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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen und einer mechanischen Verbindung während des additiven Aufbaus eines Objekts, insbesondere eines aufgebauten Objekts, wie beispielsweise einem Gehäuse. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zur gleichzeitigen Herstellung einer elektrischen und einer mechanischen Verbindung mittels eines additiven Fertigungsverfahrens mit elektrisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Reaktionsklebstoffen oder Klebstoffen.
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Stand der Technik
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EP 2 078 312 B1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Energie-Harvesters mit Hilfe eines Druckprozesses, insbesondere des Siebdruckprozesses. Gemäß diesem Verfahren werden Löcher gebohrt, um später Opfermaterial zu entfernen.
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US 2018/120912 A1 hat ein Herstellungsverfahren einer Wärmemanagementvorrichtung einschließlich ihres Gehäuses zum Gegenstand, welches hauptsächlich auf einem additiven Fertigungsverfahren basiert.
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US 2014/333011 A1 bezieht sich auf ein additives Fertigungsverfahren, in welchem eine Wandstruktur auf einem Druckbrett hergestellt wird und ein Trägerstück mit einer antihaftbeschichteten Oberfläche in der Nähe oder innerhalb der Struktur platziert wird. Es wird eine Materialschicht auf einer oder mehreren Wänden und auf dem Trägerstück additiv gefertigt, um einen Überstand zu erzeugen, wonach das Trägerstück, nachdem das den Überstand bildende Material in einen festen Zustand zurückgekehrt oder gehärtet ist, wieder entfernt wird.
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WO 2019/147700 A1 hat ein additives Fertigungsverfahren zum Gegenstand.
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Additive Fertigung umfasst ein breites Spektrum an Technologien, die nach dem Prinzip arbeiten, Volumenelemente miteinander zu verbinden. In der Regel erfolgt dies über einen schichtweisen Aufbau. Dies bedeutet, dass das dreidimensionale Modell des Bauteils in zweidimensionale, ebene Flächen aufgeteilt wird und in einen digitalen Pfad übersetzt wird. Die Maschine fährt diesen Pfad ab und hinterlässt dort verfahrensabhängig verarbeitetes Material, welches so Schicht für Schicht zu einem dreidimensionalen Objekt zusammengesetzt wird. Dieses Vorgehen führt dazu, dass im Vergleich zu subtraktiven Fertigungsprozessen mit nahezu unbegrenzter geometrischer Flexibilität gearbeitet werden kann.
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Gängige 3D-Druckverfahren, so zum Beispiel VAT-Polymerization, Sheet Lamination, Binder Jetting und Powderbed Fusion basieren darauf, dass das Aufbaumaterial einer Schicht immer in gleicher geometrischer Form vorliegt. Die beabsichtigte geometrische Form dieser Schicht wird dann durch selektives Härten, Verkleben oder Ausschneiden erzeugt, so dass Bereiche entstehen, die der finalen Geometrie angehören und solche, die nach dem 3D-Druck entfernt werden müssen. Auf diese Weise sind Hohlräume, die zum Beispiel als Kavitäten für integrierte Leiterbahnen oder SMD-Bauteile dienen, zwar darstellbar, jedoch sind diese im Prozess immer noch mit flüssigem, pulverförmigem oder festem Material gefüllt. Um Komponenten integrieren zu können, müssen diese Hohlräume oder Kavitäten zunächst erst aufwändig gereinigt werden.
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Demgegenüber ermöglichen Verfahren wie das 3D-Dispensen, welches nach dem Prinzip arbeitet, Bauteile durch das schichtweise Auftragen von Material zu erzeugen, eine Integration von Komponenten und Funktionen innerhalb des laufenden 3D-Druckprozesses, da erzeugte Kavitäten nicht gereinigt werden müssen. Ein gängiges Verfahren im Bereich der Thermoplastverarbeitung ist dabei der Prozess Fused Filament Fabrication (FFF).
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Wird das additive Fertigungsverfahren, z. B. das 3D-Dispensen, mit kationisch polymerisierbaren Epoxidharzen durchgeführt, die beispielsweise auch als Klebstoff eingesetzt werden, so können die guten Hafteigenschaften dieser Werkstoffe zusätzlich genutzt werden, um eine Funktionsintegration zu optimieren. So fungiert der Werkstoff nicht nur als Gehäuse, welches im Schichtaufbau additiv erstellt wird, sondern auch als Klebstoff, um Komponenten mit dem Gehäuse adhäsiv oder kohäsiv zu verbinden. So können in einem Prozess Gehäuseaufbau mit form- und stoffschlüssiger Verbindung einer Komponente realisiert werden.
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Eine Kombination elektrischer und mechanischer Funktionalitäten erfolgt bisher in der Regel aufgrund mehrerer unabhängiger Prozesse beziehungsweise Prozessschritte. So können kombinierte elektrische und mechanische Schnittstellen beispielsweise durch Leiterplattendirektverbinder, welche diskrete Bauteile darstellen, geschaffen werden oder auch durch Flexband- oder Flachbandkabeldirektverbindungen. Des Weiteren sind beispielsweise Steck- oder Klemmverbindungen für Arbeitsspeicher auf Motherboards bekannt. Alles in allem stellen derartige kombinierte elektrische und mechanische Schnittstellen fertigungstechnisch sehr kostenintensiv zu fertigende Schnittstellen dar. Dies stellt für eine Serienfertigung einen unbefriedigenden Zustand dar, so dass hier Abhilfe wünschenswert ist.
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Darstellung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen und einer mechanischen Verbindung während des additiven Aufbaus eines Objekts vorgeschlagen, insbesondere eines aufgebauten Gehäuses, wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:
- a) Herstellung des Objekts durch Aufbau von Einzelschichten in eine Raumrichtung
- b) Positionierung und Montage von unabhängigen Subsystemen in Einspannbereichen des aufgebauten Gehäuses,
- c) Freisparung mindestens eines Kontaktierungskanals in den Einzelschichten bei weiterem Aufbau des Gehäuses in die Raumrichtung nach Durchführung des Verfahrensschritts c) und
- d) Verfüllen des mindestens einen Kontaktierungskanals mit einem leitfähigen Klebstoff oder einem elektrisch leitendem Reaktionsklebstoff.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können in vorteilhafter Weise in einem Arbeitsschritt gleichzeitig ein Fixieren und ein elektrisches Kontaktieren eines unabhängigen Subsystems erfolgen. Dies erfolgt insbesondere mittels eines chemisch verträglichen Materials innerhalb eines Prozessschritts. Es besteht die Möglichkeit, eine Kontaktierung unabhängiger Subsysteme, so z. B. Leiterplattenbatterien, SMD-Elemente, Sensoren und Aktoren mittels eines Prozessschritts zu positionieren, zu montieren und elektrisch zu kontaktieren.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens sind zu den unabhängigen Subsystemen gemäß Verfahrensschritt b) Leiterplattenbatterien, SMD-Elemente, Sensoren und/oder Aktoren oder Energiespeicher beziehungsweise Pufferbatterien zu nennen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden während der Durchführung der Verfahrensschritte a) und d) im aufgebauten Gehäuse additiv hergestellte und gehäuseintegrierte, räumliche Leiterbahnstrukturen hergestellt, die vertikale elektrische Kontaktierungen und/oder horizontale elektrische Kontaktierungen bilden. Diese gehäuseintegrierten, räumlichen Leiterbahnstrukturen aus leitfähigen Materialien beziehungsweise Anteilen leitfähiger Materialien werden durch einen zweiten Dispenserkopf hergestellt; demnach finden zwei Materialien Verwendung, von denen eines die Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens bilden die additiv hergestellten und gehäuseinternen, räumlichen Leiterbahnstrukturen Antennen zum Senden und Empfangen von Information oder Energie und werden mit den gehäuseintern vorgesehenen unabhängigen Subsystemen verbunden. Auch hier werden unterschiedliche Materialien eingesetzt, die über mindestens zwei Dispenserköpfe aufgetragen werden. Eines der eingesetzten Materialen weist eine elektrische Leitfähigkeit auf.
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In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden die additiv hergestellten und gehäuseintegrierten, räumlichen Leiterbahnstrukturen derart ausgebildet, dass diese der Sensierung physikalischer Größen dienen, beispielsweise der Temperatur oder des Feuchtegehalts oder dergleichen.
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Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden die additiv hergestellten und gehäuseintegrierten Leiterbahnstrukturen mit gehäuseextern angeordneten Signalgebern, insbesondere LEDs und/oder gehäuseextern angeordneten Signalempfängern, insbesondere Photodioden oder dergleichen mit den gehäuseintern angeordneten unabhängigen Subsystemen verbunden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens können über die additiv hergestellten und gehäuseintegrierten Leiterbahnstrukturen galvanisch getrennte Messungen vorgenommen werden, wofür mindestens eine Spule zur induktiven Messung von Strömen innerhalb des Gehäuses vorgesehen wird.
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Alternativ kann beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren eine galvanisch getrennte Messung mit kapazitiven Messelementen durch parallel geführte, additiv gefertigte und gehäuseintegrierte Leiterbahnstrukturen erfolgen.
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Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können während das additiv aufgebaute Gehäuse hergestellt wird, d. h. in der Aufbauphase der Einzelschichten in Z-Richtung membranartige Strukturen, insbesondere Lautsprecher und/oder Mikrofone, zwischen den Einzelschichten eingeklemmt und dadurch mit dem additiv hergestellten Gehäuse verbunden werden.
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In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können während des Aufbaus der Einzelschichten im aufgebauten Gehäuse außerhalb des aufgebauten Gehäuses befindliche Strukturen, insbesondere Strömungssensoren, Temperaturfühler und weitere Komponenten, die in einer das aufgebaute Gehäuse umgebenden Strömung Medien messen, vorgehalten werden.
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Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ergibt sich zudem die Möglichkeit, die außerhalb des aufgebauten Gehäuses befindlichen Strukturen über die Einzelschichten des aufgebauten Gehäuses durchdringende Durchkontaktierungen hermetisch nach innen abgedichtet mit den gehäuseintern angeordneten unabhängigen Subsystemen zu verbinden, ohne dass separate Steckverbindungen oder andere Bauteile benötigt würden. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann durch die geschickte Anordnung und Platzierung von Leitklebstoffen oder leitfähigen Reaktionsklebstoffen die elektrische Kontaktierung während des Gehäuseaufbaus beziehungsweise gleichzeitig mit der Positionierung von unabhängigen Subsystemen erreicht werden.
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Darüber hinaus bezieht sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung auf die Verwendung des Verfahrens zur gleichzeitigen Herstellung einer elektrischen und einer mechanischen Verbindung mittels eines additiven Fertigungsverfahrens mit elektrisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Reaktionsklebstoffen oder Klebstoffen.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise ein Verfahren bereitgestellt werden, welches eine Herstellung elektrischer und mechanischer Verbindungen mittels stoff- oder formschlüssiger Verbindungen ermöglicht, wobei ein additives Fertigungsverfahren zum Einsatz kommt. Des Weiteren können elektrisch leitende und nicht leitende Reaktionsklebstoffe Verwendung finden. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, welches die additive Fertigungstechnologie nutzt, gibt es hinsichtlich der herzustellenden Gehäusegeometrien eine hohe Anzahl von Freiheitsgraden.
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In vorteilhafter Weise kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erreicht werden, dass eine gleichzeitige Klemmung und Kontaktierung von unabhängigen Subsystemen mit chemisch zueinander verträglichen Materialien während eines Prozessschrittes erreicht werden kann. Des Weiteren kann in besonders vorteilhafter Weise eine Kontaktierung unabhängiger Subsysteme mit nur einem Prozessschritt ermöglicht werden. Zu den unabhängigen Subsystemen sind beispielsweise Leiterplattenbatterien, SMD-Elemente, Sensoren, Aktoren, diskrete Pufferbatterien, Energy-Harvester, diskrete Bauelemente wie zum Beispiel bedrahtete Kondensatoren oder bedrahtete Spulen zu zählen.
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Durch den Einsatz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können separate Steckverbindungen entfallen. Mechanische Steckerschnittstellen und die dazugehörigen Kabel erzeugen unnötigerweise Kosten im Vergleich zu den obenstehend skizzierten Direktkontaktierungen, die während des Gehäuseaufbaus unmittelbar hergestellt werden können.
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In besonders vorteilhafter Weise können alle Prozessschritte in einen Prozess integriert werden. Dies bedeutet, dass ein Gehäuseaufbau, eine Positionierung beispielsweise einer Leiterplatte, deren Montage sowie deren elektrische Kontaktierung in einem Arbeitsschritt erfolgt, welcher ebenfalls mittels eines additiven Fertigungsverfahrens durchgeführt wird. Gleiches gilt auch für zugehörige Schnittstellen, wie beispielsweise Antennen oder Steckverbindungen.
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Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können elektrische Verbindungen geschaffen werden, ohne dass nachträglich subtraktive Bearbeitungsverfahren und/oder zusätzliche kraftschlüssige Verbindungen, wie beispielsweise Klemmen oder Schrauben, erforderlich werden. Des Weiteren können beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren stoffschlüssige Fügeverfahren, wie beispielsweise Schweißen oder Löten und der damit einhergehende Aufwand eingespart werden.
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In vorteilhafter Weise kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ein hermetisch nach außen abgedichtetes Gehäuse bereitgestellt werden, beispielsweise mit einer Bodenplatte mit Säulen als Stecker oder Pins. Des Weiteren können Energiesammelstrukturen, wie beispielsweise Biegebalken (Harvester), die mit einer oder mehreren Zusatzmassen ausgerüstet sind, eingesetzt werden. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist hervorzuheben, dass die hergestellten Gehäuse nicht nur mechanische, sondern auch elektrische Schnittstellen bieten im Vergleich zu beispielsweise eingepressten Steckern. Dadurch weist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ein erhebliches Kostensenkungspotenzial auf. Des Weiteren besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, innerhalb eines Gehäuses mehrlagige Leiterplatten einzubauen, die mechanisch gelagert und positioniert werden. Dabei können elektrische Leiterplatte-zu-Leiterplatte-Verbindungen gleichzeitig im Gehäuse integriert werden. Des Weiteren kann beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren in besonders vorteilhafter Weise eine Integration von Antennenstrukturen innerhalb des Gehäuses zum Senden und Empfangen von Daten beziehungsweise zum Senden und Empfangen von Energie bei gleichzeitiger Kontaktierung zu den innenliegenden Komponenten, wie beispielsweise Leiterplatten, erreicht werden.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung steht ein breites Spektrum von Ausführungsvarianten zur Verfügung: Die additiv hergestellten und gehäuseintegrierten Leiterplatten stellen beispielsweise Antennen zum Senden und Empfangen von Informationen beziehungsweise Energie dar. So können beispielsweise gehäuseextern angeordnete Signalgeber (LEDs) und/oder gehäuseextern angeordnete Signalempfänger (Photodioden) angeschlossen werden. Die additiv hergestellten Leiterstrukturen werden derart aufgebaut, dass diese von ihrer räumlichen Anordnung her zur Sensierung von physikalischen Größen dienen. Dies ermöglicht eine galvanisch getrennte Messung physikalischer Größen. Dies lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass eine Spule zur induktiven Überwachung von Strömen innerhalb des Gehäuses beziehungsweise an einer Gehäuseschnittstelle platziert wird und das Trafomessprinzip oder Fluxgate-Stromsensoren für AC/DC-Ströme realisiert werden können.
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Alternativ zur Anordnung einer Spule zur induktiven Überwachung von Strömen können auch messkapazitiv messende Messelemente eingesetzt werden, beispielsweise durch parallel zueinander geführte Leiterbahnstrukturen. Des Weiteren kann bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung in vorteilhafter Weise eine Einspannung von balkenartigen Strukturen, wie zum Beispiel biegebalkenbasierten Vibrationsenergie-Harvestern erfolgen, so dass energiesammelnde Strukturen in das Gehäuse integriert werden können, die beispielsweise Vibrationsenergie in elektrischen Strom umwandeln. Schließlich sei darauf hingewiesen, dass membranartige Strukturen, wie zum Beispiel Lautsprecher und Mikrofone mit dem Gehäuse verbunden beziehungsweise in dieses integriert werden können.
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Des Weiteren ist darauf hinzuweisen, dass eine Einklemmung von außerhalb des geschlossenen Gehäuse befindlichen Strukturen, wie zum Beispiel Temperaturfühler oder Strömungssensoren, die in umgebender Strömung oder umgebenden Medien messen, angeschlossen werden können, beispielsweise mittels einer Durchkontaktierung in das Gehäuseinnere.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1.1 - 1.6 den erfindungsgemäßen Prozessablauf zur Einbettung eines Subsystems bei gleichzeitiger Einspannung und elektrischer Kontaktierung,
- 2.1 - 2.3 Varianten einer Einspannung unabhängiger Subsysteme beim aufgebauten Gehäuse,
- 3 die gleichzeitige Durchführung einer mechanischen Klemmung und einer elektrischen Kontaktierung,
- 4 ein additiv hergestelltes Gehäuse mit zwei elektrisch kontaktierten Leiterplatten samt Antenne
- 5 ein additiv hergestelltes Gehäuse mit integrierten Leiterplatten, die über einen Zapfen positioniert werden,
- 6 einen additiv gefertigten Zapfen mit in diesen integrierten Leiterbahnen und
- 7 ein additiv gefertigtes Gehäuse mit integrierten Leiterbahnstrukturen, die zu einem ebenfalls additiv hergestellten Steckverbinder führen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Anhand der Figurensequenz der 1.1 bis 1.6 wird der erfindungsgemäße Prozessablauf näher erläutert. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kommen vorzugsweise das 3D-Dispenser-Verfahren als 3D-Drucktechnologie zum Einsatz.
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Gemäß 1.1 erfolgt der Aufbau eines aufgebauten Objekts 10 aus Einzelschichten 12. Aufbaumaterial wird über einen Dispenserkopf 16 zugeführt und vorzugsweise in Z-Richtung 26 aufgebaut. Der Materialauftrag durch den Dispenserkopf 16 erfolgt schichtweise. Durch eine UV-Strahlungsquelle 14 erfolgt eine jeweilige UV-bedingte Vorvernetzung des Aufbaumaterials der jeweils zuvor erzeugten Einzelschicht 12. 1.2 zeigt, dass auf der Einzelschicht 12, auf der ein unabhängiges Subsystem 18 in Gestalt beispielsweise einer Leiterplatte fixiert wird, eine Nassschicht 24 aus Aufbaumaterial aufgetragen wird. Anschließend wird - vgl. 1.3 - mittels eines nicht näher dargestellten Förderwerkzeugs 22 eben jenes Subsystem 18, hier in Gestalt einer Leiterplatte, auf die einen Einspannbereich 20 definierende Nassschicht 24 aufgebracht. Nach Aufbringen des Subsystems 18 in Gestalt der Leiterplatte wird das Förderwerkzeug 22 entfernt und es erfolgt ein weiterer additiver Schichtaufbau 28. Während dieses weiteren additiven Schichtaufbaus 28 wird in den jeweiligen Einzelschichten 12, die oberhalb des Subsystems 18 in Gestalt einer Leiterplatte liegen, ein im Wesentlichen sich in vertikaler Richtung erstreckender Kontaktierungskanal 30 erzeugt. Das aufgebaute Objekt 10, welches in Z-Richtung 26 wächst, wird nach Erzeugen einer jeweiligen Einzelschicht 12 über die UV-Strahlungsquelle 14 bestrahlt, so dass eine Vorvernetzung 44 des Aufbaumaterials der Einzelschichten 12 erreicht wird.
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Die 1.1 bis 1.5 zeigen, dass der zuvor gefertigte freigesparte Kontaktierungskanal 30 in den übereinanderliegenden Einzelschichten 12 des weiteren additiven Schichtaufbaus 28 mit einer Kanalfüllung 32 versehen wird. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Leitklebstoff 52 oder um Klebstoff oder um elektrisch leitende oder elektrisch nicht leitende Reaktionsklebstoffe und dergleichen handeln.
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Durch das weitere Aufbringen von Einzelschichten 12 im Rahmen des weiteren additiven Schichtaufbaus 28 gemäß 1.5 erfolgt ein stoff- und formschlüssiges Einbinden des Subsystems 18 in Gestalt einer Leiterplatte in das aufgebaute Objekt 10. Ein Weiterdrucken des aufgebauten Objekts 10 führt zur Fertigstellung eines aufgebauten Gehäuses 54.
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Wird für alle drei Funktionalitäten, nämlich Herstellung des Gehäuses, Einklebung des Subsystems 18 und Auffüllen des Leitermaterials, der gleiche Klebstofftyp eingesetzt, kann durch einen Aushärtevorgang 34 eine Gesamtvernetzung erfolgen und es entsteht ein einheitlicher Verbund. Wird beispielsweise der gleiche Klebstofftyp hinsichtlich der chemischen Kompatibilität eingesetzt, beispielsweise ein kationisch polymerisierbares Epoxid, begünstigt dies eine Gesamtvernetzung 34 zum dem in den 1.1 bis 1.6 dargestellten einheitlichen Verbund des aufgebauten Objekts 10 eines aufgebauten Gehäuses 54 mit innerhalb des Einspannbereichs 20 fixiertem, unabhängigem Subsystem 18 - hier in Gestalt einer Leiterplatte.
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Der Figurensequenz der 2.1, 2.2 und 2.3 ist zu entnehmen, dass beispielsweise eine balkenartige Energiesammelstruktur 36 in Gestalt eines Biegebalkens 38 beim Aufbau eines aufgebauten Gehäuses 54 innerhalb des Einspannbereichs 20 durch Vorsehen von Nassschichten 24 stoffschlüssig eingefügt wird. Innerhalb des Einspannbereichs 20 befindet sich ein Vorrat von vorvernetztem Aufbaumaterial 44. Ein Ende der hier als Biegebalken 38 ausgebildeten Energiesammelstruktur 36 ragt in den Einspannbereich 20 hinein. Der Aufbau der vorvernetzten Schichten 46 erfolgt im Wesentlichen in Z-Richtung 26. Senkrecht zu dieser erstreckt sich eine X-Richtung 50.
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2.2 zeigt, dass in dieser Ausführungsvariante der Einspannbereich 20 kleiner ausgeführt ist und im Bereich des Einspannbereichs 20 der Biegebalken 38 in die vorvernetzten Schichten 46 stoffschlüssig eingebunden ist. Die vorvernetzten Schichten 46 des Aufbaumaterials erstrecken sich in Z-Richtung 26 übereinanderliegend; senkrecht zur Z-Richtung 26 verläuft die X-Richtung 50 sowie die Y-Richtung 48.
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2.3 zeigt eine mechanisch besonders günstige Form des Einspannbereichs 20 in Gestalt einer Klebewanne 40, die eine Kerbentlastungsgeometrie 42 aufweist, die im Wesentlichen tropfenförmig gestaltet ist.
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In der Klebewanne 40 ist ein Vorrat vorvernetzten Aufbaumaterials 44 aufgenommen, in das ein Ende der als Biegebalken 38 ausgebildeten Energiesammelstruktur 36 hineinragt. Die Darstellung gemäß 3 zeigt eine erfindungsgemäße Weiterentwicklung des Einspannbereichs 20 wie er aus der vorstehenden 2.2 ersichtlich ist.
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Aus 3 lässt sich entnehmen, dass das aufgebaute Gehäuse 54 umfassend eine Anzahl von Einzelschichten 12 aus Aufbaumaterial in Z-Richtung 26 übereinanderliegend den Kontaktierungskanal 30 als Freisparung aufweist. Innerhalb des Einspannbereichs 20 ist die als Biegebalken 38 ausgebildete Energiesammelstruktur 36 durch eine unter UV-Bestrahlung aushärtbare Nassschicht 24 eingelegt. Auf dessen Oberseite befindet sich ein Vorrat eines Leitklebstoffs 52. Der Leitklebstoff 52 wird über eine Kanalfüllung 32 des Kontaktierungskanals 30 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise einem leitfähigen Reaktionsklebstoff, elektrisch kontaktiert. Durch die Ausführungsvariante gemäß 3 wird zusätzlich zur Ausführungsvariante gemäß 2.2 eine elektrische Kontaktierung der als Biegebalken 38 ausgebildeten Energiesammelstruktur 36 während der Herstellung des aufgebauten Gehäuses 54, die im Wesentlichen in Z-Richtung 26 verläuft, erreicht.
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Der Darstellung gemäß 4 ist eine weitere Ausführungsvariante eines additiv hergestellten Gehäuses mit beispielsweise zwei eingelegten unabhängigen Subsystemen 18 in Form von Leiterplatten 56, 58 zu entnehmen.
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4 zeigt eine Ausführungsvariante eines aufgebauten Gehäuses 54 aus Aufbaumaterial. In das aufgebaute Gehäuse 54 sind die beiden Leiterplatten 56 und 58 beispielhaft als unabhängige Subsysteme 18 eingespannt, d. h. formschlüssig in das Aufbaumaterial eingelassen. Aus der Darstellung gemäß 4 ergibt sich darüber hinaus, dass zudem additiv hergestellte und gehäuseintegrierte, räumliche Leiterbahnstrukturen 70 vorgesehen sind, die beispielsweise eine vertikale elektrische Kontaktierung 64 und/oder eine horizontale elektrische Kontaktierung 66 darstellen. Zudem ist in 4 dargestellt, dass durch das Aufbaumaterial des aufgebauten Gehäuses 54 gemäß 4 eine Antenne 60 verläuft. Über diese können Daten und Energie versandt und empfangen werden. Die gehäuseintegrierten, räumlichen Leiterbahnstrukturen 70 werden über einen zweiten, weiteren Dispenserkopf 16 aufgetragen; dabei wird ein elektrisch leitfähiges Material eingesetzt, sodass aus einem elektrisch leitfähigen Material gedruckte Leiterpfade entstehen, während für den Aufbau des Gehäuses 54 nicht leitendes Träger- und Aufbaumaterial 68 verwendet wird.
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Der Darstellung gemäß 5 ist ein additiv hergestelltes Gehäuse ebenfalls mit integriertem unabhängigem Subsystem 18 in Form von übereinanderliegend angeordneten Leiterplatten 56, 58 zu entnehmen.
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Wie aus der Darstellung gemäß 5 hervorgeht, umfassen die beiden im Wesentlichen horizontal übereinanderliegend montierten Leiterplatten 56, 58, im Abstand 62 voneinander entfernt, jeweils eine erste Aussparung 74 sowie eine zweite Aussparung 76. Durch die Aussparungen 74, 76 der beiden vertikal übereinanderliegend angeordneten unabhängigen Subsysteme 18 - hier Leiterplatten 56, 58 - ragt ein Zapfen 72. Der Zapfen 72 seinerseits kann Leiterbahnstrukturen 82 umfassen, die eine elektrische Kontaktierung ermöglichen. Aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 geht hervor, dass innere elektrische Anschlüsse 78 von äußeren elektrischen Anschlüssen 80 umfasst sind, über welche die beiden Leiterplatten 56, 58 an Ihren Unterseiten 92 beziehungsweise Oberseiten 90 elektrisch miteinander kontaktiert sind. Die einzelnen Kontaktierungsstellen sind durch Bezugszeichen 88, eine Leiterplattenkontaktierung bezeichnend, identifiziert.
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6 zeigt eine weitere Darstellung einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung in Gestalt eines additiv gefertigten Zapfens 72.
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Aus 6 ist entnehmbar, dass der dort dargestellte Zapfen 72 eine Anzahl von zapfen integrierten Leiterbahnstrukturen 82 umfasst, die innerhalb des Materials des Zapfens 72 verlaufen. An der Außenumfangsfläche des Zapfens 72 entsteht somit eine Anzahl von elektrischen Kontaktierungsstellen. Der Zapfen 72 wird aus Aufbaumaterial, beispielsweise einem kationisch polymerisierbaren Epoxid gefertigt, ebenso wie das Aufbaumaterial, aus dem das aufgebaute Gehäuse 54 gefertigt ist. Der Zapfen 72 kann additiv aus einer tragenden, nicht leitenden Struktur und integrierten elektrisch leitfähigen Leitpfaden hergestellt werden.
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Der Darstellung gemäß 7 schließlich ist eine Ausführungsvariante eines weiteren additiv gefertigten aufgebauten Gehäuses 54 zu entnehmen, ebenfalls mit integrierten unabhängigen Subsystemen 18 in Gestalt von Leiterplatten 56, 58.
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Die einzelnen Leiterplatten 56, 58 sind in einem Abstand 62 in Z-Richtung 26 voneinander beabstandet. Eine jeweilige Oberseite der Leiterplatten 56, 58 ist mit Bezugszeichen 90, eine jeweilige Unterseite der Leiterplatten 56, 58 ist mit Bezugszeichen 92 bezeichnet. Über additiv gefertigte und gehäuseintegrierte, räumliche Leiterbahnstrukturen 70 sind die einzelnen Leiterplatten 56, 58 elektrisch kontaktiert (vgl. die Leiterplattenkontaktierungen 88). Diese führen zu einem ebenfalls additiv hergestellten Steckverbinder 84, der seitlich am aufgebauten Gehäuse 54 vorgesehen ist. Der additiv hergestellte Steckverbinder 84 umfasst metallische Kontaktierungen 86, die mit den gehäuseintegrierten räumlichen Leiterbahnstrukturen 70 verbunden sind und damit mit den hier übereinanderliegend angeordneten Leiterplatten 56, 58 in Verbindung stehen.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2078312 B1 [0002]
- US 2018120912 A1 [0003]
- US 2014333011 A1 [0004]
- WO 2019/147700 A1 [0005]
