Verfahren zur Herstellung von elektrotechnischen Komponenten mit CNT-Leiterwerkstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrotechnischen Komponenten mit CNT-Leiterwerkstoffen .

Für zahlreiche elektrische Anwendungen kommen anstelle von metallischen Leitern wie z. B. aus Kupfer, Aluminium oder

Silber grundsätzlich auch Materialien aus Kohlenstoffnanoröh- ren (Carbon Nanotubes, CNT) in Frage z B. in Form von Garnen. Bei der Verarbeitung von metallischen Halbzeugen (z.B. Drähten, Litzen) zu elektrotechnischen Produkten kommen typi- scherweise Verarbeitungsmethoden aus der Metallverarbeitung und/oder der Elektrotechnik zum Einsatz.

Bislang werden für elektrotechnische Anwendungen typischerweise Metalle zur Herstellung elektrischer Leiter verwendet. Diese werden über elektrotechnische und metallverarbeitende Verfahren verarbeitet. Aufgrund der Rigidität und begrenzten mechanischen Wechselspielfestigkeit von metallischen Drähten sind typische Verfahren der Textilverarbeitung für metallische Leitermaterialien nicht geeignet.

Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung da ^¬ rin, ein Verfahren zur Herstellung von elektrotechnischen Komponenten mit CNT-Leiterwerkstoffen zu schaffen, welches auf herkömmlichen Prozessen beruht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von elektrotechnischen Komponenten mit CNT- Leiterwerkstoffen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von elektrotechnischen Komponenten mit CNT- Leiterwerkstoffen gelöst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrotechnischen Komponenten mittels einer textilverarbeitenden Technik in Form einer Naht als Leiteranordnung verarbeitet werden.

Erfindungsgemäß werden Kohlenstoffnanomaterialien als elektrische Leiter verwendet. Diese werden durch Methoden der Textilverarbeitung wie z.B. Nähen verarbeitet. Da makroskopi ^¬ sche Materialien aus CNTs wie z.B. Garne, Bänder, Folien, Filze, etc. eine Mehrzahl an CNTs aufweisen, die durch zwischenmolekulare Kräfte miteinander verbunden sind, haben die ^¬ se Materialien starke Ähnlichkeiten mit Textilprodukten, z. B. Zwirn, Nähgarn, Filz, Stoff, Gestricken. Daher ist es möglich, für elektrische Leiter aus CNT-Materialien die Methoden der Textilverarbeitung zu verwenden. Außerdem ist es möglich, CNT-Materialien und andere Materialien wie z.B. Baumwollfasern, Aramidfasern, Nylon, zu einem gemischten textilen Werkstoff, Halbzeug oder Produkt zu verarbeiten.

Ein neuer, erfindungsgemäßer Verarbeitungsprozess kann darin bestehen, dass die Leiterbahnen auf einen elektrisch isolierenden Trägerstoff aufgenäht werden. Dabei wird mindestens ein CNT-Garn mittels eines Nähverfahrens fest auf dem Träger ^¬ stoff fixiert. Mit einem kleinen Abstand kann eine weitere Leiterbahn aufgenäht werden. Durch die Fixierung auf dem Trägerstoff ist das Einhalten eines Isolierabstandes sicherge ^¬ stellt und das CNT-Material selbst muss nicht isoliert wer ^¬ den. Der konkreten Anwendung entsprechend können verschiedene Muster oder Feinheiten gewählt werden. Außerdem ist es durch eine gezielte Nahtführung möglich, eine komplexe Leiteranordnung mit einfachen Herstellungsmethoden zu erzielen. So kann beispielsweise durch eine spiralförmige Nahtführung eine Spule erzeugt werden. Durch Aufnähen einer geraden Naht kann beispielsweise ein Kabel realisiert werden. Bei mehradrigen Datenkabeln können mehrere Adern nebeneinander aufgenäht werden .

Ein weiterer neuer, erfindungsgemäßer Verarbeitungsprozess kann darin bestehen, dass die aufgenähten Spulen auf den elektrisch isolierenden Trägerstoffen in Form von einzelnen Lagen gestapelt werden, wobei zwischen den Lagen elektrische Isolatoren positioniert werden und das Stapeln der Lagen derart erfolgt, dass sich die Magnetfelder der einzelnen Spulen verstärken .

Es ist zudem auch denkbar, dass die Spulen auf einem Zylinder konzentrisch und elektrisch in Reihe gelegt auf einem isolierenden Trägerstoff aufbracht werden und durch eine isolieren ^¬ de Schicht vor einem elektrischen Kurzschluss geschützt wer ^¬ den .

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die elektrotechnischen Komponenten in Form von Leiterbahnen auf einen elektrisch isolierenden Trägerstoff aufgebracht werden.

In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemä- ßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die elektrotechni- sehen Komponenten voneinander beabstandet auf den elektrisch isolierenden Trägerstoff aufgebrächt werden, in der Art, dass die elektrischen Komponenten in Form von CNT-Garnen ohne Isolierung verwendet werden können in einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass durch Anwendung einer textilverarbeitenden Technik unterschiedliche Muster als elektrotechnische Komponenten in Form von Stichen auf den elektrisch isolierenden Trägerstoff aufgenäht werden können,

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass ein Muster in Form einer Naht auf den elektrisch isolierenden Trägerstoff ausgebildet ist, welche gerade oder/und zickzack- förmig verläuft .

In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass ein Muster in Form einer Spule zum Aufbau einer Spulengeometrie auf den elek ^¬ trisch isolierenden Trägerstoff aufgenäht wird.

In einer speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die aufgenähten Spulen auf den elektrisch isolierenden Trägerstoffen in Form von einzelnen Lagen gestapelt werden, wobei zwischen den Lagen elektrische Isolatoren positioniert werden und das Stapeln der Lagen derart erfolgt, dass sich die Magnetfelder der einzelnen Spulen verstärken.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die Spulen auf einem Zylinder konzentrisch und elektrisch in Reihe gelegt auf einem isolierenden Trägerstoff aufgebracht wer ^¬ den und durch eine isolierende Schicht vor einem elektrischen Kurzschluss geschützt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von elektro ^¬ technischen Komponenten mit CNT-Leiterwerkstoffen geht davon aus, dass die elektrotechnischen Komponenten mittels einer textilverarbeitenden Technik in Form einer Nahtführung als Leiteranordnung verarbeitet werden. Dabei ist die elektro ^¬ technische Komponente, vorzugsweise als Leiter ausgebildet, welcher auf einen isolierenden Trägerstoff aufgenäht wird. Die so hergestellte Naht kann dabei beispielsweise gerade, zackenförmig oder in Form einer Spirale auf den Trägerstoff aufgebracht werden. Die elektrotechnische Komponente ist als CNT-Garn ausgebildet. Werden mehrere elektrische Leiter auf einen isolierenden Trägerstoff aufgenäht, muss zwischen den einzelnen Nähten ein Isolierabstand eingehalten werden. Ein weiterer Herstellungsprozess kann darin bestehen, dass die aufgenähten Spulen auf den elektrisch isolierenden Trägerstoffen in Form von einzelnen Lagen gestapelt werden, wobei zwischen den Lagen elektrische Isolatoren positioniert werden und das Stapeln der Lagen derart erfolgt, dass sich die Mag ^¬ netfelder der einzelnen Spulen verstärken. Außerdem ist es auch denkbar, dass die Spulen auf einem Zylinder konzentrisch und elektrisch in Reihe gelegt auf einem isolierenden Trägerstoff aufgebracht werden und durch eine isolierende Schicht vor einem elektrischen Kurzschluss geschützt werden.

Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Draufsicht erfindungsgemäße elektrotechnische Komponenten, welche mittels einer textil- verarbeitenden Technik in Form von Nähten zu einer Leiteranordnung verarbeitet werden;

Fig. 2 in einer schematischen Draufsicht erfindungsgemäße elektrotechnische Komponenten, welche mittels einer textil- verarbeitenden Technik in Form einer Spule zu einer Leiteranordnung verarbeitet werden;

Fig. 3 in einer schematischen Draufsicht nebeneinander angeordnete Lagen mit aufgenähten Spulen auf einen isolierenden Trägerstoff sowie eine isolierende Zwischenlage;

Fig. 4 in einer schematischen Darstellung die gestapelten Lagen nach Fig. 3;

Fig. 5 in einer perspektivischen Darstellung auf einen Zylinder aufgewickelte, konzentrisch und elektrisch in Reihe gelegte Spulen auf einem isolierenden Trägerstoff, welche durch eine isolierende Schicht voreinander elektrisch getrennt sind . Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße elektrotechnische Kompo ^¬ nente 1, welche mittels einer textilverarbeitenden Technik in Form von Nähten 2 zu einer Leiteranordnung verarbeitet wer- den. Dabei ist die elektrotechnische Komponente 1, vorzugs ^¬ weise als Leiter ausgebildet, welcher auf einen isolierenden Trägerstoff 3 aufgenäht wird. Die Nähte 2 können dabei bei ^¬ spielsweise gerade oder zackenförmig ausgebildet. Die elek ^¬ trotechnische Komponente 1 ist als CNT-Garn ausgebildet. Wer ^¬ den mehrere elektrische Leiter auf einen isolierenden Trägerstoff 3 aufgenäht, muss zwischen den einzelnen Nähten 2 ein Isolierabstand 4 eingehalten werden.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen elektrotechnischen Komponente 1 dargestellt, welche mittels einer textilverarbeitenden Technik in Form einer Spule 5 zu einer Leiteranordnung verarbeitet wird. Die Spule 5 ist als elektrischer Leiter aus einem CNT-Garn auf den isolierenden Trägerstoff 3 ausgebildet.

Fig. 3 zeigt nebeneinander angeordnete Lagen 6 mit aufgenähten Spulen 5 auf einen isolierenden Trägerstoff 3, wobei eine isolierende Zwischenlage 7 zwischen den Lagen 6 mit aufgenäh ^¬ ten Spulen 5 angeordnet ist. Die Lagen 6 und die isolierenden Zwischenlagen 7 werden vorzugsweise alternierend gestapelt. Vorzugsweise in der Mitte der Lagen 6 bzw. der Zwischenlagen 7 ist eine vorzugsweise konzentrische Ausnehmung 8 angeord ^¬ net . Fig. 4 zeigt die alternierend gestapelten Lagen 6 bzw. Zwischenlagen 7 nach Fig. 3. Die einzelnen Lagen 6 bzw. Zwischenlage 7 weisen dabei jeweils vorzugsweise mittig angeord ^¬ nete und konzentrisch ausgeformte Ausnehmungen 8 auf, um die einzelnen Lagen 6 bzw. Zwischenlagen 7 geordnet auf einem Stapelelement 9 anordnen zu können.

In Fig. 5 sind auf einen Zylinder 10 aufgewickelte, konzentrisch und elektrisch in Reihe gelegte Spulen 5 auf einem isolierenden Trägerstoff 3 dargestellt, welche durch eine isolierende Schicht 11 voreinander elektrisch getrennt sind. Im Inneren des Zylinders 10 ist ein Eisenkern 12 angeordnet. Auf dem Zylinder 10 kann eine Mehrzahl an Wicklungen 13 mit einer Mehrzahl an konzentrischen Spulen 5 positioniert sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von elektro ^¬ technischen Komponenten mit CNT-Leiterwerkstoffen zeichnet sich dadurch aus, dass Herstellungsprozesse der Textilver- arbeitung zur Produktion elektrotechnischer Komponenten verwendet werden. Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, durch die Kombination der so gefertig ^¬ ten elektrotechnischen Komponenten mit Verbundwerkstoffen eine elektrische Isolation einfach zu realisieren. Die benötig- ten Isolationsabstände für die elektrotechnischen Komponenten können ohne Zusatzaufwand durch Beabstandung der leitenden Nähte sichergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Herstell ^¬ verfahren bieten eine hohe Flexibilität und viele Designfrei ^¬ heiten. So können beispielsweise durch einfaches Umprogram- mieren einer Nähmaschine unterschiedliche Bauteile gefertigt werden. Zudem ermöglicht die hohe Flexibilität in der Pro ^¬ zessführung eine kostengünstige Herstellung von Kleinserien oder Einzelstücken. Außerdem werden keine zusätzlichen, speziell konfigurierten Maschinen benötigt, d.h., es ist mög- lieh, auf bereits bewährte und verfügbare Maschinen, eventu ^¬ ell mit kleinen Anpassungen zurückzugreifen. Ebenso sind erforderliche Reparaturen auf einfache Art und Weise möglich.

Bezugszeichenliste

1 Elektrotechnische Komponente

2 Naht

3 Isolierender Trägerstoff

4 Isolierabstand

5 Spule

6 Lage

7 Isolierende Zwischenlage 8 Ausnehmung

9 Stapelelement

10 Zylinder

11 Isolierende Schicht

12 Eisenkern

13 Wicklungen