Title:
Strangförmiges Element sowie Verfahren zur Herstellung eines strangförmigen Elements
Kind Code:
B3


Abstract:

Das strangförmige Element, welches als eine elektrische Leitung ausgebildet ist, weist einen Kern sowie einen diesen umgebenden Mantel auf, welcher von einer leitfähigen Struktur umgeben ist. Die leitfähige Struktur ist mit Hilfe eines Laser-Direkt-Strukturierungs-Verfahren auf den Mantel aufgebracht und bildet eine Schirmlage. Durch diese Maßnahme lassen sich Leitungen mit sehr geringen Durchmessern prozesssicher und effektiv mit einer leitfähigen Struktur, insbesondere Schirmung versehen. embedded image




Inventors:
Ernst, Christian (91781, Weißenburg, DE)
Goß, Sebastian (91154, Roth, DE)
Application Number:
DE102017201634A
Publication Date:
06/14/2018
Filing Date:
02/01/2017
Assignee:
LEONI Kabel GmbH, 90402 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102014206558A1N/A2015-10-08
DE102011050895A1N/A2011-12-22
DE10317433A1N/A2004-08-05



Foreign References:
201402325032014-08-21
201700683412017-03-09
Attorney, Agent or Firm:
FDST Patentanwälte Freier Dörr Stammler Tschirwitz Partnerschaft mbB, 90411, Nürnberg, DE
Claims:
Strangförmiges Element, das sich in einer Längsrichtung erstreckt und als eine elektrische Leitung ausgebildet ist und hierzu einen Kern und einen diesen umgebenden Mantel aufweist, welcher von einer leitfähigen Struktur umgeben ist, wobei die leitfähige Struktur mit Hilfe eines Laser Direct Structuring-Verfahrens auf den Mantel aufgebracht ist und eine Schirmlage bildet und hierzu der Mantel aus einem Kunststoffmaterial besteht, welches Additive aufweist, wobei im Bereich der leitfähigen Struktur die Additive durch eine Laserbehandlung aktiviert sind und auf die aktivierten Bereiche eine Metallschicht aufgebracht ist.

Strangförmiges Element nach Anspruch 1, bei dem die leitfähige Struktur vollflächig auf den Mantel aufgebracht ist.

Strangförmiges Element nach Anspruch 1, bei dem die leitfähige Struktur den Mantel nicht vollständig überdeckt und strukturiert aufgebracht ist.

Strangförmiges Element nach Anspruch 3, bei der die leitfähige Struktur als ein netzförmiges, spiralförmiges, punktförmiges oder mäanderförmiges Muster auf den Mantel aufgebracht ist.

Strangförmiges Element nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem die leitfähige Struktur mehrere Bahnen aufweist.

Strangförmiges Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die leitfähige Struktur an einer leitfähigen Lage angrenzt.

Strangförmiges Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Mantel einen maximalen Durchmesser von kleiner 5 mm aufweist.

Strangförmiges Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die leitfähige Struktur eine Dicke im Bereich von zumindest 20 µm aufweist.

Strangförmiges Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem auf die leitfähige Struktur eine zusätzliche metallische Veredelungsschicht aufgebracht ist.

Verfahren zur Herstellung eines strangförmigen Elements, das sich in einer Längsrichtung erstreckt und als eine elektrische Leitung ausgebildet ist und hierzu einen Kern und einen diesen umgebenden Mantel aufweist, welcher von einer leitfähigen Struktur umgeben ist, wobei die leitfähige Struktur mit Hilfe eines Laser Direct Structuring-Verfahrens auf den Mantel aufgebracht wird und eine Schirmlage bildet, wobei in einem ersten Schritt eine Oberfläche des Mantels mittels zumindest eines Lasers behandelt wird und in einem zweiten Schritt eine Metallschicht aufgebracht wird.

Verfahren nach Anspruch 10, bei dem mehrere Laser verwendet werden, die den gesamten Umfang des strangförmigen Elements überdecken.

Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, bei dem die leitfähige Struktur in einem in-Line Prozess während der Fertigung des strangförmigen Elements aufgebracht wird und hierzu nach einem Extrusionsschritt zur Ausbildung des Mantels eine Laserbehandlung und anschließend das Aufbringen der Metallschicht erfolgt.

Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das strangförmige Element zur Aufbringung der metallischen Schicht kontinuierlich durch ein Bad mit einer vorgegebenen Verweildauer im Bad geführt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Metallschicht in einem zweistufigen Abscheideverfahren aufgebracht wird, wobei in einer zweiten Stufe ein galvanisches Abscheiden erfolgt.

Description:

Die Erfindung betrifft ein strangförmiges Element, welches sich in einer Längsrichtung erstreckt und einen Kern sowie einen diesen umgebenden Mantel aufweist, welcher von einer leitfähigen Struktur umgeben ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen strangförmigen Elements.

Unter strangförmiges Element werden allgemein sich in Längsrichtung erstreckende Gebilde mit vorzugsweise kreisrundem Querschnitt verstanden. Das strangförmige Element weist dabei insbesondere einen Durchmesser im Bereich von einstelligen Millimetern bis zweistelligen Zentimetern auf, ohne hierauf beschränkt zu sein.

Aus der DE 10 2011 050 895 A1 ist ein als ein stabförmiges Plastikteil ausgebildet es strangförmiges Element zu entnehmen.

In der US 2017 / 0 068 341 A1 ist ein Stift beschrieben, der zu einer Eingabe auf einem elektrischen Gerät dient.

Der US 2014 / 0 232 503 A1 ist eine insbesondere mechanisch flexible elektrische Spulenanordnung und ein Verfahren zu deren Fertigung zu entnehmen.

Die DE 10 2014 206 558 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Molded Interconnect Devices Schaltungsträgers (MID-Schaltungsträger) sowie einen MID-Schaltungsträger, der ein Substrat aufweist. Auf mindestens einem Oberflächenbereich des Substrates sind metallische Leiterbahnen ausgebildet.

Aus der DE 103 17 433 A1 ist ein Datenkabel mit einem Grundkörper zu entnehmen, der einen zentralen Signalkontakt aufweist, der von einer dielektrischen Materialschicht sowie einer Abschirmung umgeben ist.

Bei dem strangförmigen Element handelt es sich vorzugsweise um ein biegeflexibles Element, wie beispielsweise ein Schlauch. Alternativ ist das Element steif und als ein Rohr ausgebildet. Bei einer Ausgestaltung als Rohr oder Schlauch ist der Kern vorzugsweise durch einen Hohlraum gebildet.

Insbesondere handelt es sich bei dem strangförmigen Element jedoch um eine elektrische Leitung.

Zur Schirmung von elektrischen Leitungen sind grundsätzlich unterschiedliche Schirmvarianten bekannt. Neben Geflecht - oder Seilschirmen aus einer Vielzahl von einzelnen Schirmdrähten werden speziell bei Datenleitungen häufig Folienschirme eingesetzt, bei denen die Folie entweder längsgefaltet oder auch gewickelt angebracht ist. Bei der Schirmung handelt es sich allgemein um eine leitfähige Struktur.

Für viele Anwendungen speziell in der Kraftfahrzeugeindustrie werden Leitungen mit geringem Außendurchmesser gewünscht, beispielsweise für Versorgungsleitungen, über die nur geringe Ströme übertragen werden müssen und speziell auch für Datenleitungen. Letztere benötigen jedoch weiterhin häufig eine Schirmung, um die gewünschten Übertragungseigenschaften zu erreichen, speziell bei hochfrequenten Datenübertragungen. Aufgrund des sehr geringen Außendurchmessers besteht hierbei jedoch ein Problem beim Aufbringen der Schirmlagen. So sind sowohl die Schichtdicke als auch die Streifenbreite der aufzubringenden Schirmfolie produktionstechnisch limitiert. Eine zu dünne Folie wäre mechanisch instabil, sodass diese nicht mehr prozesssicher aufgebracht werden kann. Im Hinblick auf die Breite der Folie weisen aktuell schmälste Folien eine Breite von 6 mm auf, über die der Außendurchmesser nach unten begrenzt ist. Dies führt typischerweise zu einem minimalen Außendurchmesser des Mantels, auf den die Schirmung aufgebracht ist, von etwa 2 mm.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung der Aufgabe zugrunde, eine Leitung mit geringem Außendurchmesser, mit einer leitfähigen Struktur anzugeben, die prozesstechnisch einfach aufzubringen ist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein strangförmiges Element sowie durch ein Verfahren zur Herstellung und eines solchen strangförmigen Elements. Das strangförmige Element erstreckt sich in einer Längsrichtung und weist einen Kern und einen diesen umgebenden Mantel auf, welcher von einer leitfähigen Struktur umgeben ist, wobei die leitfähige Struktur mit Hilfe eines Laser Direct Structuring-Verfahrens auf den Mantel aufgebracht ist und hierzu der Mantel aus einem Kunststoffmaterial besteht, welches Additive aufweist, wobei im Bereich der leitfähigen Struktur die Additive durch eine Laserbehandlung aktiviert sind und auf die aktivierten Bereiche eine Metallschicht aufgebracht ist.

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines strangförmigen Elements, wird in einem ersten Schritt eine Oberfläche des Mantels mittels zumindest eines Lasers behandelt und in einem zweiten Schritt wird eine Metallschicht aufgebracht.

Die im Hinblick auf das strangförmige Element nachfolgend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren und umgekehrt zu übertragen.

Das strangförmige Element ist vorliegend als eine elektrische Leitung ausgebildet und die leitfähige Struktur bildet eine den Mantel und damit den Kern umgebende Schirmung aus. Der Kern weist allgemein ein oder mehrere Übertragungselemente auf, beispielsweise optische und/oder elektrische Übertragungselemente entweder zur Stromübertragung oder zur Datenübertragung. Nachfolgend werden die Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - insbesondere im Zusammenhang mit der Leitung näher erläutert. Bei dem Kern handelt es sich im einfachsten Fall um einen Leiter, beispielsweise einen Leiterdraht oder auch um einen Litzenleiter. Kern und Mantel bilden in dieser einfachsten Ausgestaltung eine Ader, d.h. es handelt sich um eine einadrige geschirmte Leitung oder um ein Koaxialkabel. Alternativ besteht der Kern aus mehreren einzelnen Adern oder Teilleitungen, die von einem gemeinsamen Mantel umgeben sind, auf den dann die leitfähige Struktur zur Ausbildung einer Schirmlage aufgebracht ist. Vorzugsweise ist die leitfähige Struktur noch von einem Außenmantel umgeben.

Durch das hier beschriebene Verfahren lassen sich auch bei derartigen Elementen in einfacher Weise leitfähige Strukturen an der Außenseite des Mantels erzeugen. Allgemein können diese Strukturen - neben der Verwendung als Schirmung - in verschiedenster Weise genutzt werden. Beispielsweise wird die leitfähige Struktur als Heizelement (elektrische Widerstandsheizung) zur Erwärmung insbesondere des Elements selbst oder auch allgemein als Leiterbahnen z.B. für eine Daten-übermittlung oder auch für eine Stromversorgung genutzt. Durch eine geeignete Strukturierung der leitfähigen Struktur können zudem auch elektrische Bauteile auf dem Mantel, wie z.B. eine Spule, Kondensator, Antenne etc. ausgebildet werden.

Erfindungsgemäß ist allgemein vorgesehen, dass die leitfähige Struktur, speziell die Schirmlage mit Hilfe des sogenannten LDS-Verfahrens (Laser Direct Structuring) unmittelbar auf den Mantel aufgebracht ist. Der Mantel besteht hierzu aus einem Kunststoffmaterial, welches Additive aufweist. Bei diesen handelt es sich um metallische, insbesondere metallorganische Additive. Im Bereich der leitfähigen Struktur sind diese Additive an einer Oberfläche des Mantels durch eine Laserbehandlung freigelegt und aktiviert. Durch die Laserbehandlung hat insbesondere auch ein gewisser Materialabtrag bzw. ein Aufrauen der Oberfläche stattgefunden, sodass sich die laserbehandelten Oberflächenbereiche von denen unterscheiden, die gegebenenfalls nicht laserbehandelt sind. Die beigefügten Additive sind dabei speziell derart ausgebildet, dass sie aufgrund der Laserbehandlung sogenannte metallische Keime ausbilden. Auf diese aktivierten Bereiche der Oberfläche ist schließlich noch eine Metallschicht aufgebracht. Die Oberfläche erfährt daher durch die Laserbehandlung eine Aktivierung infolge der eingebrachten Additive. Auf den aktivierten Oberflächenbereichen ist die Metallschicht abgeschieden. Unter Metallschicht ist hierbei sowohl eine flächige, durchgehende Schicht als auch eine unterbrochene Schicht verstanden, die lediglich durch einzelne ggf. auch nicht miteinander verbundene metallisierte Bereiche gebildet ist. Die Metallschicht ist hierbei insbesondere durch ein chemisches Abscheideverfahren aufgebracht. Alternativ und insbesondere ergänzend wird die Metallschicht durch ein galvanische Abscheideverfahren aufgebracht.

Das LDS-Verfahren ist grundsätzlich bekannt und wird beispielsweise zur Erzeugung von Leiterbahnen auf komplexen 3D-Bauteilen eingesetzt.

Herstellungstechnisch wird hierbei derart vorgegangen, dass mittels zumindest eines Lasers die Oberfläche des Mantels bestrahlt wird, wodurch eine Freilegung und Aktivierung der Additive erfolgt. Anschließend wird die metallische Schicht aufgebracht. Dies erfolgt speziell in einem Metallisierungsbad durch insbesondere chemisches Abscheiden, durch das die Leitung hindurchgeführt wird. Bei dem Metallisierungsverfahren handelt es sich dabei vorzugsweise um ein stromloses Verfahren. Als Metallschicht wird dabei vorzugsweise eine Kupfer-Schicht abgeschieden. Grundsätzlich lassen sich jedoch auch andere Metalle auftragen.

Kunststoffmaterialien mit geeigneten Additiven für ein derartiges LDS-Verfahren sind grundsätzlich kommerziell erhältlich. Durch das LDS-Verfahren wird mittels eines speziellen chemischen Abscheideverfahrens also eine Metallisierung auf den Mantel derart aufgebracht, dass hierdurch eine effektive leitfähige Struktur ausgebildet wird. Durch diese Maßnahme werden eine Vielzahl von Vorteilen im Vergleich zu herkömmlichen Schirmungen erreicht:

  • - Aufgrund der feinen, mit einem Laser erzeugbaren Strukturen lässt sich dieses Verfahren insbesondere auch bei Leitungen mit nur geringen Außendurchmessern anwenden. Eine Miniaturisierung der Leitung ist daher nicht durch die Schirmung begrenzt.
  • - Aufgrund des unmittelbaren Aufbringens durch das Abscheiden sind zudem auch extrem dünne Schichtdicken für die leitfähige Struktur ermöglicht, ohne dass Defekte in der leitfähige Struktur und damit der Schirmung zu befürchten sind. Insgesamt ist dadurch eine Metalleinsparung erzielt. Bevorzugt werden beispielsweise lediglich wenige Atomlagen aufgebracht. Die Schichtdicke ist in einfacher Weise vorzugsweise über die Verweilzeit beim Metallisieren im Metallisierungsbad einzustellen.
  • - Weiterhin sind durch das Laser-Strukturieren beliebige Geometrien für die Ausbildung der leitfähigen Struktur ermöglicht, sodass die leitfähige Struktur für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert ausgebildet werden kann. Durch diese hohe Flexibilität für die Strukturierung aufgrund von unterschiedlichen Einstellmöglichkeiten beim Laser in Kombination mit der variablen Schichtdicke lassen sich daher in einfacher Weise unterschiedlichste Strukturen mit unterschiedlichen Schichtdicken ausbilden. Beispielsweise lassen sich vollflächige, insbesondere extrem dünne (Schirm-) Lagen ausbilden oder auch einzelne diskrete (Schirm-) Bahnen, die beispielsweise eine Wendel, ein Kreuzgeflecht oder eine Spirale ausbilden.

Gemäß einer ersten Ausführungsvariante ist die leitfähige Struktur vollflächig auf den Mantel aufgebracht und umgibt diesen in Umfangsrichtung auch vollständig. Die leitfähige Struktur bildet daher eine geschlossene, den Mantel vollständig umgebende Hülle.

Bei Leitungen, die im Einsatz Biegewechsel-Beanspruchungen unterliegen, besteht - speziell bei derartigen vollflächigen Lagen - die Gefahr, dass diese im Laufe der Zeit Schaden nehmen und beispielsweise Knickstellen oder auch Mikrorisse ausbilden. Gemäß einer zweiten bevorzugten Variante überdeckt die leitfähige Struktur den Mantel daher nicht vollständig und ist vielmehr strukturiert aufgebracht und bildet ein vorgegebenes Muster aus. Die leitfähige Struktur ist dabei wahlweise als ein netzförmiges, spiralförmiges, punktförmiges oder auch mäanderförmiges Muster auf den Mantel aufgebracht. Im Falle eines spiralförmigen Musters umläuft zumindest ein strangförmiger metallisierter Bereich, nachfolgend auch als (Schirm-)Bahn bezeichnet, den Mantel nach Art einer Wendel. Grundsätzlich können auch mehrere nebeneinander angeordnete Bahnen die leitfähige Struktur ausbilden. Alternativ ist ein mäanderförmiger Verlauf vorgesehen.

Um die leitfähige Struktur vollständig umlaufend um den Mantel auszubilden, sind beim Herstellungsverfahren vorzugsweise zumindest zwei Laser und beispielsweise exakt drei Laser vorgesehen, die gemeinsam den gesamten Umfang des Mantels zur Aktivierung der Additive überdecken, d. h. ein jeweiliger Laser weist eine Strahlweite auf und ist derart positioniert, dass die Laser mit ihren Strahlweiten den gesamten Umfang überdecken.

Alternativ zu dieser Ausführungsvariante rotiert entweder der zumindest und vorzugsweise der genau eine Laser bzw. die Leitung um ihre Längsachse. Bevorzugt rotiert der Laser, es wird also vorzugsweise ein Rotationslaser eingesetzt.

Sofern eine strukturierte Schirmlage (leitfähige Struktur) mit einer beispielsweise spiralförmig umlaufenden durchgehenden Schirmbahn mithilfe von mehreren Lasern aufgebracht werden soll, so ist eine hochgenaue Fortführung des Bahnmusters des ersten Lasers durch den zweiten Laser erforderlich. Aufgrund der sehr feinen Strukturen ist dies häufig prozesstechnisch nicht zuverlässig umzusetzen. Beispielsweise führen bereits geringe Vibrationen der Leitung dazu, dass ein Versatz zwischen zwei Teilstücken der jeweiligen Schirmbahn im Übergabebereich von einem zum anderen Laser auftritt, sodass keine elektrisch durchgehend leitende Verbindung vorliegen würde.

Um dies zu vermeiden ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass die leitfähige Struktur mehrere (Schirm-) Bahnen aufweist, wobei eine jeweilige Bahn jeweils von einem Laser ausgebildet ist. Die Bahnen berühren sich dabei vorzugsweise nicht. Alternativ kontaktieren sie sich wechselseitig. Die Bahnen verlaufen weiterhin beispielsweise mäanderförmig, zick-zack-förmig etc. jeweils nur über einen Teilumfangsbereich des Mantels. Die Teilumfangsbereiche, die von einem jeweiligen Laser überstrichen werden, überdecken sich dabei vorzugsweise teilweise, sodass - in einer Projektion in Längsrichtung der Leitung betrachtet - die Bahnen sich überlappen.

Zur Verbesserung der Schirmwirkung ist zweckdienlicherweise weiterhin vorgesehen, dass die leitfähige Struktur an einer weiteren leitfähigen Lage angrenzt. Diese kann - je nach Anwendungsfall - durch eine herkömmliche Schirmung, beispielsweise eine Schirmfolie oder auch ein Schirmgeflecht gebildet sein.

Zweckdienlicherweise handelt es sich bei der leitfähigen Lage jedoch um einen leitfähigen Kunststoffmantel. Diese Ausführungsvariante mit der leitfähigen Lage ist speziell für derartige Schirmlagen vorgesehen, bei denen die leitfähige Struktur keine durchgehende Metallschicht aufweist sondern lediglich ein strukturiertes Muster aufweist. Speziell wird dies bei einem - beispielsweise punktförmigen-Muster verwendet, bei dem die einzelnen metallisierten Bereiche der leitfähigen Struktur nicht miteinander verbunden sind. Dadurch werden durch die weitere leitfähige Lage quasi die einzelnen nicht verbundenen Teilmuster der leitfähigen Struktur elektrisch leitend verbunden.

Zweckdienlicherweise handelt es sich bei dem leitfähigen Kunststoffmantel um den Mantel selbst. Neben den Additiven weist dieser daher zweckdienlicherweise ergänzend noch zusätzliche leitfähige Partikel auf, die zu einer - zumindest gewissen - Leitfähigkeit des Kunststoffes führen. Alternativ kann das verwendete Material auch eine intrinsische Leitfähigkeit aufweisen.

Alternativ zu der Ausgestaltung des Mantels als leitfähiger Kunststoffmantel ist auf die leitfähige Struktur ein zusätzlicher Mantel als leitfähiger Kunststoffmantel aufgebracht, sodass also die leitfähige Struktur zwischen dem Mantel und dem leitfähigen Kunststoffmantel eingebettet ist. Der leitfähige Kunststoffmantel ist beispielsweise auf die leitfähige Struktur aufextrudiert.

Die Leitfähigkeit der leitfähigen Lage, speziell in der Ausbildung als leitfähiger Kunststoffmantel, liegt dabei vorzugsweise deutlich unter der Leitfähigkeit von Metall, beispielsweise von Kupfer (beispielsweise um eine zumindest um den Faktor 100 geringere Leitfähigkeit).

Wie eingangs erwähnt, bietet sich diese mit Hilfe des LDS-Verfahrens ausgebildete -leitfähige Struktur bei Leitungen mit nur geringem Außendurchmesser an. Zweckdienlicherweise weist der Mantel daher auch einen maximalen Durchmesser von < 5 mm und insbesondere von < 2 mm oder kleiner 1,5 mm auf. Grundsätzlich lassen sich jedoch auch größere Leitungen mit einem derartigen Verfahren mit einer leitfähige Struktur versehen.

Weiterhin liegt die Dicke der leitfähigen Struktur im Bereich größer 20 µm, insbesondere größer 50 µm oder größer 80 µm. Die Dicke liegt weiterhin in einem Bereich von vorzugsweise bis 300 µm, bis 200 µm oder bis 100 µm. Bei derartigen Dicken ist eine ausreichende Schirmwirkung gegeben.

Zweckdienlicherweise ist ergänzend auf der leitfähigen Struktur eine zusätzliche metallische Veredelungsschicht aufgebracht. Diese weist vorzugsweise ebenfalls eine vergleichbare Dicke beispielsweise im Bereich von 50 µm bis 200 µm. Die leitfähige Struktur kann daher als eine Grundschicht angesehen werden, auf der eine zusätzliche Deckschicht angebracht ist. Diese Deck- oder Veredelungsschicht ist speziell eine Zinn-Schicht. Grundsätzlich kann es sich hierbei aber auch um andere Schichten, beispielsweise aus Silber, Gold, etc. handeln. Zur Herstellung dieser weiteren zumindest einen Veredelungsschicht ist herstellungstechnisch pro zusätzliche Veredelungsschicht ein zusätzliches Metallbad angeordnet, durch die die Leitung hindurchgeführt wird. Es können daher insgesamt auch mehrschichtige Schirmungen ausgebildet werden. Die Veredelungsschicht wird vorzugsweise galvanisch aufgebracht.

Als Beschichtungsmaterialien für die Grundschicht und insbesondere für die Veredelungsschicht werden allgemein in Abhängigkeit der gewünschten Anforderungen neben Kupfer auch Zinn, Silber, Palladium oder Gold verwendet.

Herstellungstechnisch wird im Hinblick auf eine möglichst effiziente Herstellung die leitfähige Struktur zweckdienlicherweise in einem in-line-Prozess während der Fertigung der Leitung aufgebracht. Die leitfähige Struktur wird hierzu insbesondere unmittelbar nach einem Extrusionsschritt zur Ausbildung des Mantels aufgebracht. Unter unmittelbar wird hierbei verstanden, dass zumindest keine Zwischenlagerung der vorgefertigten Leitung mit dem Mantel erfolgt. Üblicherweise ist nach der Extrusion noch eine Kühlstrecke vorgesehen, beispielsweise ein Kühlbad oder auch eine Reinigungsstrecke, beispielsweise ein Reinigungsbad. Danach erfolgt zunächst in einem ersten Schritt des LDS-Verfahrens die Laserbehandlung und anschließend das Aufbringen der metallischen Schicht. Die Leitung wird daher kontinuierlich durch die unterschiedlichen Arbeitsstationen - Extrusion des Mantels - Laserbehandlung - Metallisierungsbad - geführt, insbesondere gezogen und anschließend als End- oder Zwischenprodukt quasi als Endlosware auf eine Spule aufgerollt.

Grundsätzlich ist die Aufbringung der leitfähigen Struktur jedoch auch in einem Offline-Prozess möglich. In diesem Fall wird die als Zwischenprodukt vorgefertigte Leitung mit dem Mantel zweckdienlicherweise ebenfalls kontinuierlich der Laserbehandlung unterzogen und anschließend durch das Metallisierungsbad geführt, bevor die dann mit der leitfähige Struktur versehene Leitung wieder auf eine Spule aufgerollt wird. Im Metallisierungsbad erfolgt dabei typischerweise ein stromloses, chemisches Abscheiden des Metalls auf dem Mantel.

Allgemein wird die Leitung zum Aufbringen der metallischen Schicht daher kontinuierlich durch ein Bad mit einer vorgegebenen Verweildauer im Bad geführt. Die Verweildauer ist dabei abhängig von der gewünschten Prozessgeschwindigkeit, einer gewünschten Materialdicke sowie der Abscheidungsrate im Bad. Allgemein wird eine Prozessgeschwindigkeit eingestellt, die zumindest einer bisherigen Prozessgeschwindigkeit beim Aufbringen eines Geflechtschirms entspricht. Bei einem herkömmlichen Geflechtschirm werden Prozessgeschwindigkeiten im Bereich von 1m bis 10 m pro Minute erreicht.

Bei den stromlosen Metallisierungsbädern beträgt die Abscheidungsrate typischerweise etwa 8 um bis 12 µm pro Stunde, d. h. pro Stunde wird eine Schicht mit dieser Dicke erzeugt. Dies gilt speziell für herkömmliche LDS-Verfahren mit einem additiven Leiterbahnaufbau in stromlosen Kupferbädern.

Um möglichst hohe Prozessgeschwindigkeiten zu erreichen ist in einer bevorzugten Ausgestaltung ein zweistufiges Abscheideverfahren vorgesehen. In einer ersten Stufe erfolgt die zuvor beschriebene stromlose, chemische Abscheidung in einem ersten Metallisierungsbad, und zwar bis eine erste Dicke der aufgebrachten Schicht erreicht ist. In einer zweiten Stufe erfolgt dann eine galvanische Abscheidung bevorzugt in einem zweiten Metallisierungsbad. Dieses ist bevorzugt im in-line Prozess dem ersten Metallbad nachgeordnet. Für die zweite Stufe der galvanischen, elektrochemischen Abscheidung wird die elektrische Leitfähigkeit der zuvor erzeugten leitfähigen Struktur ausgenutzt. Diese bildet eine Elektrode, auf der das Metall abgeschieden wird. Bei einer derartigen elektrochemischen Abscheidung lassen sich höhere Auftragsraten im Vergleich zur stromlosen rein chemischen Abscheidung erreichen. Durch die Kombination der beiden Stufen wird daher die gute Strukturierbarkeit mittels des LDS-Verfahrens mit einer schnellen elektrochemischen Auftragung verbunden.

Die Leitung wird üblicherweise anschließend für den jeweiligen Anwendungsfall noch konfektioniert und hierzu wird häufig zumindest an einem Ende ein Stecker angeschlagen. Die leitfähige Struktur ist im eingebauten Zustand vorzugsweise an einem Masse- oder Grundpotential angeschlossen, beispielsweise an einem entsprechenden Massekontakt des Steckers. Alternativ ist kein elektrischer Anschluss der Schirmung ausgebildet, insbesondere beispielsweise in Kombination mit einer nur schlechten Leitfähigkeit der leitfähige Struktur und / oder der zusätzlichen leitfähigen Lage.

Bei der Leitung handelt es sich vorzugsweise um eine Datenleitung, speziell eine einadrige oder auch eine mehradrige Datenleitung. Sie wird beispielsweise im automotiven Bereich eingesetzt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in jeweils schematisierten Darstellungen:

  • 1 eine Seitenansicht einer Leitung mit einer in einem Teilbereich aufgebrachten Schirmlage,
  • 2 eine ausschnittsweise Querschnittsdarstellung durch einen Mantel der Leitung,
  • 3 eine stark vereinfachte schematisierte Darstellung einer Herstellungsanlage,
  • 4 eine schematisierte Laseranordnung, sowie
  • 5A - 5C verschiedene Ausführungsvarianten für strukturierte Schirmlagen.

In der 1 ist als das bevorzugte Anwendungsbeispiel für ein strangförmiges Element eine elektrische Leitung 2 dargestellt. Diese ist im Ausführungsbeispiel als eine geschirmte einadrige Leitung ausgebildet und weist einen Kern 4 auf, welcher durch einen elektrischen Leiter gebildet ist. Dieser Kern 4 ist von einem Mantel 6 umgeben. Alternativ kann es sich bei dem Kern 4 auch um mehrere Adern handel, die beispielsweise miteinander verseilt sind. Auf dem Mantel 6 ist eine leitfähige Struktur 8 aufgebracht, die eine Schirmlage bildet. Diese ist im Ausführungsbeispiel strukturiert und weist hierzu einzelne Schirmbahnen 10 auf, die spiralförmig um den Mantel 6 herum laufen. Die Leitung 2 erstreckt sich in einer Längsrichtung 9 entlang einer Längsachse 11. Die leitfähige Struktur 8 ist lediglich in einem Teilbereich dargestellt. Sie erstreckt sich üblicherweise jedoch allgemein über die gesamte Länge der Leitung 2. Die Leitung 2 weist vorzugsweise noch einen hier nicht näher dargestellten Außenmantel auf, welcher konzentrisch zur Längsachse 11 ausgebildet ist und beispielsweise unmittelbar auf die leitfähige Struktur 8 aufgebracht ist.

Die leitfähige Struktur 8 ist dabei mittels des sogenannten LDS-Verfahrens aufgebracht. Hierzu ist für den Mantel 6 ein spezielles Kunststoffmaterial verwendet, welches mit Additiven 12 versehen ist, wie dies anhand der 2 stark vereinfacht dargestellt ist. Eine Oberfläche 14 des Mantels 6 wird bei diesem Verfahren mit zumindest einem Laser 16 (vgl. hierzu 4) bestrahlt und behandelt. Hierbei erfolgt eine Aktivierung eines vom Laser 16 bestrahlten Bereichs 18 der Oberfläche 14. In diesem Bereich 18 erfolgt ein gewisser Materialabtrag bzw. eine Aufrauhung, insbesondere eine Freilegung der Additive 12, die infolge der Laserbehandlung zugleich auch aktiviert werden. Durch die Laserbehandlung bilden sich dabei allgemein im Bereich 18 an der dortigen Oberfläche freigelegte, aktivierte Metallkeime 20 aus. Nach der Laserbehandlung wird in diesem aktivierten Bereich 18 eine Metallschicht 22 ausgebildet, welche zumindest eine Schirmbahn 10 bzw. leitfähige Struktur 8 ausbildet. Diese Metallschicht 22 weist dabei eine Dicke D auf, die vorzugsweise im Bereich zwischen 80 µm bis 200 µm liegt. Die Ausbildung zumindest einer Teildicke der Metallschicht 22 erfolgt dabei durch ein chemisches Abscheideverfahren in einem Metallbad 24 (3) in an sich bekannter Weise. Die (Teil-)Dicke lässt sich dabei über die Verweildauer im Metallbad 24 einstellen.

Ergänzend ist im Ausführungsbeispiel der 2 noch eine leitfähige Lage 25 dargestellt, welche auf dem Mantel 6 und insbesondere auf die ausgebildete Metallschicht 22 bzw. leitfähige Struktur 8 aufgebracht ist. Bei dieser leitfähigen Lage 25 handelt es sich insbesondere um einen (halb-) leitfähigen Kunststoffmantel, welcher vorzugsweise auf den mit der leitfähigen Struktur 8 versehenen Mantel 6 aufextrudiert wird.

Das Aufbringen der leitfähigen Struktur 8 erfolgt dabei vorzugsweise in einem in-line-Prozess während der Herstellung der Leitung 2 insgesamt. Dieser in-line-Prozess wird anhand der 3 näher erläutert:

Zunächst wird der Kern 4 von einer ersten Spule 26 abgewickelt und einer Extrusionsanlage 28 zugeführt, mittels derer auf den Kern 4 der Mantel 6 aufextrudiert wird. In einem nachfolgenden Schritt wird die Leitung 2 durch eine Laservorrichtung 30 geführt, in der die Laserstrukturierung der Oberfläche des Mantels 6 folgt. Die Strukturierung wird dabei derart gewählt, dass ein gewünschtes Schirmlagen-Muster durch die Laserbehandlung eingestellt wird. Vor der LaserStrukturierung kann die Leitung 2 noch durch ein Kühl- und/oder Reinigungsbad gezogen werden.

Nachfolgend zu der Laservorrichtung 30 wird die Leitung 2 durch das Metallbad 24 gezogen. Zweckdienlicherweise wird innerhalb dieses Metallbads 24 die Leitung 2 über mehrere Umlenkrollen 32 geführt, sodass die Länge L des im Metallbad 24 befindlichen Bereichs der Leitung 2 ein Mehrfaches der Länge des Metallbads 24 entspricht. Diese Länge L liegt dabei vorzugsweise über 50 m.

Nach dem Aufbringen der Metallschicht 24 und damit der leitfähigen Struktur 8 im Metallbad 24 wird die Leitung 2 beispielsweise wieder auf eine zweite Spule 34 aufgewickelt. Zuvor oder auch danach kann noch die leitfähige Lage 25 und / oder ein hier nicht dargestellter Außenmantel aufextrudiert werden. Die Leitung 2 wird vorzugsweise kontinuierlich und insbesondere mit gleichbleibender Geschwindigkeit, beispielsweise im Bereich von 1 -10 m/s durch die Anlage gezogen.

In bevorzugter Variante erfolgt das Aufbringen der Metallschicht 24 in zwei Stufen. Nach dem Aufbringen einer Teildicke der Metallschicht z.B. von bis 10 µm oder von bis 15 µm in dem stromlosen Metallbad 24 durch ein rein chemisches Abscheideverfahren, wird anschließend die Metallschicht 24 bis zur gewünschten Enddicke von z.B. 100 µm bis 200 µm mittels eines elektrochemischen (galvanischen) Abscheideverfahrens aufgebracht. Hierzu ist beispielsweise ein zusätzliches Metallbad vorgesehen (nicht dargestellt).

In 4 ist eine beispielhafte Anordnung für die Laservorrichtung 30 dargestellt. In dieser Ausführungsvariante sind insgesamt drei Laser 16 vorgesehen, die gleichmäßig um die elektrische Leitung 2 herum verteilt angeordnet sind. Ein jeweiliger Strahlungskegel des jeweiligen Lasers 16 überstreicht dabei einen Umfangsbereich der Leitung 2 derart, dass der vollständige Umfang der Leitung 2 laserbehandelt wird. In diesem Fall ist der laserbehandelte Bereich 18 vorzugsweise vollflächig und vollumfänglich um den Mantel 6 herum geführt und bildet eine geschlossene, zylindrische Hülle. Entsprechend ist auch die später aufgebrachte leitfähige Struktur 8 als eine geschlossenene, zylindrische Hülle ausgebildet.

Wie durch den Pfeil 36 angedeutet, ist in einer Ausführungsvariante eine zumindest Teilrotation der jeweiligen Laser 16 vorgesehen, sodass diese in Umfangsrichtung beispielsweise ein Linienmuster erzeugen. Durch die gleichzeitige Vorwärtsbewegung der Leitung 2 ist dadurch ein beispielsweise zickzackförmiger, wellenlinienförmiger, spiralförmiger oder mäanderförmiger Verlauf der Strukturierung ermöglicht. Alternativ zur Teilrotation der Laser 16 wird lediglich der Laserstrahl bei ortsfestem Laser 16 bewegt, um das gewünschte Muster zu erzeugen. Ein jeweiliger Laserstrahl eines Lasers 16 überdeckt dabei vorzugsweise einen Teilwinkel von zumindest 120°.

Alternativ zu der Variante mit den drei Lasern 16 ist lediglich ein Laser 16 vorgesehen, welcher relativ zu der Leitung 2 vollständig um deren Umfang herum geführt wird. Dies erfolgt wahlweise durch eine Drehung der Leitung 2 um ihre Längsachse 11, vorzugsweise jedoch durch eine Rotation des vorzugsweise einzigen Lasers 16 um die Längsachse 11. Dabei erzeugt der Laser 16 eine durchgehende Spiralbahn.

Insgesamt lassen sich durch die Laservorrichtung 30 unterschiedliche Muster für die leitfähige Struktur 8 erzeugen, wie sie beispielsweise in den 5A, 5B, 5C dargestellt sind. Diese zeigen jeweils eine ausschnittsweise Aufsicht auf die ausgebildete leitfähige Struktur 8.

Bei der Ausführungsvariante der 5A sind jeweils vier voneinander getrennte Schirmbahnen 10 vorzugsweise jeweils durch einen separaten Laser 16 ausgebildet, wobei die einzelnen Schirmbahnen 10 Teilmuster ausbilden, die nicht miteinander verbunden sind. Die durch die einzelnen Laser 16 erzeugten Teilmuster sind vorzugsweise identisch aufgebaut und insbesondere ineinander verschachtelt, greifen daher ineinander ein, vorzugsweise ohne sich zu berühren.

Die leitfähige Struktur 8 gemäß 5B weist mehrere, im Ausführungsbeispiel drei zueinander diskrete Schirmbahnen 10 auf, die kontinuierlich durchlaufend ausgebildet sind und in etwa zick-zack-förmig verlaufen. Sowohl in der Variante gemäß der 5A als auch der 5B überlappen sich daher die Schirmbahnen 10 in Längsrichtung 9 betrachtet.

5C zeigt schließlich noch ein Punktmuster der leitfähigen Struktur 8.

Ergänzend zu den dargestellten Mustern können diese beispielsweise an wiederkehrenden Längenpositionen, beispielsweise alle 10 cm, 20 cm, 50 cm, etc. in einem Teilabschnitt eine vollständig geschlossen umlaufende leitfähige Struktur 8 (ringförmig) ausbilden. Hierdurch können beispielsweise die einzelnen Schirmbahnen 10 z.B. der Variante der 5B miteinander kontaktiert werden.

Insbesondere Ausführungsvarianten, bei denen die leitfähige Struktur 8 durch voneinander getrennte Schirmbahnen 10 oder Metallschichten 22 gebildet werden, wie beispielsweise die Ausführungsvariante der 5C mit den einzelnen, diskreten Schirmlagen-Punkten, werden mit der leitfähigen Lage 25 kombiniert, wie dies im Zusammenhang mit der 2 erörtert wurde.