet ist. Weiterhin weist das Flugzeugpaneel mindestens eine Anschlussleitung auf, die mit mindestens einem Schaltelement elektrisch leitend verbunden ist, wobei die mindestens eine Anschlussleitung von der Prepreg-Schicht bedeckt und/oder in diese eingebettet ist. Die Anschlussleitung ist mit mindestens einer Schalteinrichtung zu einer Schalteinheit elektrisch leitend verbunden, zum Beispiel verlötet. Besonders bevorzugt ist, dass die Anschlussleitung mit einer Leiterbahn aus Kupferdraht bereits vor dem Verpressen der Sandwichstruktur mit dem Schaltelement elektrisch leitend zur Schalteinheit verbunden wird. Die Anschlussleitung verläuft unterhalb der Prepreg-Schicht und parallel oder im Wesentlichen parallel zum Kernabschnitt. Vorzugsweise wird die Schalteinheit vor dem Verpressen der Sandwichstruktur auf die untere Prepreg-Schicht aufgelegt und/oder oberhalb dieser angeordnet. Insbesondere werden die untere Prepreg-Schicht, die Schalteinheit und die Prepreg-Schicht zusammen im Deckabschnitt oder zu dem Deckabschnitt verpresst. Das Stützelement liegt auf dem Kernabschnitt auf und/oder ist in diesen zumindest teilweise in den Kernabschnitt eingepresst, insbesondere das Stützelement kann derart ausgebildet und mit dem Kernabschnitt verbunden sein, dass das Schaltelement äquiplanar im Flugzeugpaneel integriert ist. Das Flugzeugpaneel kann zur Verbindung der einzelnen Abschnitte und zur Bildung der Sandwichstruktur problemlos verpresst werden, ohne das Schaltelement zu beschädigen, da dieses beim Verpressen in die zentrale Vertiefung ausweichen kann. Das Flugzeugpaneel weist eine Deckfolie, insbesondere eine Polyvinylfluorid-Folie (sog. Tedlar-Folie) auf, die auf der Prepreg-Schicht angeordnet ist und die Sichtseite des Flugzeugpaneels bildet. Die Deckfolie ist zur Isolation und/oder als Berührschutz des Schaltelements ausgebildet. Optional ergänzend kann auf der Deckfolie eine Lackschicht zur Verbesserung einer Optik und zum Schutz einer Oberfläche des Flugzeugpaneels aufgetragen sein. Das Verfahren zur Fertigung des Flugzeugpaneels umfasst folgende Schritte: Einlegen mindestens eines Schaltelements in den Deckabschnitt, mittelbares oder unmittelbares Fixieren mindestens eines Schaltelements über die Prepreg-Schicht im Deckabschnitt.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2010 024 264 B4 eine Inneneinrichtungsanordnung für eine Passagierkabine mit einem Inneneinrichtungselement, bestehend aus Wandverkleidung, Fenster-Paneel, Seiten-Paneel, Deckenverkleidung und Gepäckfach bekannt, wobei das Inneneinrichtungselement als ein sandwichartig ausgebildetes Bauteil mit einer ersten Deckschicht, einer zweiten Deckschicht und einer Füllschicht ausgebildet ist. In oder an dem Inneneinrichtungselement ist eine elektrische Vorrichtung und wenigstens eine Leitung zur Energieversorgung der elektrischen Vorrichtung angebracht. Um eine Inneneinrichtungsanordnung mit einer elektrischen Vorrichtung und verbesserter Wärmeabfuhr bereitzustellen ist eine Wärmeabfuhreinrichtung vorhanden, die von wenigstens einer Leitung zur Energieversorgung verschieden ausgebildet ist und zur Abführung der beim Betrieb der elektrischen Vorrichtung erzeugten Wärme von der elektrischen Vorrichtung und Abstrahlung an die Umgebung dient. Die Wärmeabfuhreinrichtung ist als ein integraler Bestandteil des Inneneinrichtungselements ausgebildet und weist eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 75 W/mK auf. Durch die integrale Ausbildung einer Wärmeabfuhreinrichtung mit dem Inneneinrichtungselement, der elektrischen Vorrichtung und/oder wenigstens einer Leitung kann bei der aus der
DE 10 2010 024 264 B4 bekannten Inneneinrichtungsanordnung auf einen zusätzlichen Kühlkörper zum Temperaturmanagement verzichtet werden, wodurch Bauraum und Gewicht eingespart werden können. In einer Ausführungsform weist das Inneneinrichtungselement im Bereich der elektrischen Vorrichtung zumindest teilweise wärmeleitende Fasern oder einen wärmeleitenden faserverstärkten Werkstoff mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit auf. Vorzugsweise werden wärmleitende Fasern zu einem wärmeleitenden Textil miteinander verwoben. Bevorzugt wird das wärmeleitende Textil auf ein Inneneinrichtungselement aufgebracht und weist eine hohe thermische Leitfähigkeit, welche größer als 75 W/mK, bevorzugt größer als 150 W/mK ist. Vorzugsweise bestehen Fasern mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit aus einem Werkstoff, welcher diese Eigenschaften aufweist. Beispielsweise können für die Fasern mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit Fasern aus einem metallischen oder aus einem graphithaltigen Werkstoff verwendet werden. Zum Beispiel weist ein Werkstoff mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit Aluminium, Kupfer, Stahl, Grafit bzw. Magnesium als Bestandteile auf. In einer weiteren Ausführungsform weist ein Inneneinrichtungselement im Bereich der elektrischen Vorrichtung zumindest teilweise eine Beschichtung mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit auf. Vorzugsweise sind solche Beschichtungen als eine elektrisch isolierende Beschichtung ausgeführt. Eine elektrisch isolierende Beschichtung mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit weist als einen Bestandteil vorzugsweise eine Silikonfolie mit oder ohne mechanischen Verstärkungsfasern, einen Kunststofffilm, insbesondere aus Polyimid, einen Phase-Changing Werkstoff, eine Schicht aus Polymeren oder Gap-Filler aus weichen Elastomeren mit oder ohne mechanischer Verstärkung, sowie Kunststofffilme mit verbesserten Wärmeleiteigenschaften auf. Durch die elektrisch isolierende Wirkung und gute Wärmeleitung wird eine verbesserte Inneneinrichtungsanordnung erreicht. Vorzugsweise weist eine Beschichtung mit hoher thermischer Leitfähigkeit als einen Bestandteil einen elektrisch nicht isolierenden Werkstoff auf. Zum Beispiel weist ein solcher Werkstoff Aluminium, Graphit bzw. Kupfer als einen Bestandteil auf. Durch ein Inneneinrichtungselement mit einer Beschichtung mit hoher thermischer Leitfähigkeit wird die im Wesentlichen punktförmig an der elektrischen Vorrichtung entstehende Abwärme von dieser abgeführt. Somit wird die Temperatur der elektrischen Einrichtung verringert und damit eine verbesserte Inneneinrichtungsanordnung mit Kühlung der elektrischen Vorrichtung erreicht. In einer noch weiteren Ausführungsform weist das Inneneinrichtungselement im Bereich der elektrischen Vorrichtung eine strukturierte Oberfläche auf. Vorzugsweise ist unter einer strukturierten Oberfläche eine wellenartige oder rippenartige Ausbildung der Oberfläche des Inneneinrichtungselements zu verstehen. Durch eine solche strukturierte Oberfläche wird insbesondere die Fläche zur konvektiven Abgabe von Wärmeenergie vergrößert und somit die Kühlwirkung der elektrischen Vorrichtung verbessert. Die strukturierte Oberfläche des Inneneinrichtungselements wird dann vorzugsweise von einem Kühlmedium umströmt, beispielsweise von einem Kühlluftstrom, welcher direkt oder indirekt von einer Klimaanlage der Passagierkabine abgeleitet ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Vorrichtung auf einem metallischen Bauteil, welches mit dem Inneneinrichtungselement in temperaturleitender Verbindung steht. Vorzugsweise ist dieses metallische Bauteil als ein Beschlags- bzw. Scharnierbauteil, insbesondere eines Gepäckfachs, einer Kabinentür, einer Verstärkungsrippe oder eines Befestigungselements zu verstehen. Durch ein solches metallisches Bauteil kann die Oberfläche zur konvektiven Wärmeabgabe von der elektrischen Vorrichtung vergrößert und die Temperatur der elektrischen Vorrichtung gesenkt werden.
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Weiterhin ist aus der
EP 1 046 576 B1 ein Plattenbauteil, insbesondere für eine Fußbodenplatte in einem Flugzeug bekannt, wobei das Bauteil im Wesentlichen aus mehreren Schichten aufgebaut ist und zumindest einen Wabenkern und mindestens eine untere und mindestens eine obere Deckschicht aufweist. Für den Einsatz als Fußbodenplatte in einem Flugzeug sind die Deckschichten als untere Deckschichten vorgesehen, wobei die dem Wabenkern nächstliegende Lage als eine kohlefaserverstärkte Prepreg-Materialschicht (carbon fiber prepreg) und die darunterliegende Lage als eine glasfaserverstärkte Prepreg-Materialschicht (gfk-pfprepreg) ausgebildet ist. Oberhalb des Wabenkerns ist als obere Deckschicht eine kohlefaserverstärkte Prepreg-Materialschicht (CFK-Platte) sowie Decklagen aus Prepreglagen, wie Fiberglass-epoxy-prepreg vorgesehen. Mit Prepreg wird mit aushärtbarem Kunstharz vorimprägniertes Fasermaterial bezeichnet. In bestimmten Bereichen des Flugzeugfußbodens, insbesondere im Türbereich des Flugzeuges, ist es notwendig Beheizungseinrichtungen vorzusehen, da es vor allem bei Langstreckenflügen in großen Höhen bei Flugzeugaußenhauttemperaturen bis zu - 55° C, im Fußbodenbereich zu Minusgraden bis -15° C kommen kann. Dafür ist zwischen den oberen Deckschichten ein Folienheizer eingebracht, welcher vorzugsweise aus Kapton/Cupron-Folien-Heizelementen gebildet ist. Kapton ist das Trägermaterial für solche Heizfolien, Cupron (Legierung) ist ein Heizmaterial. Als alternatives Heizmaterial kann Manganin verwendet werden. Zwischen den Fiberglass epoxy-prepreg-Lagen werden mittels Epoxidharzschichten (epoxy film adhesive) die Folienheizelemente 8 angeordnet und verklebt. Die Bauteilplatte enthält als obere Abdeckung eine wärmeleitende Deckplatte als Schutz gegenüber mechanischer Beanspruchung und zur Wärmeverteilung. Vorgesehen ist dafür eine relativ dünne, ca. 0,5 mm starke oberflächenvergütete Metallplatte, vorzugsweise aus dem Werkstoff Aluminium. Die Aluminiumplatte ermöglicht einen schnellen Wärmetransport und eine homogene Wärmeverteilung. Die Metalldeckplatte wird mit den anderen Schichten als Composite verklebt. Zur Temperaturregelung an dem Plattenbauteil ist eine elektronische Temperaturregeleinheit vorgesehen, die mittels eines PTC-Sensors die Temperaturverteilung im Plattenbauteil ermittelt und die Wärmeleistung des Folienheizers für eine homogene Temperaturverteilung regelt. Bei Ausfall dieser Regelung ist zur Verhinderung einer Überhitzung der Platte ein Übertemperaturschalter mit zwei Abschaltstufen vorgesehen. Die CFK-Platten und die Metalldeckplatte werden elektrisch auf Massepotential gelegt, um ein sicheres Abschalten für den Kurzschlussfall, beispielsweise bei Beschädigung der Platte, zu gewährleisten. Zusätzlich sollte in der Temperaturregeleinheit eine elektronische Überwachung des Heizstromes vorgesehen sein, damit im Kurzschlussfall der Stromkreis unterbrochen wird. Die Bauteilplatte wird als Verbund der verschiedenen Lagen in einem Autoklaven bei entsprechender Temperatur und vorzugsweise unter Vakuum hergestellt. Mit der Herstellung unter Vakuum vermeidet man Lufteinschlüsse in der Bauteilplatte, die nachteilig für die Anwendung derselben bei wechselnden Druckverhältnissen während des Einsatzes des Flugzeuges ist. Die Festigkeit der Bauteilplatte, die für die Anwendung als Flugzeugfußbodenplatte notwendig ist, wird durch den Aufbau mit kohlefaserverstärkten und glasfaserverstärkten Decklagen, dem Wabenkern und der Deckplatte gewährleistet. Eine solche Bauteilplatte hat ungefähr eine Stärke von 9,5 mm. Unterhalb dieses Verbundes kann zur Reduzierung von Wärmeverlusten eine ca. 10 mm starke Isolierschicht, beispielsweise aus Kunststoffschaum, angeordnet sein. Für andere Einsatzzwecke mit anderen Festigkeitsanforderungen kann die Verbundbauplatte im Aufbau und den Schichtdicken variiert werden. Im Bereich eines Kabelanschlusses ist ein Kabelbündel über Einzelleitungen mit der Heizfolie verbunden. Eine Verbindung zu den Mess- und Schalterelementen ist ebenfalls vorgesehen. Es kann auch eine gedruckte Schaltung verwendet werden, die an Leitungen des Kabelbündels angeschlossen wird. Notwendig ist auch eine Verbindung zur Gehäusemasse, d. h. eine Verbindung zur Aluplatte. Das Kabelbündel ist mittels eines Kabelbinders am Halter der Bauteilplatte 1 befestigt. Für den Kabelanschluss ist in der Platte ein entsprechender Freiraum vorgesehen, um das Herstellen der elektrischen Verbindungen zu ermöglichen. Ein Schrumpfschlauch wird als Schutzmaßnahme über das Kabelbündel gezogen. Nach Fertigstellung der Verbindungen werden der Freiraum sowie ein Übergangsbereich zwischen Außenfläche der Platte und Kabelbündel mit einem wasserdichten Verguss versehen. Vorteilhaft ist hier die Anwendung von Epoxidharz. Damit ist eine ausreichende Feuchtigkeitsdichtigkeit und Skydrolfestigkeit erreicht. Die Elektronikbauteile sind vorzugsweise jeweils an der Deckplatte verklebt und mit der Heizfolie verbunden. In allen Fällen können nach Herstellung einer funktionsfähigen Verbindung der elektrischen Bauteile die Aussparungen mit vorzugsweise Epoxidharz vergossen werden.
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Weiterhin ist aus der
EP 2 438 665 B1 eine Blitzschutz-Anordnung zum Ableiten eines elektrischen Stromes, der durch Blitzeinwirkung auf eine elektronischen Einheit kurzzeitig strukturbelastet fließend wirkt, bekannt, wobei die elektronische Einheit an einer aerodynamischen Verkleidung eines Flugzeuges angebracht ist. Bestandteile dieser Blitzschutz-Anordnung sind eine elektrisch leitfähige Montageplatte, die an einer Außenseite eines CFK-Sandwich-Panels der aerodynamischen Verkleidung angeordnet ist, und eine elektrisch leitfähigen Rückplatte, die an einer Innenseite des CFK-Sandwich-Panels der aerodynamischen Verkleidung angeordnet ist. Weiterhin mehrere speziell installierte Befestigungsmittel, beispielsweise in Summe mit drei Gruppen von Befestigungsmitteln, welche die elektronische Einheit ,die Montageplatte und die Rückplatte elektrisch verbinden, so dass der Blitzstrom, der infolge des in die Montageplatte treffenden Blitzschlages entsteht und fließt, am Flugzeugrumpf niederohmig abgeleitet wird. Bei einer Ausführungsform der Blitzschutz-Anordnung weist das CFK-Sandwich-Panel mindestens eine obere CFK-Lage, die aus kohlefaser-verstärktem Kunststoff besteht, eine wabenförmig strukturierte Schicht, insbesondere aus harzgetränktem Papier, und mindestens einer unteren CFK-Lage, die aus kohlefaser- verstärktem Kunststoff besteht, auf. Die Verwendung von CFK-Sandwich-Panels für die aerodynamische Verkleidung verringert das Gewicht der Verkleidung und somit das Gewicht des Flugzeuges. Bei einer Ausführungsform der Blitzschutz-Anordnung ist auf der äußeren CFK-Lage des CFK-Sandwich-Panels ein Drahtgeflecht oder eine Metallfolie zum Schutz des CFK-Sandwich-Panels bei etwaigen direkten Einschlägen eines Blitzeinschlags eingebracht. Da das auf dem CFK-Sandwich-Panel angebrachte elektronische Bauelement nur einen Teil des CFK-Sandwich-Panels abdeckt, stellt eine geflechtartig oder netzartig ausgeführte metallene Schicht, die vorzugsweise mit einem Drahtgeflecht (Bronzenetz) realisiert ist, einen Blitzschutz bereit, wenn ein Blitz nicht das elektronische Bauelement, sondern die verbleibende Außenfläche des CFK-Sandwich-Panels selbst trifft. Ohne das Vorsehen des Drahtgeflechtes würde es bei einem Blitzeinschlag in das CFK-Sandwich-Panel zu Strukturschäden beispielsweise zur Erzeugung eines Lochs in dem CFK-Sandwich-Panel, kommen. Das Drahtgeflecht wird deshalb vorzugsweise aus einer Metalllegierung, beispielsweise Bronze, hergestellt. Bei einer Ausführungsform der Blitzschutz-Anordnung bestehen die Montageplatte und die Rückplatte aus einem Metall, das nach der bekannten elektrochemischen Spannungsreihe sowohl eine geringe Potentialdifferenz zu dem Material des Drahtgeflechtes als auch zu dem CFK aufweist und gleichfalls ein möglichst geringes Gewicht besitzt. Bevorzugt bestehen die Montageplatte und die Rückplatte aus Titan oder Aluminium. Bei der elektronischen Einheit kann es sich um eine Antenne, beispielsweise eine CRPA (control radiation pattern antenna) - Antenne handeln, welche eine aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material bestehende Hülle aufweist, die auch als Radom bezeichnet wird. Diese Hülle dient zum Schutz der darunter angebrachten eigentlichen Antenne. Weiterhin weist die Antenne einen Antennenfuß auf, der beispielsweise aus Metall besteht. An der Unterseite der Antenne sind Anschlusskontakte vorgesehen, bei denen es sich beispielsweise um Koaxialstecker handelt. Diese können von der Innenseite eines Flugzeugrumpfes aus über elektrische Anschlussstecker kontaktiert werden. Dafür sind in dem CFK-Sandwich-Panel entsprechende Bohrungen vorgesehen, welche durch die drei Schichten des CFK-Sandwich-Panels hindurch gehen. Die elektronische Einheit beziehungsweise die erwähnte Antenne liegt durch eine Korrosionsschutz-Dichtungsschicht getrennt auf einer Montageplatte der Blitzschutz-Anordnung auf. In der Peripherie der Montageplatte sind Bohrungen für elektrisch leitfähige Schrauben vorgesehen, die zum Ableiten von Überspannungen dienen. Weiterhin können beispielsweise vier Bohrungen vorgesehen sein, um mit vier elektrisch leitfähigen Schrauben einen Blitzschutz der Antenne umzusetzen. Diese Bohrungen weisen beispielsweise einen Durchmesser von 5,2 mm auf. Die elektrisch leitfähigen Schrauben können beispielsweise einen Durchmesser von 4,8 mm besitzen. Bei einer möglichen Ausführungsform werden die Schrauben 10 mm vom Rand der Montageplatte entfernt durch die Bohrungen geführt.
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Schließlich ist aus dem
DE 20 2012 010 193 U1 ein Carbonfaser-Bauteil bekannt, wobei in dem Carbonfaser-Bauteil eine Öffnung ausgebildet ist, die sich quer zu der Flächenausdehnung erstreckt und die mit einer umlaufenden Wand des Carbonfaser-Bauteils umgeben ist. Um ein Carbonfaser-Bauteil vorzustellen, mit dem auf kostengünstige und zuverlässige Weise eine Einleitung von elektrischen Strömen in das Carbonfaser Bauteil möglich ist, ist ein Kontaktelement vorgesehen, das aus einem leitfähigen Material besteht und das eine an die umlaufende Wand angepasste Außenfläche aufweist. Das Kontaktelement ist einer Anpresskraft ausgesetzt, mit der das Kontaktelement gegen die umlaufende Wand gepresst wird, wobei eine Komponente der Anpresskraft parallel zur Flächenausdehnung des Carbonfaser-Bauteils wirkt. Es ist möglich, innerhalb der Öffnung direkt eine Anpresskraft zu erzeugen, die parallel zu der Flächenausdehnung des Carbonfaser-Bauteils wirkt. In vielen Fällen ist es jedoch einfacher, eine Kraft in Axialrichtung der Öffnung auszuüben und diese in eine parallel zu der Flächenausdehnung wirkende Antriebskraft umzusetzen. Das Carbonfaser-Bauteil kann zu diesem Zweck so gestaltet sein, dass die umlaufende Wand sich gegenüberliegende Keilflächen umfasst und dass das Kontaktelement ein an die Keilflächen angepasstes Keilelement ist. Eine in Axialrichtung auf das Keilelement wirkende Kraft wird durch die Keilflächen in die gewünschte Anpresskraft umgesetzt. Weiter vorzugsweise ist das Carbonfaser-Bauteil so gestaltet, dass die Öffnung eine Konusbohrung ist und dass das Kontaktelement ein an die Konusbohrung angepasstes Konuselement ist. Es kann eine Spanneinrichtung vorgesehen sein, um das Kontaktelement in Axialrichtung der Öffnung unter Spannung zu setzen. Das Konuselement ist in Axialrichtung etwas länger als die Durchgangsbohrung, so dass sich nach oben und unten ein leichter Überstand des Konuselements ergibt. Dadurch ist sichergestellt, dass die innerhalb der Durchgangsbohrung zur Verfügung stehende Fläche vollständig ausgenutzt wird. An seinem dickeren Ende ist das Konuselement mit einem elektrischen Anschluss versehen, an den ein Kabel angeschlossen werden kann, so dass das Carbonfaser-Bauteil in einen Stromkreis eingebunden wird. Zur Verbesserung des Kontakts ist es außerdem möglich, ein elektrisch leitfähiges Zwischenmaterial zwischen dem Kontaktelement und der umlaufenden Wand vorzusehen. Das elektrisch leitfähige Zwischenmaterial ist vorzugsweise weicher als das Carbonfaser-Bauteil, so dass das Material sich verformt, wenn das Kontaktelement in der Öffnung unter Spannung gesetzt wird, um die Anpresskraft zu erzeugen. Unebenheiten in den Oberflächen können so ausgeglichen werden. Das Einbringen eines elektrisch leitfähigen Zwischenmaterials ist insbesondere bei Reparaturverfahren vorteilhaft.
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Die Problematik der Anschlusstechnologie wird besonders bei empfindlichen Materialien wie Sandwichsubstrate deutlich. Wie auch die vorstehende Würdigung des Standes der Technik aufzeigt, sind unterschiedlich ausgestaltete Sandwichpaneele bekannt. In der Regel ist bauartbedingt eine Fixierung von Steckverbindung nur schwierig möglich. Klebeverbindungen zeigen nur geringen mechanischen Widerstand und benötigen einen weiteren Prozessschritt zur Anbindung an die gedruckten Leiterbahnen. Des Weiteren sind temperaturbelastende Prozessschritte wie Löten nicht möglich. Schließlich ist eine Adaptation der bekannten Anschlusstechnologien für die Leiterplattentechnologie in der Regel nur schwer möglich, da bekannte Sandwich-Panels nicht für eine passende Verankerung ausgelegt sind.
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Der Erfindung liegt - ausgehend von einem Sandwich-Panel, beispielsweise gemäß der
EP 2 438 665 B1 - die Aufgabe zugrunde, einen Verbundwerkstoff in Sandwichstruktur derart auszugestalten, dass eine sichere Verankerung von Strukturen und Anschlussmittel, insbesondere für elektrische Leitungen ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verbundwerkstoff in Sandwichstruktur, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gelöst, dass der Verbundwerkstoff Kavitäten aufweist, welche durch Öffnungen in einer der beiden Deckschichten mit einem Material als Anker gefüllt und durch eine auf einer der beiden Deckschichten flächig aufgetragenen Schicht miteinander verbunden wird und dass auf die Schicht eine gedruckte Struktur und/oder Schaltung mit elektronischen Komponenten und/oder Anschlussmittel für elektrische Leitungen aufgebaut wird.
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Weiterhin wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs in Sandwichstruktur mit auf mindestens einer auf einer Deckschicht angeordneten gedruckten Struktur und/oder Schaltung mit Anschlussmittel für elektrische Leitungen, gemäß Patentanspruch 5, gelöst, bei dem:
- a) im Verbundwerkstoff eine Öffnung in einer der beiden Deckschichten erzeugt wird,
- b) im Kern eine Kavität erzeugt wird,
- c) in die Kavität oder bei einem Verbundwerkstoff mit offenzellig strukturiertem Kern ein Material als Anker gefördert wird,
- d) die Anker in einem Druckverfahren durch eine auf einer der beiden Deckschichten flächig aufgetragenen Schicht miteinander verbunden werden, derart, dass eine reibschlüssige und/oder formschlüssige und/oder eine auf Basis der Schrumpfung beruhende Verankerung erzielt wird und
- e) auf der Schicht eine gedruckte Struktur und/oder Schaltung ohne und mit elektronischen Komponenten und Anschlussmittel für elektrische Leitungen aufgebaut wird.
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Die Erfindung zeigt einen neuartigen Verbundwerkstoff und ein Herstellungsverfahren hierfür um Strukturen auf Materialien, insbesondere um Anschlussmittel für elektrische Leitungen auf Verbundwerkstoffen, wie Sandwichsubstraten, zu verankern. Dieser Prozess ist auf jegliche Materialien anwendbar, die entweder bereits Kavitäten besitzen oder in die durch Bohren, Fräsen oder dergleichen Kavitäten erzeugt werden können.
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In Weiterführung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 2, der Verbundwerkstoff als Sandwichpaneel mit Wabenkern ausgestaltet und die Öffnung ist, gemäß Patentanspruch 3, zur formschlüssigen Verbindung des Ankers in mindestens einer Honigwabe des Wabenkerns ausgestaltet.
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Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass gleichzeitig eine fest verankerte, formstabile Steckverbindung als Brücke zwischen gedruckter Elektronik und anderen elektronischen Systemen bzw. Kabel-Systemen entsteht.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
- 1 a, b zwei Ausführungsformen eines Verbundwerkstoffes gemäß der Erfindung in Schrägansicht,
- 2 a, b eine Ausführungsform eines Sandwichsubstrats in Schrägansicht,
- 3 a, b, c eine Ausführungsform eines Volumenkörpers in Schrägansicht,
- 4 a, b, c drei Ausführungsformen für Stützstruktur, Anschlussmittel und elektronischer Komponenten bei einem Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung in Schrägansicht und
- 5 im Detail ein Sandwichsubstrat nach dem Stand der Technik.
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In 3a ist ein beliebiges Material/Volumenkörper 1 dargestellt, bei dem durch einen bearbeitenden Prozess eine Kavität K erzeugt wird (vgl. 3b). Diese Kavitäten K können - wie 3c zeigt - beliebige Formen wie u.a. rund, hexagonal, rechteckig oder dergleichen sein.
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Substrate bzw. Werkstoffe, die bereits Kavitäten K aufweisen, beispielsweise ein in 2a und 2b dargestelltes Sandwichsubstrat 2 (d.h. ausgestaltet mit zwei kraftaufnehmenden Decklagen 2a, 2c und einem Kern/Zwischenschicht 2b, die allerdings nicht zugänglich sind, werden durch einen Prozessschritt punktuell oder flächig freigelegt.
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Den Aufbau der Stützstrukturen durch additive Fertigungsverfahren (wie u.a. FDM (Fused Deposition Modeling; deutsch: Schmelzschichtung)) für Volumenkörper 1 (siehe 1a) wie auch für Verbundwerkstoffe 2 (siehe 1b) mit Kavitäten K, insbesondere als Wabe W, zeigen 1a und 1b. Die Stützstrukturen sorgen für die notwendige Verankerung - der erzeugte Körper 3 ist formstabil.
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Die Kombination von digitalen Druckverfahren zum strukturellen Aufbau, wie dem FDM Verfahren und zur Funktionalisierung durch u.a. selektive Metallisierungsverfahren, wie den Aerosol-Jet und Ink-Jet Verfahren ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen. Beispiele hierfür sind in 4 dargestellt.
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4a zeigt den Aufbau einer Steckverbindung. Hierbei wird ein leitfähiges Material 4 in den FDM-Aufbau 3 integriert. Die Anbindung 5 an die gedruckte Elektronik erfolgt über ein Druckverfahren zur selektiven Metallisierung. Durch diesen Prozess entsteht eine fest verankerte, formstabile Steckverbindung als Brücke zwischen gedruckter Elektronik und anderen elektronischen Systemen bzw. Kabel-Systemen.
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In 4b ist die Einbindung von Integrierten Schaltkreisen 6, bzw. hier Flip-Chips dargestellt. Die Befestigung erfolgt dabei wiederum durch einen additiv erzeugten Körper 5 während die Kontaktierung durch Druckverfahren zur selektiven Metallisierung gegeben ist.
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4c zeigt weitere Anwendungsmöglichkeiten zur Integration von SMD/THDs, Antennen, Sensoren, Vias und anderer elektronischer Komponenten 7.
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1) In der Luftfahrtindustrie findet die geschilderte Erfindung Einsatz bei Verkleidungselementen. Für dieses Substratmaterial/Verbundwerkstoff 2 ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, wie nachfolgend a), b), c) und d) zu entnehmen ist:
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zu a)
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Zum einen kann die Erfindung zur Erzeugung von Kontaktierungsmöglichkeiten verwendet werden. Hierbei wird das Sandwichsubstrat 2 einseitig, d.h. in einer der Deckplatten 2a, 2c, mit einem bearbeitenden Prozess geöffnet, d.h. Erzeugung einer Öffnung Ö (Sackloch) durch Bohren, Fräsen, Lasern oder dergleichen. Im Anschluss daran wird in einem FDM-Prozess Material 3 in die entstandene Kavität K gefördert (drucklos oder unter Druck). Der entstehende Anker 3 ist hierbei sowohl reibschlüssig wie auch formschlüssig im Kern 2b befestigt.
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Allgemein gilt, dass jede Ankerstruktur 3 reibschlüssig befestigt ist. In diesem konkreten Fall kann zusätzlich eine formschlüssige Verbindung aufgebaut werden. Diese entsteht, wenn die erzeugte Öffnung Ö kleiner als eine Honigwabe W ist.
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Die neu gebildeten Strukturen werden im Anschluss ebenfalls mit dem FDM-Prozess auf der Substratoberfläche/Decklage 2a, 2c flächig in einem einzigen formgebenden Prozess miteinander verbunden. Hierbei ergibt sich je nach verwendetem Material eine weitere Kraft zur Stabilisierung. Im Zuge der Abkühlung des mit dem FDM-Prozess verarbeiteten Materials geht eine Volumenschrumpfung einher. Diese Volumenschrumpfung führt zu einer Zugkraft auf die erzeugten Anker 3. Es entsteht eine Kraftwirkung auf die Innenseiten der Wabenstrukturen W. Diese Kraftwirkung basiert auf der natürlichen Schrumpfung von FDM-gedruckten oder anderen dreidimensional gedruckten Materialien, die während dem Abkühlungsprozess eine Schrumpfung durchlaufen und somit in der hier erläuterten Ausführung eine mechanische Ankerwirkung erzeugen. Im Zuge der Abkühlung vom flüssigen/niedrigviskosen Zustand in den festen/hochviskosen Zustand werden mechanische Spannungen in den gedruckten Strukturen W aufgebaut, die zu einer Verankerung in den Kavitäten K durch natürliche Schrumpfkräfte führen. Die Volumenschrumpfung, insbesondere der FDM-Thermoplaste ist hierbei materialabhängig (z.B. PC/ABS = 73.8 · 10-6 m/(mK)) und fließt in die Konstruktion des Volumenkörpers 1 zur Erzielung einer optimalen Ankerwirkung ein; gezielte Kraftauswirkungen können durch Temperprozesse optimiert werden. FDM-Materialien aus den technischen Thermoplasten ABS, Polycarbonat und PPSU bieten spezifische Eigenschaften wie Robustheit, elektrostatische Ableitung, Transparenz, Bioverträglichkeit, UV-Resistenz, Brandschutzklasse UL94 V-0 und FST-Prädikate.
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Auf der neu erzeugten Fläche 3 kann wiederum in einem kontinuierlichen Prozess ein additiv erzeugter Körper/Kontaktierung 5 aufgebaut werden. Leitfähigkeit erlangt dieser/diese entweder durch den Einsatz metallischer Strukturen, Pins oder dergleichen, oder durch den Einsatz elektrisch leitfähiger Materialien die additiv aufgebaut werden können.
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zu b)
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Durch den FDM-Prozess können auch Gehäuse für elektronische Komponenten bzw. Bauteile aufgebaut werden. Anwendungen sind hierbei die Integration von Chips, Antennen oder Sensoren auf Sandwichmaterialien 2 zur funktionellen Erweiterung von Verkleidungselementen. Eine Kontaktierung dieser Bauteile bzw. deren Erzeugung im Falle von Antennen oder Sensoren ist ebenfalls durch Druckverfahren zur selektiven Metallisierung 5 möglich. Eine Kontaktierung durch das Substrat 2 kann mittels Vias 7 ermöglicht werden, welche mit Hilfe des Verfahrens fest verankert werden können.
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zu c)
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Des Weiteren besteht die Möglichkeit lediglich eine feste Verankerung mit dem hier beschriebenen Verfahren aufzubauen. Über eine gemeinsame Schnittstelle u.a. Schnappverbindungen können Steckverbindungen oder andere mechatronische und auch nicht-mechatronische Funktionselemente angebracht werden. Auf diese Weise können bereits etablierte universelle Steckverbinder leichter und schneller integriert werden, u.a. Steckdosen, USB-Schnittstelle oder gängige Steckverbindungen aus dem Transportwesen.
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zu d)
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Neben elektronischen Komponenten bzw. der Kontaktierung existieren auch Anwendungsmöglichkeiten für den alleinigen Einsatz des FDM-Verfahrens. So sind Halterstrukturen für Kabel mit einer festen Verankerung 3 im Substrat 2 möglich. Des Weiteren können auch Haltestrukturen des kompletten Sandwich-Panels für die Integration in das Flugzeug bzw. Teillösungen für die Integration mit Hilfe des FDM-Druckverfahrens ermöglicht werden.
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2) Anwendungen finden sich auch in der Automobilindustrie wieder bzw. in Industriesektoren, die stark durch die Verwendung von Metall bzw. Blechen geprägt sind (u.a. auch Schiff- und Raumfahrt). Hierbei können Bohrungen verwendet werden, um eine reib-, formschlüssige (z.B. bei konischen Kavitäten) oder auch eine auf Basis der Schrumpfung induzierte Verankerung 3 zu erzielen.
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Eine Stützstruktur 3 kann bei Durchgangsbohrungen durch eine Art Niete durch den FDM-Prozess erzeugt werden. Hierbei wird durch die Durchgangsbohrung Material gedruckt und durch eine auf der Rückseite befindende Vorrichtung auf der Rückseite flächig verteilt.
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Die Stützstrukturen 3 werden auch zu einem festen Verbund 5 verknüpft. Die durch den FDM-Prozess entstandene Fläche isoliert den Grundkörper.
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Der Aufbau von Schaltungen, das Anbringen von Kontaktierungselementen oder die Strom- und Datendistribution ist nun möglich. Hierbei ergeben sich gerade in der Automobilindustrie komplett neue Herstellungsmöglichkeiten. Eine Substitution bzw. partielle Substitution des Kabelbaums im Automobil bzw. in einzelnen Modulen, wie u.a. der Tür ist dadurch möglich.
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3) Im Bereich der Kontaktierung von mechatronischen Systemen u.a. Bordnetzen ergeben sich für die Herstellung von Steckelementen neue Möglichkeiten durch das hier beschriebene Verfahren. Durch einen dreidimensionalen Aufbau eines Stecksystems mit direkter Verankerung 3 in das Bauteil ist eine einfache Gestaltung von intelligenten Steckverbindungen realisierbar. Eine direkte Integration von Schaltungsträgern, bzw. von Sensorik 7 auf das durch FDM gedruckte Kontaktierungselement 5 ist gegeben.
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Hierbei können einzelne elektronische Komponenten bzw. ein Verbund dieser mit den beschriebenen Druckverfahren zur selektiven Metallisierung angeschlossen werden, um die Steckverbindung intelligent auszulegen. Funktionen können u.a. die folgenden sein:
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Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Kontaktverschleiß, Strom/Spannung zur Batteriestatus-Detektion sowie die Identifikation des richtigen Gegenspielers (Stecker/Buchse), welche vor allem bei universell gleichgefertigten Strukturen von großem Vorteil ist.
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Das hier beschriebene Verfahren ist für alle Bauelemente zur Erzielung einer elektronischen Verbindung gültig, hierunter zählen u.a. Stecker und Buchsen.
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Ferner ist die Erfindung bislang auch nicht auf die in den Patentansprüchen 1, und 5 definierten Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal der Patentansprüche 1 und 5 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Material
- 2
- Sandwichsubstrat
- 2a
- erste Deckschicht
- 2b
- Kern
- 2c
- zweite Deckschicht
- 3
- Anker und Strukturkörper (FDM Aufbau)
- 4
- Kontaktierungselement, leitfähig
- 5
- Selektive Metallisierung
- 6
- Integrierte Schaltkreise (u.a. Flip-Chips)
- 7
- elektronische Komponenten (SMD/THDs, Antennen, Sensoren, Vias)
- K
- Kavität
- Ö
- Öffnung
- W
- Wabenstruktur (Honigwabe)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014002365 A1 [0003]
- DE 102010024264 B4 [0004]
- EP 1046576 B1 [0005]
- EP 2438665 B1 [0006, 0009]
- DE 202012010193 U1 [0007]