DE102017116931B4

DE102017116931B4 - Reparaturvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Reparaturvorrichtung

Info

Publication number: DE102017116931B4
Application number: DE102017116931.8A
Authority: DE
Inventors: Marvin Schneider; Markus Kaden
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2021-01-14
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: DE102017116931A1

Abstract

Reparaturvorrichtung, umfassend eine Reparaturmatte (12) und mindestens ein Heizelement (14), welches an der Reparaturmatte (12) angeordnet ist, wobei die Reparaturvorrichtung als Ganzes biegeflexibel ausgebildet ist, die Reparaturmatte (12) eine Mehrzahl von wärmeleitfähigen Partikeln (28) aufweist, welche in die Reparaturmatte (12) integriert sind, die Partikel (28) innerhalb eines Strukturmaterials (26) der Reparaturmatte (12) beabstandet zueinander angeordnet sind, die Reparaturmatte (12) biegeflexibel ausgebildet ist, und wobei das mindestens eine Heizelement (14) an einer Seite (22) des Strukturmaterials (26) der Reparaturmatte (12) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Isolierlage (16), welche an einer der Reparaturmatte (12) abgewandten Seite (32) des mindestens einen Heizelements (14) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reparaturvorrichtung, umfassend eine Reparaturmatte und ein Heizelement, welches an der Reparaturmatte angeordnet ist, wobei die Reparaturvorrichtung als Ganzes biegeflexibel ausgebildet ist, die Reparaturmatte eine Mehrzahl von wärmeleitfähigen Partikeln aufweist, welche in die Reparaturmatte integriert sind, die Partikel innerhalb eines Strukturmaterials der Reparaturmatte beabstandet zueinander angeordnet sind, die Reparaturmatte biegeflexibel ausgebildet ist, und wobei das mindestens eine Heizelement an einer Seite des Strukturmaterials der Reparaturmatte angeordnet ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Reparaturvorrichtung
Aus der DE 696 36 952 T2 ist ein Heizapparat mit einer Heizmatte bekannt.
Aus der DE 699 34 344 T2 ist eine wärmeleitende geformte Silikongelschicht bekannt.
Aus der DE 102 43 448 B4 ist ein biegeflexibler Heizkörper bekannt.
Aus der WO 99/60823 A1 ist ein elektrisches Heizelement mit einer als elektrische Widerstandsheizung ausgebildeten Heizschicht bekannt, wobei die Heizschicht aus elektrisch leitenden, nicht metallischen Fasern gebildet ist, die in eine aus Kunststoff hergestellte Schicht eingebettet sind. Die elektrisch leitenden, nicht metallischen Fasern sind als Vlies ausgebildet.
Aus der DE 20 2008 011 596 U1 ist ein Heizelement bekannt, umfassend einen Verbundaufbau mit mindestens einem außenliegenden Bereich und einer innenliegenden ersten Isolierung sowie einem darin eingebetteten Heizleiter und einer innenleitenden zweiten Isolierung.
Aus der DE 601 32 943 T2 ist ein thermisch leitfähiges und elektrisch resistives mechanisch nachgiebiges Kissenmaterial bekannt, welches eine thermisch leitfähige und elektrisch resistive Masse aufweist.
Aus der US 2005/0098684 A1 ist eine Heizvorrichtung aus einem inelastischen Polymermaterial zum Einsatz als Einbaukomponente in Flugzeugen bekannt, mittels welcher die Temperatur bestimmter Komponenten gesteuert werden kann. Die Heizvorrichtung kann beispielsweise im Cockpit, in der Passagierkabine oder im Frachtraum des Flugzeugs eingesetzt werden.
Aus der DE 10 2013 004 232 A1 ist eine Heizvorrichtung zum Erwärmen eines auf ein Element aufzutragenden und/oder in dieses einzubringenden Materials bekannt, welche ein Kontaktelement zum Anbringen auf das Material und/oder das Element aufweist, wobei das Kontaktelement ein Heizelement zum Erwärmen des Materials und/oder des Elements und mindestens einen ersten Leitungsanschluss, insbesondere Schlauchanschluss, aufweist. Die Heizvorrichtung ist derart ausgebildet, dass mittels des ersten Leitungsanschlusses ein Unterdruck zwischen dem Kontaktelement und dem Material und/oder dem Element erzeugbar ist und so das Kontaktelement auf das Material und/oder das Element anbringbar oder angebracht ist.
Aus der DE 601 06 757 T2 ist ein elektrischer Heizeinsatz zum Thermoformen oder Trocknen eines thermisch formbaren Polsters bekannt, umfassend ein elektrisches Widerstandsheizmittel, welches mit einer Schicht eines thermisch leitenden Materials gekoppelt ist, wobei das elektrische Widerstandsheizmittel mit elektrischen Leitern zur Verbindung mit einer gemeinsamen Quelle elektrischer Leistung verbunden ist. Das elektrische Heizmittel ist mit voneinander verschiedenen Leistungspegeln betreibbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Reparaturvorrichtung eingangs genannter Art bereitzustellen, welche flexibel einsetzbar ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Reparaturvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Reparaturvorrichtung eine Isolierlage umfasst, welche an einer der Reparaturmatte abgewandten Seite des mindestens einen Heizelements angeordnet ist. Die Reparaturmatte kann beispielsweise zur Reparatur eines beschädigten Werkstücks eingesetzt werden. Hierzu wird an einem beschädigten Bereich des Werkstücks beispielsweise ein Reparaturmaterial angeordnet, dessen Komponenten sich bei Erwärmung mit einem Strukturmaterial des Werkstücks insbesondere stoffschlüssig verbinden. Es lässt sich dadurch das Werkstück an seinem beschädigten Bereich reparieren.
Die Reparaturmatte kann in diesem Zusammenhang beispielsweise in Verbindung mit einem Heizelement zur Zufuhr von Wärme zu dem Reparaturmaterial an dem Werkstück eingesetzt werden.
Durch die biegeflexible Ausbildung der Reparaturmatte kann diese an Werkstücken mit unterschiedlichen geometrischen Oberflächen eingesetzt werden. Die Reparaturmatte lässt sich dadurch beispielsweise auch an Werkstücken mit gekrümmten Oberflächen einsetzen. Es ergibt sich dadurch ein breites Anwendungsspektrum der Reparaturmatte.
Durch die Integration wärmeleitfähiger Partikel in das Strukturmaterial der Reparaturmatte wird die Wärmeleitfähigkeit der Reparaturmatte erhöht. Es lässt sich dadurch eine effektive und gleichmäßige Übertragung von Wärme mittels der Reparaturmatte realisieren.
Wärmeleitfähige Partikel sind in diesem Zusammenhang Partikel, welche eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/mK aufweisen.
Es ist dann günstig, wenn die Partikel jeweils vollständig von dem Strukturmaterial der Reparaturmatte umgeben sind. Die Partikel sind dadurch mechanisch stabil innerhalb des Strukturmaterials der Reparaturmatte angeordnet und/oder fixiert. Es entsteht weiterhin ein insbesondere direkter thermischer und/oder mechanischer Kontakt zwischen den Partikeln und dem Strukturmaterial der Reparaturmatte.
Die Partikel sind beispielsweise allseitig von dem Strukturmaterial der Reparaturmatte umgeben.
Aus den gleichen Gründen ist es günstig, wenn die Partikel durch allseitigen Formschluss mit dem Strukturmaterial innerhalb der Reparaturmatte fixiert sind.
Die Partikel sind beispielsweise allseitig formschlüssig von dem Strukturmaterial der Reparaturmatte gehalten und/oder in diesem fixiert.
Vorteilhaft ist es, wenn das Strukturmaterial ein Polymermaterial und insbesondere ein Elastomermaterial umfasst. Die Reparaturmatte lässt sich dadurch auf einfache Weise biegeflexibel ausführen.
Die Reparaturmatte ist beispielsweise aus einem Polymermaterial und insbesondere aus einem Elastomermaterial hergestellt.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn das Strukturmaterial ein Silikonmaterial umfasst. Die Reparaturmatte lässt sich dann auf technisch einfache Weise biegeflexibel ausbilden.
Die Reparaturmatte ist beispielsweise aus einem Silikonmaterial hergestellt.
Insbesondere weisen die Partikel innerhalb des Strukturmaterials der Reparaturmatte eine gleichmäßige Verteilung auf. Es lässt sich dadurch die Reparaturmatte mit einer näherungsweise homogenen Wärmeleitfähigkeit ausführen. Dadurch kann eine näherungsweise homogene Wärmeverteilung an einer einem Werkstück zugewandten Seite der Reparaturmatte realisiert werden.
Unter einer gleichmäßigen Verteilung ist beispielsweise eine Gleichverteilung von Teilchen innerhalb des Strukturmaterials der Reparaturmatte zu verstehen. Gleichverteilung bedeutet, dass in unterschiedlichen Raumbereichen gleicher Größe innerhalb des Strukturmaterials der Reparaturmatte jeweils circa gleich viele Teilchen angeordnet sind.
Vorteilhaft ist es, wenn ein Massenanteil der Partikel an dem Strukturmaterial mindestens 10 %, insbesondere mindestens 15 % und insbesondere mindestens 20 % beträgt. Es lässt sich dadurch eine gute Wärmeleitfähigkeit der Reparaturmatte erreichen.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn ein Massenanteil der Partikel an dem Strukturmaterial höchstens 30 %, insbesondere höchstens 25 % und insbesondere höchstens 20 % beträgt. Die Partikel lassen sich dann auf technisch einfache Weise in das Strukturmaterial der Reparaturmatte integrieren.
Vorteilhaft ist es, wenn die Partikel eine durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15 W/mK, insbesondere mindestens 100 W/mK und insbesondere mindestens 150 W/mK aufweisen. Auf diese Weise wird eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Reparaturmatte realisiert.
Günstig ist es, wenn die Partikel eine durchschnittliche Massendichte von höchstens 4 g/cm³, insbesondere höchstens 3,5 g/cm³ und insbesondere höchstens 2 g/cm³ aufweisen. Die Partikel lassen sich dadurch auf technisch einfache Weise in das Strukturmaterial der Reparaturmatte integrieren.
Günstig ist es, wenn die Partikel eine durchschnittliche Länge von mindestens 5 µm und/oder eine durchschnittliche Länge von höchstens 100 µm aufweisen. Die Partikel können dann auf technisch einfache Weise in das Strukturmaterial der Reparaturmatte integriert werden. Es lässt sich dadurch ferner auf technisch einfache Weise eine beispielsweise gleichmäßige Verteilung der Partikel innerhalb des Strukturmaterials realisieren.
Bei einer Variante umfassen die Partikel Aluminiumnitrid- und/oder Aluminiumoxid- und/oder Siliciumcarbid-Partikel. Ein durchschnittlicher Durchmesser der Partikel beträgt dann insbesondere mindestens 5 µm und/oder höchstens 100 µm. Die genannten Partikel weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von ca. 20 W/mK bis ca. 350 W/mK auf. Dadurch lässt sich eine gute Wärmeleitfähigkeit der Reparaturmatte erreichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen die Partikel Kohlenstofffasern. Eine durchschnittliche Länge der Kohlenstofffasern beträgt insbesondere mindestens 0,1 mm und insbesondere höchstens 3,0 mm. Die genannten Kohlenstofffasern weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit von ca. 17 W/mK auf. Es lässt sich dadurch eine gute Wärmeleitfähigkeit der Reparaturmatte erreichen.
Bei einer Variante umfassen die Partikel Kohlenstoffnanoröhrchen. Die Kohlenstoffnanoröhrchen weisen eine Wärmeleitfähigkeit von insbesondere mindestens 5000 W/mK auf. Auf diese Weise kann eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit der Reparaturmatte realisiert werden.
Das mindestens eine Heizelement ist an einer Seite des Strukturmaterials der Reparaturmatte angeordnet. Das mindestens eine Heizelement steht insbesondere mit der Reparaturmatte in thermischem und/oder mechanischem Kontakt.
Das mindestens eine Heizelement ist beispielsweise ein elektrisches Widerstandsheizelement oder ein (passives) induktives Heizelement, welches mittels einer externen Magnetfelderzeugungseinrichtung induktiv erwärmt wird.
Die Reparaturvorrichtung ist als Ganzes biegeflexibel ausgebildet. Die Reparaturvorrichtung ist mit der Reparaturmatte und dem mindestens einen Heizelement biegeflexibel ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Reparaturvorrichtung weist die bereits im Zusammenhang mit der Reparaturmatte erläuterten Vorteile auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Reparaturvorrichtung wurden bereits im Zusammenhang mit der Reparaturmatte erläutert.
Die Reparaturvorrichtung umfasst eine Isolierlage, welche an einer der Reparaturmatte abgewandten Seite des mindestens einen Heizelements angeordnet ist.
Das mindestens eine Heizelement ist dann zwischen der Isolierlage und der Reparaturmatte positioniert.
Die Isolierlage ist beispielsweise eine thermische oder elektrische Isolierlage. Mittels der Isolierlage lässt sich beispielsweise eine unerwünschte Abstrahlung von Wärme in eine dem Werkstück abgewandte Richtung reduzieren. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Reparaturvorrichtung erhöht.
Die Isolierlage ist beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial und insbesondere aus einem Silikonmaterial hergestellt. Die Isolierlage lässt sich dadurch beispielsweise biegeflexibel ausbilden. Die Isolierlage kann dadurch weiterhin auf einfache Weise zur thermischen und/oder elektrischen Isolation des mindestens einen Heizelements eingesetzt werden.
Günstig ist es, wenn die Isolierlage mit dem Strukturmaterial der Reparaturmatte stoffschlüssig und/oder einstückig verbunden ist, und wenn das mindestens eine Heizelement von einem jeweiligen Strukturmaterial der Reparaturmatte und der Isolierlage umgeben ist. Das mindestens eine Heizelement lässt sich dadurch zwischen der Isolierlage und der Reparaturmatte einbetten. Die Reparaturvorrichtung kann dadurch einfach und kompakt ausgeführt werden.
Das mindestens eine Heizelement ist insbesondere von dem Strukturmaterial der Reparaturmatte und/oder von dem Strukturmaterial der Isolierlage vollständig und/oder allseitig umgeben.
Das mindestens eine Heizelement ist zwischen dem Strukturmaterial der Reparaturmatte und dem Strukturmaterial der Isolierlage angeordnet und/oder eingeschlossen. Das mindestens eine Heizelement ist insbesondere von dem Strukturmaterial der Reparaturmatte und/oder von dem Strukturmaterial der Isolierlage durch allseitigen Formschluss fixiert.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Reparaturvorrichtung, umfassend eine Reparaturmatte, bereitgestellt, wobei die Reparaturmatte ein Strukturmaterial aus einem Kunststoffmaterial und eine Mehrzahl von wärmeleitfähigen Partikeln umfasst, welche innerhalb des Strukturmaterials angeordnet sind, bei dem ein Vorläufermaterial des Strukturmaterials der Reparaturmatte in flüssiger Form vorliegt, Partikel in das flüssige Vorläufermaterial eingebracht werden, die Partikel mittels Rühren näherungsweise gleichmäßig innerhalb des Vorläufermaterials verteilt werden, und bei dem durch Erstarren des flüssigen Vorläufermaterials ein festes Strukturmaterial der Reparaturmatte mit integrierten Partikeln entsteht, wobei mindestens ein Heizelement an einer Seite des Strukturmaterials der Reparaturmatte angeordnet wird und wobei eine Isolierlage an einer der Reparaturmatte abgewandten Seite des mindestens einen Heizelements angeordnet wird.
Erstarren bedeutet, dass das flüssige Vorläufermaterial in einen festen Aggregatzustand übergeht. Dies geschieht beispielsweise durch Erhitzen des flüssigen Vorläufermaterials und/oder durch eine chemische Reaktion.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Reparaturvorrichtung mit einer Reparaturmatte;
2 eine perspektivische (Teil-)Darstellung von Komponenten einer Reparaturvorrichtung; und
3 ein Graustufenbild einer Temperaturverteilung an vier unterschiedlichen Ausführungsbeispielen A, B, C und D einer Reparaturmatte einer Reparaturvorrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel einer Reparaturvorrichtung, welches in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine wärmeleitfähige Reparaturmatte 12, ein Heizelement 14 und eine Isolierlage 16. Das Heizelement 14 ist dabei zwischen der Reparaturmatte 12 und der Isolierlage 16 angeordnet.
Die Reparaturmatte 12 ist beispielsweise an einer Seite 18 eines Werkstücks 20 positioniert.
Das Werkstück 20 ist beispielsweise ein Bauteil aus einem Kunststoffmaterial, welches eine Beschädigung aufweist. An dieser Beschädigung wird beispielsweise zur Reparatur des Bauteils ein Reparaturmaterial angeordnet, welches mittels der Reparaturvorrichtung 10 erwärmt wird. Hierdurch wird beispielsweise eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Komponenten des Reparaturmaterials und einem Strukturmaterial des Werkstücks 20 an dessen Beschädigung hergestellt. Dadurch kann mittels der Reparaturvorrichtung 10 und einem geeigneten Reparaturmaterial beispielsweise eine Reparatur des Werkstücks 20 vorgenommen werden.
Die Reparaturvorrichtung 10 ist als Ganzes biegeflexibel ausgebildet. Damit sind die Reparaturmatte 12 und das Heizelement 14 und die Isolierlage 16 jeweils biegeflexibel ausgebildet.
Die Reparaturvorrichtung 10 kann dadurch einfach und flexibel eingesetzt werden. Ein Einsatz der Reparaturvorrichtung 10 ist dann beispielsweise auch an einem Werkstück 20 möglich, welches eine gekrümmte Oberfläche aufweist.
Das Heizelement 14 ist beispielsweise ein elektrisches Widerstandsheizelement. Das Heizelement 14 kontaktiert eine Oberseite 22 der Reparaturmatte 12 beispielsweise thermisch und/oder mechanisch. Auf diese Weise wird die von dem Heizelement 14 erzeugte Wärme auf die Reparaturmatte 12 übertragen.
Eine zu der Oberseite 22 gegenüberliegende Unterseite 24 der Reparaturmatte 12 kontaktiert das Werkstück 20 insbesondere thermisch und/oder mechanisch. Die Unterseite 24 der Reparaturmatte 12 liegt beispielsweise an der Seite 18 des Werkstücks 20 an.
Auf diese Weise kann Wärme von dem Heizelement 14 über die Reparaturmatte 12 auf das Werkstück übertragen werden.
Die Isolierlage 16 ist an einer der Reparaturmatte 12 abgewandten Seite des Heizelements 14 positioniert. Mittels der Isolierlage 16 wird das Heizelement 14 beispielsweise thermisch und/oder elektrisch isoliert.
Die Isolierlage 16 ist beispielsweise aus einem elektrischen Isolatormaterial hergestellt. Die Isolierlage 16 weist ferner insbesondere eine geringe Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise weniger als 1 W/mK auf.
Die Isolierlage 16 ist insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise einem Polymermaterial und insbesondere einem Elastomermaterial hergestellt. Sie ist beispielsweise aus einem Silikonmaterial hergestellt.
Um einen flexiblen Einsatz der Reparaturvorrichtung 10 an Werkstücken 20 mit unterschiedlichen geometrischen Oberflächen zu ermöglichen, ist die Reparaturmatte 12 biegeflexibel ausgebildet. Mittels der Reparaturmatte 12 soll ferner eine möglichst gleichmäßige Temperaturübertragung von dem Heizelement 14 auf das Werkstück 20 erfolgen. Es ist hierzu vorteilhaft, wenn die Reparaturmatte 12 bei biegeflexibler Ausbildung gleichzeitig eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es lässt sich dadurch eine effiziente Wärmeübertragung der von dem Heizelement 14 erzeugten Wärme auf das Werkstück 20 realisieren.
Die vorstehend genannten Materialien, aus welchen die Reparaturmatte 12 beispielsweise hergestellt ist, sind einerseits zur Realisierung einer biegeflexiblen Reparaturmatte 12 geeignet, weisen jedoch andererseits nur geringe Wärmeleitfähigkeiten von typischerweise weniger als 1 W/mK auf.
Zur Realisierung einer hohen Wärmeleitfähigkeit der Reparaturmatte 12 sind in ein Strukturmaterial 26 wärmeleitfähige Partikel 28 integriert. Die Partikel 28 sind in dem Strukturmaterial 26 der Reparaturmatte 12 angeordnet.
Die Partikel 28 sind insbesondere von dem Strukturmaterial 26 jeweils vollständig umgeben. Dies bedeutet, dass die Partikel 28 insbesondere allseitig von dem Strukturmaterial 26 umgeben und/oder umschlossen sind.
Die Partikel 28 sind beispielsweise durch allseitigen Formschluss mit dem Strukturmaterial 26 innerhalb der Reparaturmatte 12 fixiert. Die Partikel 28 sind beispielsweise jeweils allseitig formschlüssig in dem Strukturmaterial 26 fixiert.
Innerhalb des Strukturmaterials 26 der Reparaturmatte 12 sind die Partikel 28 vorzugsweise gleichmäßig verteilt. Die Partikel 28 weisen innerhalb des Strukturmaterials 26 beispielsweise zumindest näherungsweise eine räumliche Gleichverteilung auf. Dadurch wird eine zumindest näherungsweise homogene Wärmeleitfähigkeit der Reparaturmatte 12 realisiert.
Die Partikel 28 weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit von insbesondere mindestens 10 W/mK auf.
Die Partikel 28 sind oder umfassen beispielsweise gemahlene Kohlenstofffasern mit einer Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise ca. 17 W/mK. Die Dichte der Kohlenstofffasern beträgt beispielsweise ca. 1,8 g/cm³. Die gemahlenen Kohlenstofffasern weisen beispielsweise eine Länge von ca. 0,1 mm und beispielsweise eine Breite von ca. 6 µm auf.
Die Partikel 28 sind oder umfassen beispielsweise feine Kohlenstofffasern mit einer Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise ca. 17 W/mK. Die feinen Kohlenstofffasern weisen beispielsweise eine Dichte von ca. 1,8 g/cm³ auf. Sie weisen beispielsweise eine Länge von ca. 3,0 mm und beispielsweise eine Breite von ca. 6 µm auf.
Die Partikel 28 sind oder umfassen beispielsweise Kohlenstoffnanoröhrchen mit einer Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise ca. 6000 W/mK. Die Kohlenstoffnanoröhrchen weisen beispielsweise eine Dichte von ca. 1,3 g/cm³ auf.
Sie weisen beispielsweise eine Länge von ca. 10 µm und beispielsweise eine Breite von ca. 10 nm auf. Ein Massenanteil der Kohlenstoffnanoröhrchen an dem Strukturmaterial 26 der Reparaturmatte 12 beträgt beispielsweise ca. 0,5 % bis ca. 25 %.
Die Partikel 28 sind oder umfassen beispielsweise Aluminiumnitrid-Teilchen mit einer Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise ca. 180 W/mK. Die Aluminiumnitrid-Teilchen weisen beispielsweise eine Dichte von ca. 3,26 g/cm³ auf. Sie weisen beispielsweise einen Durchmesser von mindestens ca. 5 µm und/oder höchstens ca. 100 µm auf. Der Massenanteil der Aluminiumnitrid-Teilchen an dem Strukturmaterial 26 liegt beispielsweise in einem Bereich von ca. 10 % bis ca. 30 %.
Die Partikel 28 sind oder umfassen beispielsweise Aluminiumoxid-Teilchen mit einer Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise ca. 28 W/mK. Die Aluminiumoxid-Teilchen weisen beispielsweise eine Dichte von ca. 3,95 g/cm³ auf. Sie weisen beispielsweise einen Durchmesser von mindestens ca. 5 µm und/oder höchstens ca. 100 µm auf. Der Massenanteil der Aluminiumoxid-Teilchen an dem Strukturmaterial 26 liegt beispielsweise in einem Bereich von ca. 10 % bis ca. 30 %.
Die Partikel 28 sind oder umfassen beispielsweise Siliciumcarbid-Teilchen mit einer Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von beispielsweise ca. 100 bis 350 W/mK. Die Dichte der Siliciumcarbid-Teilchen beträgt beispielsweise ca. 3,2 g/cm³. Sie weisen beispielsweise einen Durchmesser von mindestens ca. 5 µm und/oder höchstens ca. 100 µm auf. Der Massenanteil der Siliciumcarbid-Teilchen an dem Strukturmaterial 26 liegt beispielsweise in einem Bereich von ca. 10 % bis ca. 30 %.
Mittels der in das Strukturmaterial 26 der Reparaturmatte 12 integrierten Partikel 28 wird die Wärmeleitfähigkeit der Reparaturmatte 12 erhöht. Dies führt zu einer verbesserten Wärmeübertragung mittels der Reparaturmatte 12 von dem Heizelement 14 auf das Werkstück 20. Es wird hierdurch weiterhin eine zumindest näherungsweise räumlich homogene Wärmeverteilung an der Unterseite 24 der Reparaturmatte 12 erzeugt. Dies ermöglicht eine näherungsweise homogene Wärmeübertragung von der Reparaturmatte 12 auf die Seite 18 des Werkstücks 20.
Der durch die Partikel 28 hervorgerufene Effekt auf die Temperaturverteilung an der Reparaturmatte 12 im Betrieb der Reparaturvorrichtung 10 ist in 3 illustriert. 3 zeigt eine Graustufendarstellung der Temperaturverteilung an der Unterseite 24 der Reparaturmatte 12 für vier verschiedene Ausführungsbeispiele A, B, C und D (die Unterseite 24 steht dabei nicht in Kontakt mit einem Werkstück). Dunklere Grautöne entsprechen dabei geringeren Temperaturen und hellere Grautöne entsprechen höheren Temperaturen.
Die dargestellte räumliche Temperaturverteilung wurde mittels einer Infrarotmessung ermittelt.
Bei den Beispielen A bis D wurden jeweils unterschiedliche Reparaturmatten 12 an der Oberseite 22 mit einem Heizelement 14 erwärmt, wobei für alle Messungen A bis D die gleiche Heizleistung sowie Reparaturmatten 12 mit einer identischen Dicke 31 verwendet wurden.
Die Dicke 31 der Reparaturmatte 12 entspricht dabei einem kürzesten Abstand zwischen Oberseite 22 und Unterseite 24 der Reparaturmatte 12. Die Reparaturmatte 12 weist insbesondere zumindest näherungsweise eine konstante Dicke 31 auf.
Im Fall A besteht die Reparaturmatte 12 ausschließlich aus einem Silikonmaterial. Das Strukturmaterial 26 weist keine wärmeleitfähigen Partikel 28 auf.
Die Wärmeverteilung ist für den Fall A an der Unterseite 24 inhomogen. Es ist insbesondere ein deutlicher Temperaturabfall von den Rändern der Reparaturmatte 12 zu einem Mittelbereich der Reparaturmatte 12 zu beobachten.
Bei dem Beispiel B umfasst die Reparaturmatte 12 ein Silikonmaterial mit integrierten Aluminiumnitrid-Teilchen. Im Fall C umfasst die Reparaturmatte 12 ebenfalls ein Silikonmaterial mit integrierten Aluminiumnitrid-Teilchen, wobei die Teilchendichte bei dem Beispiel C geringer ist als bei dem Beispiel B.
Die Temperaturverteilung ist bei den Beispielen B und C an der Unterseite 24 zumindest näherungsweise homogen. Ursächlich hierfür ist die hohe Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumnitrid-Teilchen von ca. 180 W/mK.
Das Beispiel D zeigt eine Reparaturmatte 12, welche ein Silikonmaterial mit integrierten Aluminiumoxid-Teilchen umfasst.
Die Homogenität der Temperaturverteilung im Fall D ist ersichtlich besser als im Fall A und geringfügig schlechter als in den Fällen B und C. Dies kann damit begründet werden, dass die Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumoxid-Teilchen mit ca. 28 W/mK geringer ist als die der Aluminiumnitrid-Teilchen.
Bei einer Ausführungsform der Reparaturvorrichtung 10 kann es vorgesehen sein, dass die Isolierlage 16 mit dem Strukturmaterial 26 der Reparaturmatte 12 stoffschlüssig und/oder einstückig verbunden ist.
Beispielsweise ist ein Strukturmaterial 30 der Isolierlage 16 stoffschlüssig und/oder einstückig mit dem Strukturmaterial 26 der Reparaturmatte 12 verbunden.
Das Heizelement 14 ist beispielsweise von dem Strukturmaterial 26 der Reparaturmatte 12 und dem Strukturmaterial 30 der Isolierlage 16 umgeben.
Das Heizelement 14 ist insbesondere zwischen den jeweiligen Strukturmaterialien 26 und 30 der Reparaturmatte 12 bzw. der Isolierlage 16 eingeschlossen. Das Heizelement 14 ist beispielsweise von den jeweiligen Strukturmaterialien 26, 30 zwischen der Reparaturmatte 12 und der Isolierlage 16 durch allseitigen Formschluss fixiert.
Das Strukturmaterial 30 der Isolierlage 16 ist einer Seite 32 des Heizelements 14 zugewandt und das Strukturmaterial 26 der Reparaturmatte 12 ist einer zu der Seite 32 gegenüberliegenden Seite 34 des Heizelements 14 zugewandt. Diese Seite 34 des Heizelements 14 ist der Oberseite 22 der Reparaturmatte 12 zugewandt.
Die Herstellung einer wärmeleitfähigen Reparaturmatte 12 funktioniert wie folgt:

In einem ersten Schritt wird ein Vorläufermaterial des späteren Strukturmaterials 26 der Reparaturmatte 12 in flüssiger Form bereitgestellt. Dieses Vorläufermaterial ist beispielsweise das flüssige Vorläufermaterial eines Silikonmaterials, welches mittels einer chemischen Reaktion aus zwei Komponenten hergestellt wird.

In das flüssige Vorläufermaterial werden die Partikel 28 eingebracht. Dies geschieht beispielsweise während des Umrührens des flüssigen Vorläufermaterials.
Die eingebrachten Partikel 28 werden durch Rühren des flüssigen Vorläufermaterials zumindest näherungsweise gleichmäßig innerhalb des Vorläufermaterials verteilt. Hierzu wird der Rührvorgang beispielsweise so lange fortgesetzt, bis eine näherungsweise Gleichverteilung der Partikel 28 innerhalb des Vorläufermaterials vorliegt.
Anschließend wird das flüssige Vorläufermaterial, beispielsweise mittels einer chemischen Reaktion, zum Erstarren gebracht und in einen festen Aggregatzustand überführt.
Das erstarrte Material entspricht dem Strukturmaterial 26 der Reparaturmatte 12 mit integrierten Partikeln 28.
Bezugszeichenliste

10: Reparaturvorrichtung
12: Reparaturmatte
14: Heizelement
16: Isolierlage
18: Seite
20: Werkstück
22: Oberseite
24: Unterseite
26: Strukturmaterial
28: Partikel
30: Strukturmaterial
31: Dicke
32: Seite
34: Seite

Claims

Reparaturvorrichtung, umfassend eine Reparaturmatte (12) und mindestens ein Heizelement (14), welches an der Reparaturmatte (12) angeordnet ist, wobei die Reparaturvorrichtung als Ganzes biegeflexibel ausgebildet ist, die Reparaturmatte (12) eine Mehrzahl von wärmeleitfähigen Partikeln (28) aufweist, welche in die Reparaturmatte (12) integriert sind, die Partikel (28) innerhalb eines Strukturmaterials (26) der Reparaturmatte (12) beabstandet zueinander angeordnet sind, die Reparaturmatte (12) biegeflexibel ausgebildet ist, und wobei das mindestens eine Heizelement (14) an einer Seite (22) des Strukturmaterials (26) der Reparaturmatte (12) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Isolierlage (16), welche an einer der Reparaturmatte (12) abgewandten Seite (32) des mindestens einen Heizelements (14) angeordnet ist.
Reparaturvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (28) jeweils vollständig von dem Strukturmaterial (26) umgeben sind.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (28) durch allseitigen Formschluss mit dem Strukturmaterial (26) innerhalb der Reparaturmatte (12) fixiert sind.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmaterial (26) ein Polymermaterial und insbesondere ein Elastomermaterial umfasst.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturmaterial (26) ein Silikonmaterial umfasst.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (28) innerhalb des Strukturmaterials (26) der Reparaturmatte (12) eine näherungsweise gleichmäßige Verteilung aufweisen.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenanteil der Partikel (28) an dem Strukturmaterial (26) mindestens 10 %, insbesondere mindestens 15 % und insbesondere mindestens 20 % beträgt.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenanteil der Partikel (28) an dem Strukturmaterial (26) höchstens 30 %, insbesondere höchstens 25 % und insbesondere höchstens 20 % beträgt.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (28) eine durchschnittliche Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15 W/mK, insbesondere mindestens 100 W/mK und insbesondere mindestens 150 W/mK aufweisen.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (28) eine durchschnittliche Massendichte von höchstens 4 g/cm³, insbesondere höchstens 3,5 g/cm³ und insbesondere höchstens 2 g/cm³ aufweisen.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (28) eine durchschnittliche Länge von mindestens 5 µm aufweisen und/oder dass die Partikel (28) eine durchschnittliche Länge von höchstens 100 µm aufweisen.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (28) Aluminiumnitrid- und/oder Aluminiumoxid- und/oder Siliziumcarbid-Partikel umfassen, und insbesondere dass ein durchschnittlicher Durchmesser der Partikel (28) mindestens 5 µm und/oder höchstens 100 µm beträgt.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (28) Kohlenstofffasern umfassen, und insbesondere dass eine durchschnittliche Länge der Kohlenstofffasern mindestens 0,1 mm und insbesondere höchstens 3,0 mm beträgt.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (28) Kohlenstoffnanoröhrchen umfassen, und insbesondere dass die Kohlenstoffnanoröhrchen eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5000 W/mK aufweisen.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierlage (16) aus einem Kunststoffmaterial und insbesondere aus einem Silikonmaterial hergestellt ist.
Reparaturvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierlage (16) mit dem Strukturmaterial (26) der Reparaturmatte (12) stoffschlüssig und/oder einstückig verbunden ist, und dass das mindestens eine Heizelement (14) von einem jeweiligen Strukturmaterial (26;30) der Reparaturmatte (12) und der Isolierlage (16) umgeben ist.
Verfahren zur Herstellung einer Reparaturvorrichtung, umfassend eine Reparaturmatte (12), wobei die Reparaturmatte (12) ein Strukturmaterial (26) aus einem Kunststoffmaterial und eine Mehrzahl von wärmeleitfähigen Partikeln (28) umfasst, welche innerhalb des Strukturmaterials (26) angeordnet sind, bei dem ein Vorläufermaterial des Strukturmaterials (26) der Reparaturmatte in flüssiger Form vorliegt, Partikel (28) in das flüssige Vorläufermaterial eingebracht werden, die Partikel (28) mittels Rühren näherungsweise gleichmäßig innerhalb des Vorläufermaterials verteilt werden, und bei dem durch Erstarren des flüssigen Vorläufermaterials ein festes Strukturmaterial (26) der Reparaturmatte (12) mit integrierten wärmeleitfähigen Partikeln (28) entsteht, wobei mindestens ein Heizelement (14) an einer Seite (22) des Strukturmaterials (26) der Reparaturmatte (12) angeordnet wird und wobei eine Isolierlage (16) an einer der Reparaturmatte (12) abgewandten Seite (32) des mindestens einen Heizelements (14) angeordnet wird.