DE102012011922A1 - Fibrous composite material for manufacturing windows or mirrors, has matrix laminated fabric, where circuit structure of electrical, thermal or light-technical fiber cable coatings is applied between connection points located on fabric - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff mit kunststoff-getränktem, teilweise leitfähigem Faser-Gewebe.The invention relates to a composite material with plastic-impregnated, partially conductive fiber fabric.
Aus der
Wenn, insbesondere im Schuss, durchlaufende Drähte verwebt werden, dann können deren Enden längs der einander gegenüberliegenden Seitenränder des Gewebes parallel oder mäandrisch zu einem über die Gewebebreite sich erstreckenden, flächigen Heizelement elektrisch zusammengeschaltet werden.If, in particular in the weft, continuous wires are interwoven, then their ends along the opposite side edges of the fabric parallel or meandering to an over the fabric width extending flat heating element can be electrically interconnected.
Der Erfindung liegt dagegen die technische Problemstellung zugrunde, Faser-Verbundwerkstoffe gattungsgemäßer Art für funktional vielseitigeren Einsatz auszulegen.On the other hand, the technical problem underlying the invention is to design fiber composite materials of the generic type for functionally more versatile use.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß nach den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Danach sind in das Gewebe für definierte Funktionen regional begrenzt leitfähige Faser-Strukturen eingebracht und an Schaltungs-Anschlussorte geführt, die am Rande des Gewebes liegen können, die insbesondere aber innerhalb der Flächenausdehnung des mit Kunststoff getränkten oder laminierten Gewebes zugänglich sind. Je nach der auf das Gewebe zur Anwendung gelangenden Kunststoff-Matrix kann der faserverstärkte Verbundwerkstoff biegeweich (z. B. mit Elastomer-Matrix) bis formstabil (z. B. mit TPU-, aber auch PA-, PEEK- und dergleichen, -Matrix) eingestellt sein.This object is achieved according to the features of the main claim. Thereafter, regionally conductive fiber structures are introduced into the fabric for defined functions and routed to circuit termination locations which may be at the edge of the fabric, but are particularly accessible within the areal extent of the plastic-impregnated or laminated fabric. Depending on the plastic matrix used on the fabric, the fiber-reinforced composite material can be bendable (eg with elastomer matrix) to dimensionally stable (eg with TPU, but also PA, PEEK and the like, matrix ).
Im Rahmen vorliegender Erfindung ist der Begriff des Gewebes als weitreichender Generalbegriff zu verstehen, der insbesondere auch Gewirke, Geflechte, Gestricke oder Gespinste bis hin zu faserig ausgerichteten oder ungerichteten Filzmatten umfasst. Die regional begrenzten, leitenden Strukturen umfassen im Rahmen vorliegender Erfindung auch den Einsatz von elektrisch, thermisch und/oder optisch leitfähigen Fasern, also insbesondere von Drähten, leitfähigen oder leitend beschichteten oder getränkten, etwa in Nanotinte getränkten, natürlichen und künstlichen Fasern als elektrischen, thermischen und/oder lichttechnischen Leitern (letztere zu Signalübertragung, und/oder auch zu Anzeige- oder Beleuchtungszwecken), unter Umständen einschließlich flexiblen Miniatur-Hohlleitern. Unter diesen Generalbegriff der Fasern fallen dabei nicht nur einzügige, sondern auch mehrzügige – etwa verzwirnte, verdrillte und geflochtene oder sonstwie gebündelte – Fasern, Garne, Fäden, Drähte und dergleichen.In the context of the present invention, the term "fabric" is to be understood as a far-reaching general term, which in particular also includes knitted fabrics, braids, knits or webs up to fibrous oriented or non-oriented felt mats. The regionally limited, conductive structures in the present invention also include the use of electrically, thermally and / or optically conductive fibers, ie in particular wires, conductive or conductive coated or impregnated, soaked in nano ink, natural and artificial fibers as electrical, thermal and / or lighting conductors (the latter for signal transmission, and / or also for display or lighting purposes), possibly including flexible miniature waveguides. Not only single-minded, but also multi-generous - such as twisted, twisted and braided or otherwise bundled - fibers, yarns, threads, wires and the like fall under this general term of the fibers.
Die erwähnten Faserschaltungs-Strukturen können in das Gewebe im Zuge dessen Fertigung gleich mit eingewebt, oder aber erst nachträglich ein- oder aufgebracht – und dann etwa eingefädelt, eingeflochten, eingestickt oder als Muster gelegt und fixiert – worden sein. Dem Auflegen von Leiterbahnen-Mustern auf das noch unkaschierte Gewebe entspricht im Rahmen vorliegender Erfindung das Aufbringen, etwa Aufdrucken, von geometrischen Strukturen aus elektrisch leitfähigem Lack oder Klebermaterial. Die Erfindung erstreckt sich deshalb auch auf das Aufbringen von leitenden Kunststoffbahnen etwa in Form von metallisch gefülltem Polyurethan oder Epoxidharz auf das noch unkaschierte Gewebe.The mentioned fiber circuit structures can be woven into the fabric in the course of its production, or later on or applied - and then threaded around, interlaced, embroidered or laid as a pattern and fixed - be. In the context of the present invention, the application of printed conductor patterns to the still non-laminated fabric corresponds to the application, for example printing, of geometric structures made of electrically conductive lacquer or adhesive material. The invention therefore also extends to the application of conductive plastic sheets, for example in the form of metallically filled polyurethane or epoxy resin on the still non-laminated fabric.
Ein mit elektrischen, optischen oder thermischen Faserschaltungs-Strukturen versetztes Fasergewebe kann direkt laminiert, im Interesse vergrößerten mechanischen Schutzes aber auch seinerseits sandwichartig zwischen zwei so genannten Organoblechen eingebunden sein. Bei allen Varianten ist es zweckmäßig, mit dem Einbringen der speziellen Faser-Strukturen in das Grund-Gewebe auch gleich das Aufbringen von so genannten Passermarken zu verbinden, mittels derer dann nachfolgende Fertigungsschritte elektrisch oder optisch gesteuert beziehungsweise auf Vollständigkeit und korrekten Sitz kontrolliert werden können.A fibrous web added with electrical, optical or thermal fiber circuit structures can be laminated directly, but in turn sandwiched between two so-called organic sheets in the interest of increased mechanical protection. In all variants, it is expedient to connect with the introduction of the special fiber structures in the base fabric also equal to the application of so-called registration marks, by means of which subsequent manufacturing steps can be electrically or optically controlled or checked for completeness and correct fit.
Jedenfalls kann erfindungsgemäß die Realisierung vielfältiger Funktionen in den Verbundwerkstoff integriert werden, ohne dadurch dessen mechanische Stabilität und dessen äußere Erscheinung abträglich zu beeinflussen oder gar zu beeinträchtigen und ohne für derartige Funktionen eigenständiger Schaltungseinheiten und Gehäuse zu bedürfen. Die Faser-Leitungszüge der vom Gewebe aufgenommenen Schaltungs-Strukturen sind jedenfalls annähernd ähnlich flexibel wie das jene tragende und umgebende Gewebe selbst, so dass dessen mechanischen Eigenschaften durch das Einbinden der Schaltungsstrukturen praktisch nicht beeinträchtigt werden – auch nicht durch Aufkleben oder Auflöten kleiner für Schaltungsfunktionen erforderlicher (SMD-)Bauelemente.In any case, according to the invention, the realization of various functions can be integrated into the composite material, without adversely affecting or even impairing its mechanical stability and its external appearance, and without requiring such circuit units and housing for such functions. In any case, the fiber leads of the tissue-picked circuit structures are approximately as flexible as those supporting and surrounding tissues themselves, so that their mechanical properties are virtually unaffected by the incorporation of the circuit structures - not even required by gluing or soldering smaller for circuit functions (SMD) components.
Zu den mit solchen elektrisch leitenden Faser-Strukturen realisierbaren Funktionen zählen etwa lokal definiert begrenzte und regional abgestufte Heizwirkungen von Heizleiter-Leitungsstrukturen, insbesondere in Form von innerhalb des Gewebes lokal begrenzt mäandrisch verlegten Leitungsverläufen. Die erstrecken sich etwa über einen vorgegebenen zentralen Bereich hinter einer auf den Faser-Verbundwerkstoff aufgedampften oder aufgeklebten Spiegelfläche, wofür dieser Bereich verwindungssteif kaschiert oder hinterspritzt ist. So kann etwa ein Kraftfahrzeug-Außenspiegel im Zentrum gezielt und besonders rasch von Kondensbeschlag oder Vereisung befreit werden.Functions that can be realized with such electrically conductive fiber structures include, for example, locally defined limited and regionally graded heating effects of heating conductor line structures, in particular in the form of locally limited meandering within the fabric. The extend approximately over a predetermined central area behind a vapor-deposited or glued to the fiber composite mirror surface, for which this area is torsionally rigid laminated or injected behind. For example, a vehicle exterior mirror in the center can be specifically and very quickly freed of condensation or icing.
Insbesondere auch der Einsatz der leitenden Strukturen für einfache Antennenkonfigurationen, zumal den für Amplitudenmodulation genutzten Rundfunk-Frequenzbändern, etwa für Identifizierungs-(RFID-), Nahfeldkommunikations-(NFC-) oder Energieübertragungs-Zwecke (induktiv gekoppelte und dadurch drahtlose Übertragung zum Nachladen von Batterien), gehört zu den erfindungsgemäß ausgestaltbaren Funktionen. Umgekehrt können die dem Gewebe applizierten Faserstrukturen auch zur Energiegewinnung aus aufgenommenen Hochfrequenzfeldern ausgelegt sein (Energy Harvesting), um wenigstens vorübergehend an die Faserschaltungs-Strukturen im Gewebe angeschlossene leistungsarme Verbraucher zu betreiben, wie es etwa bei der RFID-Identifikation im Zuge des Auslesens eines RFID-TAG verwirklicht wird. Damit eröffnet sich ein weites Anwendungsfeld für RFID-basierte, infolge ihrer inneren Gewebestruktur fälschungssichere Identitätsnachweise, etwa für Mitglieds- und sonstige Kennkarten beliebiger Art, auch für Führerscheine, Personalausweise oder Pässe. In particular, the use of the conductive structures for simple antenna configurations, especially for the used for amplitude modulation broadcast frequency bands, such as identification (RFID), Nahfeldkommunikations- (NFC) or energy transfer purposes (inductively coupled and thus wireless transmission for recharging batteries ), belongs to the inventively ausgestaltbaren functions. Conversely, the fiber structures applied to the fabric can also be designed to generate energy from recorded high-frequency fields (energy harvesting) in order to at least temporarily operate low-power consumers connected to the fiber circuit structures in the fabric, as in the case of RFID identification in the course of reading an RFID -TAG is realized. This opens up a wide field of application for RFID-based, as a result of their internal fabric structure forgery-proof proof of identity, such as for membership and other identity cards of any kind, even for driver's licenses, identity cards or passports.
Die erwähnten Heizungs-Leiter können derart kreis- oder schneckenförmig verlegt sein, dass damit zugleich auch die Induktivitäten für solche geometrisch einfachen, induktiven Antennenstrukturen realisiert sind. Mit komplizierteren und präziseren graphischen Leiter-Strukturen im oder am tragenden Faser-Gewebe lassen sich für höhere Frequenzbereiche wie für die Satellitennavigation (GPS, GLONASS, GALILEO), für die Kurzstrecken-Datenübertragung (WPAN, WiFi, WLAN) oder für den Mobilfunk mit Internetzugang (LTE) kapazitive Antennenstrukturen auslegen.The mentioned heating conductors can be laid in such a circular or helical form that at the same time the inductances for such geometrically simple, inductive antenna structures are realized. With more complex and precise graphical ladder structures in or on the supporting fiber fabric can be used for higher frequency ranges such as satellite navigation (GPS, GLONASS, GALILEO), for short-distance data transmission (WPAN, WiFi, WLAN) or for mobile radio with Internet access (LTE) design capacitive antenna structures.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt in der Möglichkeit, unmittelbar von dem, aus dem Verbundwerkstoff gebildeten, Gegenstand, also ohne das Erfordernis von Schaltungsträger-Einbauten und Displayöffnungen, Signale oder Informationen abstrahlen zu können, indem insbesondere Leuchtdioden (LEDs) und SMD-Bauelemente direkt an das in das Gewebe eingebrachte Leiter-Netzwerk (auch an einander gegenüberliegenden Gewebeoberflächen) angeschlossen werden. Über solche faserelektrische Ansteuerung von visuellen Anzeigen können je nach deren graphischer Anordnung einzelne Signallampen, schlagwortartige Informationen oder durchlaufende Texte dargeboten werden.A particular advantage of the solution according to the invention lies in the possibility of being able to radiate signals or information directly from the object formed from the composite material, ie without the requirement of circuit carrier installations and display openings, in particular by light-emitting diodes (LEDs) and SMD components be directly connected to the introduced into the tissue conductor network (also on opposite tissue surfaces). Depending on their graphic arrangement, individual signal lamps, catchword-like information or continuous texts can be presented via such fiber-electrical control of visual displays.
Typische weitere Beispiele für erfindungsgemäß direkt im oder am Gewebe des Verbundwerkstoffes realisierbare Schaltungsfunktionen sind solche zum Betreiben oder zum Abfragen von Sensoren und Messeinrichtungen. So kann beispielsweise wenigstens eine der Elektroden eines kapazitiven Sensors durch die lokale Geometrie der in das Gewebe integrierten oder auf das Gewebe applizierten, elektrisch leitfähigen Struktur ausgebildet werden, mit einer dagegen in der Ebene oder quer dazu versetzten Gegenelektrode in Form einer weiteren solchen Struktur oder einer eingelegten Metallfläche. Der das Gewebe tränkende Kunststoff oder/und das Gewebematerial selbst wirken als Dielektrikum eines derartigen kapazitiven Sensors.Typical further examples of circuit functions which can be implemented directly in or on the fabric of the composite according to the invention are those for operating or interrogating sensors and measuring devices. Thus, for example, at least one of the electrodes of a capacitive sensor can be formed by the local geometry of the electrically conductive structure integrated in the tissue or applied to the tissue, with a counterelectrode in the form of another such structure or one offset in the plane or transversely thereto inlaid metal surface. The plastic impregnating the fabric or / and the fabric material itself act as a dielectric of such a capacitive sensor.
Für lokale Kontaktierungen werden, zweckmäßigerweise schon mit den nach Maßgabe der vorgesehen Funktionen eingeflochtenen Leitfaserstrukturen, punktuell Leitkleber (etwa metallgefüllte Epoxid- oder PU-Kleber) auf das Gewebe aufgebracht. Solche Anschlussorte werden schon beim Laminieren, oder erst nach dem Laminieren des so ausgestatteten Gewebes mit der Kunststoffmatrix durch Anbohren oder Anfräsen, sacklochartig freigespart beziehungsweise freigelegt, insoweit hier z. B. externe Bauelemente für bestimmte Schaltungsfunktionen an die elektrisch leitende Faser-Schaltungsstruktur beim Gewebe anzuschließen sind. Im Interesse zuverlässiger Kontaktierung kann das jeweilige flache Sackloch in der Matrix im Wege einer Nadelkolben- oder Jet-Dosierung präzise mit Leitkleber aufgefüllt oder/und ein metallisches Kontaktplättchen eingebracht beziehungsweise aufgebracht werden. Dabei unterstützt die beim Einlaminieren des Gewebes auftretende Prozesswärme vorteilhaft ein rasches Aushärten des Materials an den Leitkleber-Anschlussorten.For local contacts, it is expedient to apply conductive adhesives (such as metal-filled epoxy or PU adhesives) to the fabric, suitably already with the guide fiber structures braided in accordance with the functions provided. Such connection locations are already cleared or uncovered during lamination, or only after lamination of the fabric thus equipped with the plastic matrix by tapping or milling, as far as z. B. external components for certain circuit functions are to be connected to the electrically conductive fiber circuit structure in the tissue. In the interest of reliable contacting, the respective flat blind hole in the matrix can be precisely filled with conductive adhesive by means of a needle-piston or jet metering and / or a metallic contact pad can be introduced or applied. The process heat occurring during lamination of the fabric advantageously assists rapid curing of the material at the conductive adhesive attachment locations.
Der mechanische und elektrische Anschluss von insbesondere externen Schaltungs-Bauelementen erfolgt zweckmäßigerweise unmittelbar über solchen Leitkleber, weil der – zusätzlich zum elektrischen Anschluss – sofort zu einer räumlichen Fixierung führt. Diese Montage samt Kontaktierung kann in einem nachfolgenden thermischen Prozess, etwa im Zuge des Matrix-Laminierens eines mit Schaltungselementen bestückten Gewebes, während dessen Hinterspritzens in einer Spritzgussform oder durch Nachbehandlung in einem Wärmezyklus, je nach dem eingesetzten Material auch durch Aushärten oder Sintern, zusätzlich gesichert werden; wodurch auch einer Gefahr des Abplatzens von Bauelementen infolge Biegebeanspruchungen des Gewebes zuverlässig entgegengewirkt ist – zumal wenn der abgebundene Leitkleber in seinen mechanischen Eigenschaften elastisch bleibt.The mechanical and electrical connection of particular external circuit components is advantageously carried out directly on such conductive adhesive, because - in addition to the electrical connection - immediately leads to a spatial fixation. This assembly including contacting can be additionally secured by curing or sintering, in a subsequent thermal process, such as in the course of matrix lamination of fabric equipped with circuit elements, during its back injection in an injection mold or by aftertreatment in a heat cycle, depending on the material used become; whereby a risk of spalling of components due to bending stresses of the fabric is reliably counteracted - especially if the set conductive adhesive remains elastic in its mechanical properties.
Bei Realisieren der Schaltungsstrukturen in einem hitzebeständigen Gewebe, insbesondere durch metallische Drähte, durch Karbonfasern oder durch thermisch resistent leitend beschichtete Glasfasern, kann fertigungsseitig statt der thermisch nachbehandelten Leitkleber-Montage auch ein eingeführter industrieller Lötprozess wie das Selektiv- oder das Reflow-Löten angewandt werden.When implementing the circuit structures in a heat-resistant fabric, in particular by metallic wires, by carbon fibers or by thermally resistant conductive coated glass fibers, the manufacturing side instead of the thermally treated conductive adhesive assembly also an established industrial soldering process such as the selective or reflow soldering can be applied.
Wenn auf Flexibilität des schaltungsbestückten und laminierten Gewebes kein besonderer Wert gelegt wird, dann können in den Faser-Verbundwerkstoff auch mehrlagige und dadurch besonders kompakte, gegen Umgebungseinflüsse geschützte, schaltungsspezifisch untereinander durchkontaktierte Schaltungsstrukturen bei Zwischenlage ansonsten elektrisch isolierender Trennschichten eingebracht werden. Als letztere können Folien, zweckmäßiger aber so genannte Prepags (mit zunächst noch nicht ausgehärteter duroplastischer Kunststoff-Matrix vorimprägnierte Gewebe-Lagen) dienen, mittels derer dann mehrere Verbundwerkstoff-Gewebe übereinander laminiert sind. Diese Schichten werden nach dem Einbringen der schaltungstechnischen Faser-Strukturen unter kontrollierter Druck- und Temperatureinwirkung miteinander verbunden. Mittels der oben erwähnten, mit den Faserschaltungsstrukturen in das Grundgewebe eingebrachten Passermarken können Vollständigkeit und korrekte Ausrichtung der einzelnen Lagen im Zuge der Fertigung über freigesparte oder (semi-)transparente Fenster ständig kontrolliert werden.If on flexibility of circuit-boarded and laminated fabric no special value is laid, then in the fiber composite material and multilayer, and thus particularly compact, protected against environmental influences, circuit-specific interconnected by plated circuit structures can be introduced at the interposition of otherwise electrically insulating separation layers. As the latter, films, but more suitably so-called Prepags (with initially not yet cured thermosetting plastic matrix preimpregnated fabric layers) are used, by means of which then several composite fabric are laminated. These layers are connected to each other after introduction of the circuit fiber structures under controlled pressure and temperature. By means of the register marks mentioned above, which are introduced into the base fabric with the fiber circuit structures, completeness and correct alignment of the individual layers in the course of manufacture can be constantly controlled via free-cut or (semi-) transparent windows.
Für einen insbesondere elektromechanisch gedrängten Aufbau von Apparaten und Geräten in Faserverbundwerkstoff-Technologie wird also erfindungsgemäß das Gewebe vor seiner Matrix-Laminierung bereichsweise mit an auch innerhalb der Gewebefläche liegende lokale Anschlussorte geführten Faser-Schaltungsstrukturen bestückt, die insbesondere Antennen-, Heizungs-, Anzeige- und/oder sonstige Schaltungsfunktionen bedienen. Für die Funktion der Schaltungsstrukturen erfolgt die Bauelemente-Montage und -Kontaktierung vorzugsweise über mit Leitkleber aufgefüllte, die Matrix-Laminierung durchdringende Sacklöcher.For a particularly electromechanically crowded structure of apparatuses and devices in fiber composite technology, according to the present invention, the tissue is, prior to its matrix lamination, partially equipped with fiber circuit structures guided on local connection sites also located within the tissue surface, which in particular provide antenna, heating, display and / or operate other circuit functions. For the function of the circuit structures, the component mounting and contacting preferably takes place via blind holes filled with conductive adhesive and penetrating the matrix lamination.
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