DE9421278U1 - Kunststoffteile mit elektrisch leitfähigen Strukturen - Google Patents

Description

Poly ID AG
Burggrabenweg 2
CH-8266 Steckborn
Schweiz

Vertreter:

Kohler Schmid + Partner
Patentanwälte
Ruppmannstrasse 27
D-70565 Stuttgart

Kunststoffteile mit elektrisch leitfähicren Strukturen

Die Erfindung betrifft ein Formteil aus einem Ausgangsmaterial mit sehr geringer bzw. verschwindender elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Kunststoff und/oder Polymer, welches zunächst in einer niederviskosen Phase vorliegt, in der magnetische Partikel mit wesentlich höherer elektrischer Leitfähigkeit dem Ausgangsmaterial zugesetzt und darin dispergiert werden, wobei zur Ausrichtung der Partikel ein Magnetfeld angelegt wird, und wobei das Ausgangsmaterial anschließend verfestigt wird.

Ein solches Formteil ist beispielsweise bekannt aus der DE 36 41 828 Al.

Hier wird ein Prepreg mit ausgerichteten, metallisierten Kurzfasern hergestellt. Die Kurzfasern werden mit Hilfe eines Magnetfeldes entsprechend dem Kraftlinienverlauf des Werkstückes ausgerichtet und anschließend mit einem Kunststoff getränkt. Ein derartiges Verfahren ermöglicht allerdings nur eine Ausrichtung der Fasern bezüglich ihrer Orientierung zueinander. Die Möglichkeit, die Fasern in bestimmten Bereichen eines Teiles zu konzentrieren, ist bei diesem Verfahren nicht gegeben.

Ein solches Verfahren wird in der DE-OS 20 48 358 beschrieben. Hier wird für die Herstellung von metallfaserverstärkten Keramikrohren eine Konzentration von Metallfasern im äußeren Wandbereich durch Schleudern erreicht. Dabei wird ein in Wasser dispergiertes Gemisch aus Keramikteilchen und Metallfasern in das Innere einer Schleuderform zylindrischer Gestalt eingebracht. Während der Schleuderbewegung werden die Metallfasern durch ihre gegenüber den Keramikteilchen höhere Dichte außen an der Wandung der Schleuderform abgelagert. Es entsteht ein Rohr, in dessen äußerster Schicht Metallfasern konzentriert vorliegen. Dieses Verfahren erlaubt jedoch keine gezielte Beeinflussung der Faserverteilung. Außerdem können auf diese Weise nur rotationssymmetrische Formteile hergestellt werden. Die Anwendung dieses Verfahrens auf Kunststoffe ist mit einem hohen Aufwand verbunden, da durch die hohe Viskosität und die schnelle Verfestigung des Werkstoffes der Vorgang in sehr kurzer Zeit und mit hohen Rotationsgeschwindigkeiten ablaufen muß.

Ein Verfahren, welches für den Kunststoffbereich besser geeignet ist, wird in der DE 32 3 8 090 Al beschrieben. Nach diesem Verfahren werden Formteile, deren Außenhaut mit einer Abschirmung gegen elektrische bzw. magnetische Felder versehen werden soll, durch zwei verschiedene Schichten hergestellt. Dabei wird im ersten Arbeitsgang die mit elektrisch leitfähigem Material gefüllte Schicht in die Form eingespritzt. Unmittelbar danach wird weiterer Kunststoff in die Form eingespritzt, wodurch die zuerst eingespritzte, elektrisch leitfähige Kunststoffschicht an der Außenwand des Formteiles zum Anliegen kommt. Das Einspritzen der verschiedenen Kunststoffe kann auch in umgekehrter Reihenfolge erfolgen. Auch dieses Verfahren birgt jedoch den Nachteil, daß die Verteilung des elektrisch leitfähigen Materials im Formkörper nicht gezielt beeinflußt werden kann. Außerdem sind zwei verschiedene Materialien zu verarbeiten, was einen zusätzlichen apparativen Aufwand, z.B. in Gestalt von zwei Plastifiziereinheiten bewirkt. Ein zusätzlicher Nachteil dieses Verfahrens liegt in den mechanischen Eigenschaften des so gefertigten Teiles. Zwischen den zwei Kunststoffkomponenten kann sich eine Bindenaht ausbilden, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen kann. Darüber hinaus wird die Orientierung des elektrisch leitenden Füllstoffes durch den Schmelzefluß bestimmt. Eine hiervon unabhängige Beeinflussung der Partikelorientierung ist unmöglich.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Formteil aus Kunststoff- oder Polymer-material mit leitfähigen Strukturen von vorgegebener Anisotropie und definierter räumlicher Verteilung der eingangs genannten Art vorzustellen, das auf möglichst einfache Art und Weise hergestellt werden kann, wobei gegenüber den bekannten Herstellungsverfahren bei

gleichem Füllfaktor zwischen Ausgangsmaterial und leitfähigen Partikeln eine wesentlich erhöhte lokale elektrische Leitfähigkeit der leitfähigen Strukturen erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso verblüffend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, daß das angelegte Magnetfeld eine derartige Feldverteilung aufweist, daß die Partikel bei ihrer Ausrichtung im Magnetfeld in einem oder mehreren vorbestimmten Raumbereichen innerhalb des Teiles konzentriert werden.

Durch die vorbestimmbare, in der Regel inhomogene Feldverteilung des angelegten Magnetfeldes werden vorhersehbare Kräfte auf die ferromagnetischen bzw. paramagnetischen Partikel ausgeübt, so daß diese vor Verfestigung des Ausgangsmaterials in letzterem in genau vorbestimmbare, definierte Raumbereiche bewegt werden können. Da mit bekannten Techniken praktisch beliebige Magnetfeldverteilungen erzeugt werden können, sind auch die räumlichen Bereiche, innerhalb derer die Partikel aufkonzentriert werden, in beliebiger Weise vorgebbar.

Bei einer besonders einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Formteils ist die Feldverteilung des angelegten Magnetfeldes so gewählt, daß die vorbestimmten Raumbereiche schichtförmig sind. Für Kunststoffteile mit leitfähigen Schichten existiert ein breites Anwendungsfeld; beispielsweise können damit elektrisch abschirmende Gehäuse hergestellt werden, die z.B. für den Einbau elektronischer Geräte benötigt werden. Die schichtförmigen Bereiche mit den aufkonzentrierten Partikeln weisen ein zum Umgebungsmaterial deutlich unterschiedliches Wärmedehnungsverhalten auf, welches gezielt zur Modifizierung der Eigenschaften des Teiles

ausgenutzt werden kann. Das gleiche gilt auch für die mechanischen Eigenschaften wie z. B. Festigkeit, Härte, Steifigkeit etc. der Partikel im Verhältnis zum Umgebungsmaterial.

Besonders einfach ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der die schichtförmigen Raumbereiche eben sind. Ein inhomogenes Magnetfeld zur Erzeugung ebener Partikelschichten ist nämlich ohne große Probleme erzeugbar.

Vorteilhaft ist aber auch eine alternative Weiterbildung der obengenannten Ausführungsform, bei der die schichtförmigen Raumbereiche gekrümmten Flächen folgen. Damit können die elektrisch leitfähigen Schichten beispielsweise gekrümmten Außenkonturen des Kunststoffteiles folgen. Die Schichten mit den aufkonzentrierten Partikeln können bei dieser Ausführungsform besonders gut an die Erfordernisse des herzustellenden Kunststoffteiles angepaßt werden, beispielsweise können bestimmte Abschirmungswirkungen erzielt werden.

Bei einer speziellen Weiterbildung der obigen Ausführungsform ist mindestens einer der schichtförmigen Bereiche röhrenförmig, insbesondere liegt er auf einem Zylindermantel. Damit können beispielsweise in das Kunststoffteil eingegossene Leiterdrähte oder Kabelkanäle mit einer im Kunststoffteil integrierten Abschirmung versehen werden. Übrigens kann auch der Leiterdraht selbst durch Erzeugung eines zylinderförmigen Bereiches aufkonzentrierter Partikel von relativ geringem Querschnitt und großer Länge bei dem erfindungsgemäßen Formteil ersetzt werden. Durch entsprechende Modifikation des Magnetfeldes kann der "integrierte Leiterdraht" aus aufkonzentrierten Partikeln beliebig vorgebbaren Bahnen innerhalb des Teiles folgen.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Formteils, bei der mindestens an einer äußeren Oberfläche des Teiles ein schichtförmiger Raumbereich mit aufkonzentrierten Partikeln erzeugt wird. Dadurch wird die Kontaktierung der leitfähigen Struktur, die sich bei Anwendung dieser Verfahrensvariante an der Oberfläche befindet, besonders einfach. Außerdem werden die mechanischen Eigenschaften {Härte usw.) der Oberfläche des zu erzeugenden Teiles wesentlich verbessert.

Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der mindestens ein schichtförmiger Raumbereich mit aufkonzentrierten Partikeln erzeugt wird, der sich im wesentlichen in oberflächenfernen Abschnitten des Teiles erstreckt. Auf diese Weise sind die erzeugten elektrisch leitfähigen Schichten innerhalb des Teiles nach außen hin elektrisch isoliert und zudem vor einem korrosiven Angriff geschützt. Da sich die Partikelschichten im Innern des Teiles befinden, stören sie nicht die ästhetische Gestaltung der Oberfläche des Teiles.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform trifft der schichtförmige Raumbereich unter einem Winkel, vorzugsweise unter etwa 90 auf eine Oberfläche des Teiles auf. Damit werden einfache Kontaktierungsmoglichkexten der leitfähigen Struktur geschaffen.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform werden mindestens zwei schichtförmige Raumbereiche mit aufkonzentrierten Partikeln erzeugt, die sich unter einem stumpfen Winkel, insbesondere unter etwa 90 treffen. Damit würden die Möglichkeiten der Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Strukturen noch weiter vereinfacht, und es ergeben sich variable Anpassungsmöglichkeiten an die

Erfordernisse beispielsweise der elektrischen Abschirmung des zu erzeugenden Teiles.

Bei einer alternativen Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Formteils ist die Feldverteilung des angelegten inhomogenen Magnetfeldes so gewählt, daß mindestens ein Raumbereich mit aufkonzentrierten Partikeln eine volumenmäßige Ausdehnung aufweist. Dies ermöglicht eine gezielte Anpassung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der leitfähigen Strukturen an die Erfordernisse des zu erzeugenden Teiles. Es können damit leitfähige Volumina in genau definierten Raumbereichen des Teiles geschaffen werden, die im nachhinein z.B. durch Eindrehen von Metallschrauben o.a. gezielt "angezapft" werden können.

Bei einer besonders einfachen Ausfuhrungsvariante des erfindungsgemäßen Formteils ist ein statisches Magnetfeld angelegt.

Um die durch das inhomogene Magnetfeld hervorgerufene Bewegung der elektrisch leitfähigen Partikel weiter auszunutzen, kann bei einer bevorzugten Ausführungsform ein magnetisches Wechselfeld entweder für sich angelegt, oder einem bereits angelegten statischen Magnetfeld überlagert sein.

Wenn das magnetische Wechselfeld eine niedrige Frequenz im Bereich von 1 Hz bis 100 Hz aufweist, können in dem zu erzeugenden Teil quasi-kontinuierliche Konzentrationsgradienten der elektrisch leitfähigen Partikel aufgrund ihrer relativ langsamen Bewegung innerhalb des sich von außen nach innen sich verfestigenden Ausgangsmateriales des zu erzeugenden Teiles geschaffen werden, indem die Partikel in den Extremalbereichen ihrer Bewegungsbahnen mit geringerer Wahr-

scheinlichkeit eingefroren werden als auf den inneren Bahnabschnitten.

Bei Anwendung eines hochfrequenten magnetischen Wechselfeldes im Frequenzbereich ä 100 Hz werden die Partikel zu relativ schnellen Schwingungsbewegungen im Umgebungsmaterial angeregt, wodurch die Abkühlgeschwindigkeit des Ausgangsmateriales zumindest lokal aufgrund einer gezielten Aufheizung durch die Reibungswärme infolge der Partikelbewegung definiert gesteuert werden kann.

Besonders bevorzugt ist auch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Formteils, bei der dem Ausgangsmaterial faserförmige ferromagnetische oder paramagnetische Partikel zugesetzt sind. Dadurch wird einerseits eine leichtere Ausbildung erhöhter lokaler elektrischer Leitfähigkeit, andererseits eine mechanische Verstärkungswirkung durch die faserförmigen Partikel sowie eine erhöhte Anisotropie der erzeugten leitfähigen Strukturen erreicht.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der die faserförmigen Partikel verdickte und/ oder abgerundete Enden aufweisen. Bei Verwendung von endseitig abgerundeten Partikeln wird eine erhöhte mechanische Festigkeit des zu erzeugenden Teiles durch die Reduzierung der Kerbwirkung der Faserenden auf das Ausgangsmaterial erreicht. Im Falle der Verwendung endständig verdickter Fasern wird ein Formschluß zwischen den Partikeln und dem Ausgangsmaterial erzielt, was ebenfalls die mechanische Festigkeit des zu erzeugenden Teiles erhöht.

Besonders bevorzugt sind dem Ausgangsmaterial metallisierte oder metallische Partikel zugesetzt. Beispielsweise können

metallisierte Glaskugeln, Glas-, Carbon-, Aramidfasern oder Fasern aus anderen Materialien mit besonders ausgesuchten mechanischen Eigenschaften eingesetzt werden. So ergibt sich zusätzlich die Möglichkeit, durch die Dicke der Metallisierungsschicht die magnetischen Eigenschaften der Partikel zu beeinflussen. Darüberhinaus kann mit einseitig metallisierten Partikeln die Lage bzw. Orientierung der Partikel leicht gesteuert werden. Die Verwendung rein metallischer Partikel führt zu einer besonders guten elektrischen Leitfähigkeit der durch die Aufkonzentration der Partikel erzeugten Strukturen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Formteils ist das Ausgangsmaterial ein langsam aushärtendes. Dadurch bleibt genügend Zeit zur Ausbildung der Bereiche mit aufkonzentrierten Partikeln auch bei Anwendung von relativ schwachen Magnetfeldern. Außerdem werden die Raumbereiche mit den aufkonzentrierten Partikeln gleichmäßiger und definierter ausgebildet.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Wand eines Teiles mit isotrop verteilten Fasern;

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Fig. 2 einen Schnitt durch die Wand eines Teiles mit einseitig an einer Wandaußenseite konzentrierten Fasern;

Fig. 3 eine Versuchseinrichtung zur Herstellung einer Platte mit schachtförmig konzentrierten Partikeln im Ausgangszustand (Fasern isotrop verteilt);

Fig. 4 den Versuchsaufbau zur Herstellung einer Platte mit schichtweise konzentrierten Partikeln in Seitenansicht;

Fig. 5a den Versuchsaufbau zur Herstellung einer Platte mit an der WandauSenseite konzentrierten Partikeln in Draufsicht;

Fig. 5b die Verteilung der magnetischen Feldstärke bei der Versuchsanordnung nach Fig. 5a;

Fig. 6a den Versuchsaufbau zur Herstellung einer Platte mit in der Wandmitte konzentrierten Partikeln in Draufsicht;

Fig. 6b die Verteilung der magnetischen Feldstärke bei der Versuchsanordnung nach Fig. 6a;

Fig. 7 ein Teil mit in der Mitte konzentrierten Fasern und einem herausgeführten "Anschlußstück";

Fig. 8 ein Teil mit an der Außenseite konzentrierten Fasern und an die gegenüberliegende Wandseite geführtem "Anschlußstück" ;

Fig. 9 ein Teil mit einer gezielt deformierten flächigen Schicht; und

Fig. 10 eine Faser mit verdickten Enden.

Die Grundidee der Erfindung basiert auf der Möglichkeit ferro- oder paramagnetische Partikel mit Hilfe eines Magnetfeldes in ihrer Lage zu beeinflußen.

Dabei kann sowohl die Orientierung der Partikel, als auch die Lage der Partikel in einem Bauteil gezielt beeinflußt werden.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Schnitt durch die Wandung eines mit Metallfasern gefüllten Teiles 1, welches auf herkömmliche Art und Weise, z.B. durch Spritzgießen, hergestellt wurde, dargestellt. Die Fasern 2 sind gleichmäßig über den gesamten Querschnitt in der Matrix 3 verteilt und weisen keinerlei Orientierung auf. Wie leicht zu erkennen ist, ist damit die Wahrscheinlichkeit, daß sich die Fasern gegenseitig berühren und so elektrische Leitfähigkeit in dem Teil 1 hergestellt wird sehr gering. In der Praxis muß deshalb mit sehr hohen Anteilen an leitfähigen Materialien gearbeitet werden.

Um dies zu umgehen, wird vorgeschlagen, durch Konzentration der elektrisch leitfähigen Partikel 2 elektrische Leitfähigkeit schon bei sehr geringen Anteilen elektrisch leitfähiger Partikel 2 zu ermöglichen. Fig. 2 zeigt ebenfalls einen Schnitt durch die Wandung eines metallfasergefüllten Teiles 1. Die Metallfasern 4 liegen hier jedoch einseitig schichtförmig an der Wand konzentriert und in Längsrichtung paral-

IeI orientiert vor. An der gegenüberliegenden Wandseite ist der Matrixwerkstoff 3 frei von Metallfasern. Das Bild läßt deutlich die durch die Konzentration der Fasern bedingte dichtere Packung der Fasern und die damit leichtere Ausbildung elektrisch leitfähiger Strukturen im Wandbereich erkennen.

Die gezielte örtliche Anhäufung und Orientierung von Partikeln in einem Werkstoff läßt sich vielfältig nutzen. So können über die Lage der eingebrachten Partikel außer den elektrischen Eigenschaften, die magnetischen, die mechanischen, die optischen sowie die thermischen Eigenschaften gezielt beeinflußt werden.

Fig. 3 zeigt in der Draufsicht eine einfache Vorrichtung zur Herstellung von Platten mit schichtweise konzentrierten und ausgerichteten Partikeln. In eine nicht magnetische Form 5, die als einfaches Plattenwerkzeug dargestellt ist, wird der mit magnetisierbaren Partikeln, hier Fasern 2, gefüllte Matrixwerkstoff 3 in nicht verfestigtem Zustand eingebracht. Die magnetisierbaren Partikel 2 sind im Ausgangszustand in ■ der Matrix 3 willkürlich verteilt. Um ein Entformen der hergestellten Platte zu ermöglichen, ist eine Seite der Form 5 als abnehmbare Platte ausgeführt. Der Matrixwerkstoff 3 kann sowohl als aushärtende Formmasse, als auch als Schmelze verarbeitet werden. In beiden Fällen ist die Viskosität des Ausgangsmateriales für den Ausrichtvorgang mit entscheidend. Je höher die Viskosität des Matrixwerkstoffes 3, um so höher müssen die aufgebrachten magnetischen Kräfte bzw. Momente und damit die magnetische Feldstärke sein und umso längere Zeit nimmt der Ausrichtvorgang in Anspruch. Soll die Lage der magnetisierbaren Partikel 2 in einer Matrix 3 aus geschmolzenem Material beeinflußt werden, so muß die Form 5

heizbar ausgeführt sein, oder die mit Partikeln 2 gefüllte Matrix 3 muß in geschmolzenem Zustand in die Form 5 eingebracht werden. Die magnetisierbaren Partikel 2 werden dann während des Erstarrungsvorganges durch das anliegende Magnetfeld in ihrer Lage wie gewünscht beeinflußt. In diesem Fall muß mit relativ hohen magnetischen Feldstärken gearbeitet werden, damit der Ausrichtvorgang möglichst schnell, vor Verfestigung der Matrix 3 abläuft.

In Fig. 4 ist der Versuchsaufbau zur Herstellung einer einfachen Platte mit schichtweise konzentrierten Partikeln 2 in Seitenansicht dargestellt. Die Form 5 zur Herstellung eines plattenförmigen Teiles wird zwischen die beiden Pole 6 eines Elektromagneten und damit in ein Magnetfeld gebracht. Das Magnetfeld wird mit Hilfe von an den Polen angebrachten Aufsatzstücken 7,9 in der gewünschten Art und Weise geformt und damit ein Gradient in der magnetischen Feldstärke erzeugt. Dieser Feldgradient macht erst eine gezielte Konzentration der Partikel 2 in Schichten möglich.

Die Versuchsanordnung zur Herstellung einer Platte mit einseitig an der Wandaußenseite konzentrierten Partikeln 8 ist in Fig. 5a aufgezeichnet. Die Ansicht zeigt einen Blick von oben auf den Versuchsaufbau. Grundsätzlich entspricht die Anordnung dem in Fig. 4 beschriebenen Aufbau. An die beiden Pole 6 eines Elektromagneten werden Aufsatzstücke 7 angesetzt. Die Form der Aufsatzstücke muß so gewählt sein, daß die magnetische Feldstärke über den Bauteilquerschnitt zu einer Seite hin zunimmt. In das so geformte Magnetfeld wird die in Fig. 3 beschriebene, mit in der Matrix 3 dispergierten, magnetisierbaren Partikeln, hier Fasern 2, gefüllte einfache Form 5 eingebracht. Danach wird ein Magnetfeld angelegt. Die Höhe des angelegten Magnetfeldes hängt haupt-

sächlich von der Viskosität der Matrix 3 und dem Abstand der Magnetpole ab. Durch das Magnetfeld muß eine so hohe Kraft bzw. ein Moment aufgebracht werden, daß sich die Partikel 8 vor dem Erstarren der Matrix 3 an den gewünschten Ort bewegen und entlang der Magnetfeldlinien ausrichten können. Nach Abschluß dieses Vorganges liegen die magnetisierbaren Partikel 8 an einer Seite konzentriert und gleichzeitig parallel zu den Magnetfeldlinien ausgerichtet vor. Ist dieser Zustand erreicht, kann das Magnetfeld erfahrungsgemäß auf etwa die halbe Feldstärke bis zum endgültigen Erstarren der die Partikel 8 umgebenden Matrix 3 reduziert werden. Es ist jedoch darauf zu achten, daß ein durch die Schwerkraft bedingtes Absinken der Partikel 8 verhindert wird.

Fig. 5b verdeutlicht den qualitativen Verlauf der Magnetfeldstärke H 11 bei der Herstellung einer Platte gemäß Fig. 4.

In Fig. 6a ist eine Anordnung zur Herstellung einer Platte mit in der Mitte des Wandquerschnittes schichtförmig konzentrierten Partikeln 10 dargestellt. Prinzipiell erfolgt der Herstellungsprozeß analog der in Fig. 5a beschriebenen Platte. Jedoch sind zur Herstellung von Teilen mit in der Mitte konzentrierten Partikeln 10 anders geformte Aufsatzstücke 9 einzusetzen. Für die hier angestrebte Partikelverteilung muß das Maximum der magnetischen Feldstärke im mittleren Bereich des Plattenquerschnittes liegen.

Der qualitative Verlauf 12 der magnetischen Feldstärke H ist aus Fig. 6b zu entnehmen.

Natürlich sind auch anders gestaltete Anordnungen zur Erzeugung und Formung des magnetischen Feldes einsetzbar. So kön-

nen neben Elektromagneten auch Permanentmagnete, die in oder an der Form 5 angebracht sind, verwendet werden. Dadurch läßt sich der Aufwand zur Herstellung einer Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträchtlich vereinfachen. So ist es sogar möglich, die Magneten direkt in die Form 5 zu integrieren, d.h. der oder die Magneten bilden einen Teil der Form 5 oder die gesamte Form 5.

Um eine einfache Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Schichten 10 nach außen zu gewährleisten, wird in einer Verfahrensvariante durch entsprechende Formung des Magnetfeldes ein "Anschlußstück" 13 gebildet. Fig. 7 zeigt ein solches, durch die Matrix 3 an die Oberfläche gezogenes, "Anschlußstück" 13 in einem Teil 1. Die elektrisch leitfähigen Partikel 10, welche in diesem Beispiel in der Mitte des Teiles 1 schichtförmig konzentriert wurden, werden an einer Stelle, an der die Kontaktierung von außen erfolgen soll, gezielt an die Wandaußenseite gezogen. In dem Bereich in dem die Partikel 13 an der Wandausenseite vorliegen, kann dann die Herstellung des elektrischen Kontaktes entweder direkt an der Oberfläche oder z.B. durch Eindrehen einer Schraube oder &mdash;hnlichem in diesem Bereich erfolgen.

Eine analoge Vorgehensweise liegt bei Teilen 1 mit an der Wandaußenseite konzentrierten Partikeln 8, wie in Fig. 8 gezeigt, nahe. Hier wird ein "Anschlußstück" 14 durch die Matrix 3 von der einen zur gegenüberliegenden Wandseite geführt. Die Kontaktierung erfolgt ebenfalls direkt an der Oberfläche oder durch Einbringen entsprechender Elemente.

Wie Fig. 9 zeigt, läßt das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur die gezielte Anordnung von Partikeln 2, sondern auch die gezielte Deformation von in das Matrixmaterial 3 eingebrach-

ten flächigen Schichten 15, wie beispielsweise Matten, Gitter oder Gewebe aus magnetisierbaren Materialien zu. Analog der Vorgehensweise zur Ausbildung von "Anschlußstücken" 13,14 wird in eine flächige Schicht 15 eine gezielte Deformation 16 eingebracht. Der DeformationsVorgang hat bei entweder insgesamt oder partiell nicht verfestigter Matrix 3 zu erfolgen.

Vorteilhaft ist auch die Überlagerung eines elektrischen Feldes über das magnetische Feld. Das elektrische Feld dient dann beispielsweise der Aufheizung der Partikel und damit indirekt der Aufheizung der Matrix 3, das magnetische Feld der Ausrichtung und/oder Konzentration. Durch das elektrische Feld und die damit verbundene Möglichkeit der Aufheizung kann z.B. die zum Ausrichten der Partikel zur Verfügung stehende Zeit beträchtlich verlängert werden.

Eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften von metallfaserverstärkten Materialien, insbesondere Kunststoffen ist durch den Einsatz von Verstärkungsfasern mit verdickten Enden 18 zu erwarten. In Fig. 10 ist eine solche Faser abgebildet. Bei konventionellen, d.h. zylindrischen Verstärkungsfasern 17 erfolgt die Lastübertragung von dem die Faser umgebenden Matrixwerkstoff 3 auf die Faser 17 durch Schubspannungen in der Faser/Matrix-Grenzfläche. Anders als bei Glasfasern, können aufgrund des chemischen Aufbaus von Metallen bei Metallfasern keine Wechselwirkungsmechanismen zwischen der Faser 17 und einer Kunststoffmatrix 3 entstehen. Diese Wechselwirkungen sind aber eine wichtige Voraussetzung zur optimalen Lastübertragung in faserverstärkten Kunststoffen.

Um eine genügende Lastübertragung zwischen Matrix 3 und Faser 17 auch bei metallfaserverstärkten Materialien zu garantieren, sind hier abweichende Faserformen besser geeignet. Wie beschrieben, scheidet die Lastübertragung durch Schubspannungen aus. Wird jedoch zwischen Matrix 3 und Faser 18 eine formschlüssige Verbindung hergestellt, so können sehr hohe Kräfte übertragen werden. Dieser Formschluß wird durch eine gezielte Verdickung des Faserendes erreicht. Die Verdickung verhindert ein Herausrutschen der Faser 18 aus der Matrix 3. Um Fasern mit verdickten Enden 18 herzustellen, werden die Fasern an deren Enden aufgeheizt, so daß sich, gesteuert durch die Oberflächenspannung des Fasermaterials, am Faserende eine kugelförmige Verdickung bildet.

Ebenso können mit metallisierten Partikeln, vorzugsweise Fasern, die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Dabei wird die gegenüber den meisten Metallen höhere Festigkeit von Glas-, Carbon- oder Aramidfasern genutzt. Auch Partikel aus polymeren Werkstoffen können hier Verwendung finden. Nach dem Beschichten der Faser, z.B. durch Bedampfen mit einem magnetischen Werkstoff können auch Fasern aus einem nicht magnetischen Grundmaterial mit einem Magnetfeld ausgerichtet und/oder aufkonzentriert werden. Vorteilhaft wirkt sich hier die gute Beeinflußbarkeit der magnetischen Eigenschaften der Faser aus. So kann durch Variation der Dicke der magnetischen Schicht die Empfindlichkeit gegenüber dem Magnetfeld gesteuert werden. Darüberhinaus erlaubt partielles Beschichten der Fasern die Ausrichtung der Fasern in beliebiger Orientierung.

Eine weitere Variante des Verfahrens besteht darin, daß zusätzlich zu den magnetischen Partikeln nicht oder weniger magnetische Partikel, die eine Verstärkungs- oder Füllstof-

funktion erfüllen, in die Kunststoffmasse eingebracht werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, das Verfahren auch bei gefüllten Materialien, z.B. bei faserverstärkten Werkstoffen anzuwenden. Die Lage der magnetischen Partikel im Bauteil kann somit unabhängig vom Füll- oder Verstärkungsmaterial beeinflußt werden.

Zur Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens und seiner Varianten eignen sich neben Kunststoffen auch andere nichtmagnetische Materialien, z.B. Aluminium.

Claims (18)

Schutzansprüche

1. Formteil aus einem Ausgangsmaterial mit sehr geringer bzw. verschwindender elektrischer Leitfähigkeit, insbesondere Kunststoff und/oder Polymer, welches zunächst in einer niederviskosen Phase vorliegt, in der magnetische Partikel mit wesentlich höherer elektrischer Leitfähigkeit dem Ausgangsmaterial zugesetzt und darin dispergiert werden, wobei zur Ausrichtung der Partikel ein Magnetfeld angelegt wird, und wobei das Ausgangsmaterial anschließend verfestigt wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß das angelegte Magnetfeld eine derartige Feldverteilung aufweist, daß die Partikel (2, 4, 8, 10, 13, 14, 17, 18) bei ihrer Ausrichtung im Magnetfeld in einem oder mehreren vorbestimmten Raumbereichen innerhalb des Teiles (1) konzentriert werden.

2. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldverteilung des angelegten Magnetfeldes so gewählt ist, daß die vorbestimmten Raumbereiche schachtförmig sind,

3. Formteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldverteilung des angelegten Magnetfeldes so gewählt ist, daß die schichtförmigen Raumbereiche eben sind.

4. Formteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldverteilung des angelegten Magnetfeldes so gewählt ist, daß die schichtförmigen Raumbereiche gekrümmten Flächen folgen.

5. Formteil nach. Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldverteilung des angelegten Magnetfeldes so gewählt ist, daß mindestens einer der schichtförmigen Bereiche röhrenförmig ist, inbesondere auf einem Zylindermantel liegt.

6. Formteil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldverteilung des angelegten Magnetfeldes so gewählt ist, daß mindestens an einer äußeren Oberfläche des Teiles ein schichtförmiger Raumbereich mit aufkonzentrierten Partikeln (2, 4, 8, 10, 13, 14, 17, 18) erzeugt wird.

7. Formteil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldverteilung des angelegten Magnetfeldes so gewählt ist, daß mindestens ein schichtförmiger Raumbereich mit aufkonzentrierten Partikeln (2, 4, 8, 10, 13, 14, 17, 18) erzeugt wird, der sich im wesentlichen in oberflächenfernen Abschnitten des Teiles (1) erstreckt.

8. Formteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldverteilung des angelegten Magnetfeldes so gewählt ist, daß der schichtförmige Raumbereich unter einem Winkel, vorzugsweise unter etwa 90 auf eine Oberfläche des Teiles (1) trifft.

9. Formteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldverteilung des angelegten Magnetfeldes so gewählt ist, daß mindestens zwei schichtförmige Raumbereiche mit aufkonzentrierten Partikeln (2, 4, 8, 10, 13, 14, 17, 18) erzeugt werden, die sich unter einem stumpfen Winkel, insbesondere unter etwa 90 treffen.

10. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldverteilung des angelegten Magnetfeldes so gewählt ist, daß mindestens ein Raumbereich mit aufkonzentrierten Partikeln (2, 4, 8, 10, 13, 14, 17, 18) eine volumenmäßige Ausdehnung aufweist .

11. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein statisches Magnetfeld angelegt wird.

12. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Wechselfeld angelegt wird.

13. Formteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Wechselfeld eine niedrige Frequenz im Bereich von 1 Hz bis 100 Hz aufweist.

14. Formteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Wechselfeld eine Frequenz a 100 Hz aufweist .

15. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangsmaterxal mechanische Verstärkungsmittel, insbesondere faserförmige Partikel (2, 4, 8, 10, 13, 14, 17, 18) enthalten sind.

16. Formteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die faserförmigen Partikel (18) verdickte und/oder abgerundete Enden aufweisen.

17. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangsmaterial metallisierte oder metallische Partikel (2, 4, 8, 10, 13, 14, 17, 18) enthalten sind.

18. Formteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial ein langsam aushärtendes Ausgangsmaterial verwendet wird.