-
Technisches Anwendungsgebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
adaptronischen Mikrosystemen, bei dem ein oder mehrere Wandlerelemente
in eine Matrix eingebettet und ein oder mehrere Ansteuerelemente
zur Ansteuerung und/oder zum Übertragen
von Signalen der Wandlerelemente auf die Matrix aufgebracht oder
in die Matrix eingebracht werden.
-
Adaptronische
Mikrosysteme der genannten Art, insbesondere mit aktorischen und/oder
sensorischen Wandlerelementen aus piezoelektrischem Material, finden
in vielen Bereichen der Technik Anwendung, in denen Sensoren oder
Aktoren reduzierten Volumens benötigt
werden. Im Einsatzbereich von Verbundwerkstoffen besteht ein zunehmender
Bedarf an Mikrosystemen, die in den Werkstoff integriert werden
können.
Gerade für
die Implementierung in Faserverbundstrukturen ist zusätzlich eine
reduzierte Steifigkeit der Sensoren und/oder Aktoren erforderlich,
wie sie adaptronische Mikrosysteme aufweisen.
-
Stand der Technik
-
Ein
gattungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung von adaptronischen Mikrosystemen ist bspw. aus der
US 5,869 189 bekannt. Bei
diesem Verfahren werden mehrere langgestreckte piezoelektrische
Fasern als Wandlerelemente parallel und in definiertem Abstand zueinander
in eine Form eingelegt. Anschließend wird ein flüssiges Polymermaterial
zur Bildung einer Polymermatrix in die Form eingegossen. Eine Polyimidfolie
wird einseitig mit einer dünnen Elektrodenstruktur
beschichtet, auf die noch nicht ausgehärtete Polymermatrix aufgebracht
und zusammen mit der Matrix ausgehärtet.
-
In
einer alternativen Ausgestaltung dieses Verfahrens wird die Matrix
mit den darin befindlichen Fasern zunächst ausgehärtet. Anschließend wird
die Elektrodenstruktur zur Ansteuerung der Wandlerelemente mittels
einer Elektronenstrahl-Verdampfungstechnik auf die Oberfläche der
Matrix aufgebracht.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Herstellung von adaptronischen Mikrosystemen anzugeben, das
eine vollständige
Einbettung der Ansteuerelemente in die Matrix ermöglicht und
sich für
die Herstellung von Prepreg-Modulen eignet.
-
Darstellung der Erfindung
-
Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Bei
dem vorliegenden Verfahren werden in bekannter Weise ein oder mehrere
Wandlerelemente in eine Matrix, bspw. eine Polymer-Vergussmasse, eingebettet
und ein oder mehrere Ansteuerelemente zur Ansteuerung und/oder zum Übertragen
von Signalen der Wandlerelemente auf die Matrix auf- oder in die
Matrix eingebracht. Das Einbetten der Wandlerelemente in die Matrix
kann bspw. dadurch erfolgen, dass das zunächst flüssige Matrix material in eine
Form eingegossen wird, in der sich die Wandlerelemente befinden.
-
Das
Aufbringen oder Einbringen der Ansteuerelemente auf bzw. in die
Matrix erfolgt beim vorliegenden Verfahren, indem die Ansteuerelemente
zunächst
lösbar
mit einer ersten Oberfläche
eines Transferträgers,
bspw. eines folien-, blatt- oder plattenförmigen Materials, verbunden
werden. Anschließend
wird dieser Transferträger
mit den Ansteuerelementen derart auf bzw. in die Matrix eingebracht, dass
die erste Oberfläche
des Transferträgers,
auf der die Ansteuerelemente liegen, zu den Wandlerelementen in
der Matrix gerichtet ist. Anschließend wird der Transferträger von
den Ansteuerelementen abgezogen und entfernt. Dies kann bspw. nach
einem teilweisen Anhärten
der Matrix, bspw. mittels Temperatureinwirkung und/oder UV-Bestrahlung,
erfolgen.
-
Nach
diesem Schritt steht ein System bestehend aus in eine Matrix eingebetteten
Wandlerelementen und auf bzw. in die Matrix eingebrachten Ansteuerelementen
zur Verfügung,
das entweder bereits zum jetzigen Zeitpunkt vollständig ausgehärtet oder
durch nur teilweises Anhärten
als Prepeg-Modul weiter verarbeitet werden kann.
-
Insbesondere
lässt sich
mit dem vorliegenden Verfahren eine Ausgestaltung eines adaptronischen
Mikrosystems realisieren, bei dem die Ansteuerelemente vollständig von
der Matrix umschlossen werden, wobei die elektrische Isolation dieser
Ansteuerelemente nach außen
durch das Matrixmaterial selbst erreicht wird. Eine derartige Ausgestaltung – ohne zusätzliche
innere Grenzflächen
durch eine zusätzliche
Isolationsschicht – bietet
einen guten Schutz gegen Feuchte und erhöht die Zuverlässigkeit und
Lebensdauer des Mikrosystems.
-
Um
das Abziehen des Transferträgers
von den Ansteuerelementen zu ermöglichen,
muss die lösbare
Verbindung der Ansteuerelemente mit dem Transferträger derart
ausgebildet sein, dass die Ansteuerelemente – ggf. nach teilweiser Anhärtung der Matrix – eine größere Adhäsion zur
Matrix und/oder den Wandlerelementen aufweisen als zum Transferträger. Dies
lässt sich
bspw. durch den Einsatz geeigneter, keine stark haftende Verbindung
zwischen den Ansteuerelementen und dem Transferträger herstellender
Leit-Klebstoffe ermöglichen.
Auch eine die Haftung vermindernde Beschichtung bzw. Behandlung
der Oberfläche
des Transferträgers
stellt eine Möglichkeit
zur Herstellung dieser Randbedingung dar. Vergleichbare Maßnahmen
mit umgekehrter Wirkung lassen sich für eine Verbesserung der Haftung an
der Matrix und/oder den Wandlerelementen durchführen.
-
Bei
dem vorliegenden Verfahren werden vorzugsweise Elektrodenstrukturen
als Ansteuerelemente auf dem Transferträger aufgebracht. Dies kann
bereits als Vorfertigungsschritt für das Herstellungsverfahren
erfolgen. Die Elektroden können
beispielsweise in bekannter Weise als großflächige Plattenelektroden, als
Linienelektroden oder in Interdigitalanordnung realisiert werden.
Linienförmige
Elektrodenstrukturen werden entweder auf Vorder- und Rückseite
der Matrix deckungsgleich oder mit einer lateralen Verschiebung
zueinander auf die Matrix auf- bzw. in die Matrix eingebracht. Als
Material bzw. Materialform für
die Elektrodenstruktur kommt ein elektrisch leitfähiger Film
oder eine elektrisch leitfähige
Folie, bspw. aus Metall, Kohlenstoff oder einem Elektrolyt, ein
elektrisch leitfähiges
Netz oder Gitter, die aus den gleichen Materialien bestehen können, sowie
intrinsisch oder extrinsisch leitfähige Materialien oder Verbundsysteme,
wie Paste oder Klebstoff in beliebigem Härtungszustand in Frage.
-
Neben
Elektroden lassen sich selbstverständlich auch andere Ansteuerelemente,
wie bspw. Lichtleiter, für
die Herstellung von adaptronischen Mikrosystemen einsetzen. Mit
Lichtleitern können
die Wandlerelemente mit einem elektromagnetischen Feld beaufschlagt
werden. Derartige Lichtleiter können
z. B. in ähnlichen
Strukturen wie herkömmliche elektrisch
leitfähige
Elektroden im Mikrosystem angeordnet werden.
-
Die
Ansteuerelemente können
derart auf die Matrix auf- bzw. in die Matrix eingebracht werden, dass
sie in direktem Kontakt mit den Wandlerelementen stehen. Bei der
Herstellung lässt
sich auf Wunsch zwischen den Ansteuerelementen und den Wandlerelementen
auch eine Matrixmaterialschicht einstellbarer Dicke realisieren.
Dies kann nochmals die Produkteigenschaften beispielsweise für die Langzeitbeständigkeit
verbessern, da eine Zwischenschicht aus dem Matrixmaterial lokale
Spitzen des elektrischen Feldes abbaut, die ansonsten bspw. piezokeramische
Fasern auf Dauer schädigen
könnten.
-
Auch
eine punktweise Kontaktierung oder eine teilweise oder vollständige Umhüllung der Wandlerelemente
mit den Ansteuerelementen lässt sich
realisieren, wenn die Ansteuerelemente aus einem noch nicht oder
nicht vollständig
ausgehärteten Klebstoff
gebildet sind und auf die Wandlerelemente aufgedrückt werden.
-
Die
Verbindung der Ansteuerelemente mit dem Transferträger kann
mittels einer Drucktechnik, bspw. Siebdruck oder Tampondruck, mittels
einer Tintenstrahltechnik, durch Dispensen oder durch andere geeignete
Applikationstechniken erfolgen. Als Transferträger können hierbei geschlossene oder
offenporige Materialien eingesetzt werden. Besonders eigenen sich
Polymerfolien, z. B. aus Polyester, PP, PE, oder FEP, Vliespapier
oder auch beschichtetes Papier.
-
Als
aktives Material der Wandlerelemente können beim vorliegenden Verfahren
bspw. Piezoelektrika, Magnetostriktiva, Formgedächtnislegierungen oder Nanotubes,
bspw. aus Kohlenstoff, eingesetzt werden. Die Geometrie der Wandlerelemente ist
hierbei je nach gewünschtem
Anwendungszweck frei wählbar.
Die Wandlerelemente können
bspw. rundlich, oval, lang oder kurz, flächig oder auch dreidimensional
komplex, wie bspw. lang und gewellt ausgeführt sein. Die Wandlerelemente
können
isotrop ungeordnet, d. h. statistisch verteilt, unter einer Vorzugsorientierung
oder auch hochgeordnet (anisotrop) im Matrixmaterial eingebettet
sein. Auch eine dreidimensional komplexe Anordnung, bspw. als netzartiges
Gewebe oder eine Anordnung in mehreren Lagen, kann mit dem vorliegenden
Verfahren realisiert werden.
-
Das
Material der Matrix bzw. der Vergussmasse kann sowohl anorganisch
oder auch organisch, bspw. als Polymer, oder durch eine Mischung organischer
und anorganischer Materialien gebildet sein. Hierbei kommen sowohl
Materialien in Frage, die sich über
einen einzelnen Härtungsmechanismus härten lassen,
wie auch Materialien bei denen eine sog. Kombihärtung möglich ist. Eine Kombihärtung wird
bspw. durch kombinierte UV-Bestrahlung
und thermische Härtung
eines Polymers durchgeführt. Zur
Herstellung des Mikrosystems als Prepeg wird vorzugweise eine mehrstufige
Härtung
durchgeführt.
-
Mit
dem vorliegenden Verfahren lassen sich Mikrosysteme realisieren,
bei denen die aktorischen und/oder sensorischen Wandlerelemente
mittels eines elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen
Feldes über
die Ansteuerelemente angesteuert werden können. Die Mikrosysteme können dabei je
nach Anordnung der Ansteuerelemente derart realisiert werden, dass
die Ansteuerung der Ansteuerelemente einzeln oder in beliebig großen/vielen
Gruppen erfolgen kann. Hierbei können
die Ansteuerelemente oder Gruppen von Ansteuerelementen selbstverständlich in
bekannter Weise auch phasenverschoben angesteuert werden. Dem Fachmann
sind geeignete Ansteuertechniken je nach gewünschtem adaptronischen Effekt
und Aufbau des Mikrosystems geläufig.
-
Das
vorliegende Mikrosystem lässt
sich bspw. aus piezoelektrischen Elementen zur Ausnutzung des d31- oder des d33-Effektes
aufbauen.
-
Für die Ansteuerung
des mit dem Verfahren hergestellten Mikrosystems über die
Ansteuerelemente sind entsprechende Zuführungsleitungen erforderlich,
die die Ansteuerelemente kontaktieren. Die elektrischen An schlüsse können hierbei
teilweise durch die Bereitstellung von Sammelelektroden, bspw. bei
linienförmigen
Ansteuerelementen, von Anschlusspads bspw. als Lötpunkte zur Kontaktierung durch
den Anwender, und/oder von herkömmlichen
Zuleitungen realisiert werden. Im Falle eines elektrischen Energieeintrags,
wie er im Falle von elektrischen Elektroden als Ansteuerelemente
erforderlich ist, können
die elektrisch leitfähigen
Zuleitungen als Draht, Litze, mehradriges Kabel, Paste, Klebstoff,
Flexfolie, Gewebe oder als elektrisch leitfähige Flüssigkeit (z. B. Elektrolyt)
ausgebildet sein.
-
Eine
mögliche
variable Orientierung und wechselseitige Verkettung anisotrop arbeitender
Mikrosysteme kann es erfordern, mehrere Kontaktstellen für jedes
der Mikrosysteme vorzusehen. Derartige Kontaktstellen können bspw.
durch Steckverbindungen gebildet werden. Die Langzeitzuverlässigkeit der
Kontaktstellen lässt
sich durch die zusätzliche Einführung einer
Verklebung verbessern. Der dazu notwendige Klebstoff kann bspw.
aus dem Mikrosystem selbst stammen, in dem z. B. die UV-Härtung im Bereich
der Anschlusspads bei einer kombihärtenden Vergussmasse verhindert
wird, wobei die Möglichkeit
der thermischen Nachhärtung
nach Herstellung der Steckverbindung besteht. Weiterhin kann der
notwendige Klebstoff von dem eigentlichen Bauteil, z. B. einem Prepeg,
selbst stammen oder separat zugeführt werden.
-
Die
Verklebung erlaubt darüber
hinaus die – zumindest
punktuelle – metallische
Berührung
der Partner der Steckverbindung und hält sie dauerhaft aufrecht.
Die elektrischen Anschlüsse
können
aus ein und demselben Material sein oder aus verschiedenen Materialien bestehen.
Sie können
bspw. gemeinsam mit den Ansteuerelementen auf den Transferträger aufgebracht
und mit diesem in die Matrix übertragen
werden.
-
Das
vorliegende Verfahren eignet sich in vorteilhafter Weise für die Elektrodierung
von in Prepeg-Technologie
herzustellenden Mikrosystemen. Bei dieser Herstellungsvariante werden
die mit der Prepeg-Polymermatrix infiltrierten Piezofasern (Piezofaserlaminat)
als Wandlerelemente zwischen zwei gegenüberliegenden, deckungsgleich
positionierten Elektrodenstrukturen auf Transferträgern angeliert.
Dieser Zustand kann bei Raumtemperatur erhalten werden. Nach Bedarf
können
diese Prepegs in CFK/GFK-Laminatschichten mit einlaminiert werden. Anschließend erfolgt
die Aushärtung
des Werkstoff-Verbundes wie üblich
(z. B. Autoklav) unter Anwendung von Temperatur und Druck.
-
Eine
weitere Anwendungsmöglichkeit
für die in
Prepeg-Technologie hergestellten Mikrosysteme ist es, das elektrodierte
Piezofaserlaminat in angeliertem Zustand deckungsgleich aufeinander
zu stapeln, um dadurch Stapelmikrosysteme herzustellen. Diese Stapelmikrosysteme
können
anschließend ohne
das Einbringen von zusätzlichem
Klebstoff nur unter Aufbringung von Druck und Temperatur ausgehärtet werden,
so dass die einzelnen Mikrosysteme miteinander verschmelzen, ohne
dass es zur Ausbildung einer Grenzschicht zwischen ihnen kommt. Dies
erhöht
die Langzeitstabilität
derartiger Systeme in erheblichem Maße, da keine Angriffsflächen für Feuchte
oder andere äußere Einwirkungen
vorliegen, wie sie bspw. durch eine Grenzschicht gebildet werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Figur nochmals kurz erläutert. Die einzige Figur zeigt
hierbei verschiedene Verfahrensschritte bei der Herstellung eines
Mikrosystems gemäß dem vorliegenden
Verfahren.
-
Wege zur Ausführung der Erfindung
-
Das
folgende Ausführungsbeispiel
zeigt die Herstellung eines adaptronischen Mikrosystems, bei dem
als Wandlerelemente piezoelektrische Fasern und als Ansteuerelemente
elektrisch leitfähige
Elektroden aus Leitklebstoff eingesetzt werden.
-
Bei
der Herstellung des Mikrosystems wird zunächst eine Polymerfolie als
Transferträger 4 bereitgestellt.
Auf die Oberfläche
dieses Transferträgers 4 (erste
Oberfläche)
wird mittels Siebdruck ein elektrisch leitfähiger Klebstoff zur Bildung
einer Interdigital-Elektrodenstruktur 3 aufgebracht.
Der elektrisch leitfähige
Klebstoff wird anschließend
z. B. mittels UV-Strahlung oder Temperatureinwirkung vollständig ausgehärtet oder
nur teilweise angehärtet (1a).
-
Vor
oder nach dieser Verbindung der Elektroden 3 mit dem Transferträger 4 werden
die piezoelektrischen Fasern 2 in eine flüssige Polymermatrix 1 eingebettet,
wie dies aus 1b ersichtlich ist, und gegebenenfalls
an- oder durchgehärtet.
Nach dieser Infiltration wird der mit der Interdigital-Elektrodenstruktur 3 versehene
Transferträger 4 auf
beiden Seiten deckungs gleich auf die Polymermatrix 2 aufgedrückt bzw.
in diese Matrix eingedrückt,
so dass die Elektroden 3 die Fasern 2 berühren. Anschließend erfolgt
eine Anhärtung
der Matrix 1 mittels Strahlung oder Temperatur. Die Härtung findet
unter definiertem mechanischem Druck statt, um die Berührung zwischen
den piezoelektrischen Fasern 2 und den Elektroden 3 aufrecht
zu erhalten und damit die elektrische Kontaktierung zu gewährleisten.
Hierbei ist bei Aufwendung eines entsprechenden Anpressdrucks auch
möglich,
die Fasern 2 in den angehärteten Leitklebstoff der Elektroden 3 zu
drücken,
so dass die Fasern 2 von den Elektroden 3 ganz
oder teilweise umhüllt
werden.
-
Nach
dem Aushärten
der Polymermatrix 1 wird der Transferträger 4 abgezogen. Hierbei
ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Haftung der Elektroden 3 am
Transferträger 4 geringer
ist als an der Polymermatrix 1 (1d).
-
Nach
der Entfernung des Transferträgers 4 liegt
ein Mikrosystem 5 vor, wie es in 1d dargestellt
ist. Die Elektroden 3 haben hierbei direkten Kontakt zu
den Fasern 2 und sind gleichzeitig von der Polymermatrix 1 vollständig umschlossen.
-
Selbstverständlich lässt sich
auch eine Ausgestaltung realisieren, bei der in 1c die
Elektroden 3 nicht bis an die Piezofasern 2 gedrückt werden, so
dass zwischen den Piezofasern 2 und den Elektroden 3 ein
Zwischenraum mit Polymermaterial verbleibt.
-
Bei
nicht vollständigem
Aushärten
der Polymermatrix 1 können
auch mehrere derartiger Mikrosysteme 5 zunächst übereinander
gestapelt und erst anschließend
unter Anwendung von mechanischem Druck – und gegebenenfalls Temperatur
und/oder UV-Strahlung – vollständig ausgehärtet werden,
so dass ein Stapelmikrosystem entsteht (vgl. 1e).
-
- 1
- Polymermatrix
- 2
- Wandlerelemente,
z. B. piezoelektrische Fasern
- 3
- Ansteuerelemente,
z. B. Elektroden
- 4
- Transferträger
- 5
- Mikrosystem