DE10133292A1

DE10133292A1 - Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen aus Metall und Kunststoff sowie diese Verbundbauteile

Info

Publication number: DE10133292A1
Application number: DE10133292A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Wilhelm
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2003-01-23
Also published as: WO2003006834A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles aus einem Metallbauteil und einer Kunststoffstruktur, bei dem man das Metallbauteil und die Kunststoffstruktur an der zu fügenden Stelle formschlüssig an- oder aufeinander legt, gegebenenfalls arretiert, midnestens ein verformungsfestes Fügewerkzeug an der bzw. den Fügestellen durch das Metallbauteil und durch oder zumindest in die Kunststoffstruktur treibt und dieses durch eine gegenläufige Bewegung wieder aus der gebildeten Vertiefung bzw. Öffnung in dem Verbundbauteil entfernt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles aus einem Metallbauteil und einer Kunststoffstruktur, diese Verbundbauteile und deren Verwendung als Bauteile oder Bauteilekomponenten im Automobil-, Flugzeug- oder Schiffbau oder bei der Herstellung von Möbeln, Haushalts- oder Elektrogeräten.
Verbundformteile aus Metall und Kunststoff sind dem Fachmann bekannt und werden u. a. als so genannte Hybridbauteile im Automobilbau, z. B. in Form von Front-End-Modulen, eingesetzt. Durch die Kombination der Werkstoffe Metall und Kunststoff lassen sich Produkte mit niedrigem Eigengewicht, großer Steifigkeit und hoher Belastbarkeit kostengünstig herstellen. Das Kunststoffformteil kann des weiteren dazu genutzt werden, um bereits zu einem frühen Zeitpunkt im Herstellungsprozess Zusatzfunktionen wie Scharnierteile, Lagerstellen, Kabelklemmen oder Schnapp- und Schraubverbindungen in das Bauteil zu integrieren.
Ein Verfahren zur Herstellung solcher Verbundformteile wird z. B. in der Offenlegungsschrift EP-A 0 370 352 beschrieben, wonach ein dünnes mit Durchlässen versehenes Metallblech in eine schalenförmige Spritzgussform eingelegt und der schmelzeförmige Kunststoff entsprechend angespritzt wird. Dieses Verfahren ist sehr komplex und verschleißanfällig. Es erfordert einen hohen Einsatz in Bezug auf die Werkzeuginstandhaltung. Ein hoher Anteil an Ausschussware lässt sich häufig nicht vermeiden. Außerdem benötigt man für jede neue Modellvariante bzw. -änderung ein neues, zumeist kompliziertes Spritzgusswerkzeug. Eine Serienfertigung ist daher häufig mit unwägbaren Risiken behaftet.
In der noch unveröffentlichten europäischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 00119476.0 werden weitere Metall/Kunststoff-Verbindungstechniken beschrieben. Diese sollen zu einem geringeren Anteil an Produktausschuss führen. Beispielsweise wird das partielle oder vollflächige Verkleben von Metall und Kunststoff in den Kontaktbereichen, das nachträgliche Ausbilden von Kunststoffnieten mittels Aufschmelzens in den Durchbrüchen des Metallblechs, das Verbinden mit Schrauben oder Schnapphaken sowie das Zusammenfügen durch Umbördeln von Laschen am Metallblech oder an den Rändern oder Durchbrüchen der Kunststoffstruktur offenbart. Diese Verbindungstechniken machen jedoch entweder die Verwendung weiterer Materialien, z. B. Klebstoffe oder Schrauben, oder zusätzlicher Verfahrensschritte erforderlich.
Bei einem steigenden Bedarf an hochintegrierten Leichtbauteilen nicht nur in der Automobilindustrie wäre es wünschenswert, auf eine praktikable Verbindungstechnik zurückgreifen zu können, die flexibel gehandhabt werden kann, komplizierte Verbundbauteilgeometrien zulässt und sich ohne weiteres für die Serienproduktion eignet.
Es bestand daher die Aufgabe, ein einfaches und kostengünstiges Fügeverfahren für die Herstellung von Verbundbauteilen aus Metall und Kunststoff zur Verfügung zu stellen, mit dem sich insbesondere auch sehr komplexe Bauteilgeometrien auf einfache Weise großtechnisch wie auch in Kleinserien verwirklichen lassen.
Demgemäß wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles aus mindestens einem Metallbauteil und mindestens einer Kunststoffstruktur gefunden, bei dem man das Metallbauteil und die Kunststoffstruktur an der zu fügenden Stelle formschlüssig an- oder aufeinander legt, gegebenenfalls arretiert, mindestens ein verformungsfestes Fügewerkzeug an der bzw. den Fügestellen durch das Metallbauteil und durch oder zumindest in die Kunststoffstruktur treibt und dieses durch eine gegenläufige Bewegung wieder aus der gebildeten Vertiefung bzw. Öffnung des Verbundbauteils entfernt.
Des weiteren wurden die nach diesem Verfahren hergestellten Verbundbauteile sowie deren Verwendung als Bauteile oder Bauteilekomponenten im Automobil-, Flugzeug- oder Schiffbau oder bei der Herstellung von Möbeln, Haushalts- oder Elektrogeräten gefunden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegen Metallbauteil und Kunststoffstruktur vor dem Fügen zumindest im Bereich der Fügestelle formschlüssig an- oder aufeinander. Der noch nicht zusammengefügte Verbund aus Metallbauteil und Kunststoffstruktur wird vorzugsweise während des Fügevorgangs, beispielsweise mit Hilfe eines Werkzeugs, arretiert, so dass diese Bauteilkomponenten sich beim Fügen nicht gegeneinander verschieben. Zwecks Arretierung kann auf dem Fachmann bekannte Verfahren und Werkzeuge, beispielsweise Pressen, Klammern, Klips oder Spannzangen, zurückgegriffen werden. Metallbauteil und Kunststoffstruktur können vor dem Fügen auch partiell oder vollständig miteinander verklebt sein.
Der Fügevorgang geschieht in der Weise, dass ein verformungsstabiles oder -steifes Fügewerkzeug an der Fügestelle durch die anliegende Fläche des Metallbauteils hindurch in oder, je nach Dicke der Kunststoffstruktur an der Fügestelle oder der Länge des Fügewerkzeugs, durch diese Kunststoffstruktur getrieben wird. Eine form- und kraftschlüssige Verbindung kommt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch zustande, dass die Metallfläche durch das Fügewerkzeug aufgebrochen wird und der sich bildende Metallrand üblicherweise in die unmittelbar anliegende Kunststoffstruktur eindringt, wobei die Wandungen des Fügewerkzeugs den sich bildenden Metallrand an die Kunststoffstruktur anpressen. Durchdringt das Fügewerkzeug auch die Kunststoffstruktur weist die Verbundstruktur an der Fügestelle regelmäßig eine Öfffnung auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kunststoffstruktur zumindest im Bereich der Fügestelle eine oberhalb Raumtemperatur, d. h. oberhalb von etwa 25°C liegende Temperatur auf. Je nach Kunststoffmaterial können auch Temperaturen gewählt werden, die knapp unterhalb der Schmelzetemperatur des zugrunde liegenden Kunststoffmaterials liegen. Selbstverständlich kann auch die gesamte Kunststoffstrukur oder der Verbund aus Metallbauteil und Kunststoffstruktur eine solche erhöhte Temperatur aufweisen. Zur Erwärmung von Kunststoffstruktur und/oder Metallbauteil kann auf gängige Verfahren und Heizgeräte zurückgegriffen werden. Punktuelle bzw. örtlich begrenzte Erwärmungen gelingen z. B. mittels Laserstrahlung oder Ultraschall. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können demgemäß sowohl herkömmliche Kunststoffstrukturen, also solche, die Umgebungstemperatur aufweisen, als auch spritzfrische werkzeugfallende Teile, die eine erhöhte Temperatur aufweisen und daher in der Regel noch relativ weich sind, aber auch nachträglich getemperte Kunststoffstrukturen, d. h. solche, die erst kurz vor dem Fügen auf eine erhöhte Temperatur gebracht worden sind, zu einer form- und kraftschlüssigen Verbindung mit einem Metallbauteil zusammengefügt werden.
Des weiteren kann das Fügewerkzeug beim Fügevorgang über eine oberhalb Raumtemperatur liegende Temperatur verfügen.
Über eine Relativbewegung von Fügewerkzeug und Verbundbauteil kann ersteres wieder aus der Fügestelle entfernt werden, wobei man sich zur Unterstützung der gegenläufigen Bewegung zusätzlich auch eines Abstreifers bedienen kann. Wird beispielsweise das Fügewerkzeug aus der gebildeten Vertiefung zurückgezogen, kann ein günstigerweise im Bereich der Fügestelle positionierter Abstreifer helfen, dass das Verbundbauteil und das gegebenenfalls eingeklemmte Fügewerkzeug sich wieder voneinander trennen lassen.
Der Abstreifer kann z. B. auch in Form eines Zylinders oder in einer sonstigen beliebigen Geometrie das Fügewerkzeug komplett oder teilweise umgeben, wobei das Fügewerkzeug sich in dem Abstreifer auf und ab bewegen kann.
Der Fügevorgang kann sowohl manuell, halbautomatisch oder vollautomatisch durchgeführt werden. Mehrere Fügewerkzeuge können gleichzeitig oder in zeitlicher Abfolge an unterschiedlichen Fügestellen in die Verbundstruktur getrieben werden. Ein oder mehrere Fügewerkzeuge können auch Bestandteil einer Werkzeugmaschine sein, mit der die Fügewerkzeuge in beliebiger Anordnung oder unterschiedlicher zeitlicher Abfolge benutzt werden.
Geeigneter Weise treibt man das Fügewerkzeug senkrecht oder nahezu senkrecht zur Fügefläche in die Verbundstruktur.
Zwei oder mehrere Fügewerkzeuge können des weiteren parallel oder nahezu parallel beim Fügevorgang zur Herstellung eines Verbundbauteils ausgerichtet sein. Bevorzugt sind mindestens zwei Fügewerkzeuge beim Fügevorgang in Bezug auf eine ebene Metallbauteiloberfläche nicht parallel zueinander ausgerichtet.
Der Ein- oder Durchdringvorgang des Fügewerkzeugs und/oder der Vorgang des Trennens von Fügewerkzeug und Verbundbauteil können durch eine Drehbewegung des Fügewerkzeugs um seine Längsachse überlagert sein. Vorteilhafter Weise verlaufen die Drehbewegungen beim Ein- bzw. Durchdringen und Trennen, wenn das Fügewerkzeug über eine Gewindestruktur verfügt, gegensinnig.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine Taumel-, Pendel- oder Kreiselbewegung des Fügewerkzeugs beim Ein- oder Durchdringen der Verbundstruktur, insbesondere jedoch bei bzw. nach Erreichen der maximalen Eindring- bzw. Durchdringtiefe, also bei Aufnahme oder während der gegenläufigen Bewegung. Grundsätzlich sind dieses solche Fügewerkzeugbewegungen, bei denen die Längsachse des Fügewerkzeugs aus ihrer ursprünglichen Fügerichtung gebracht wird. Diese Taumel-, Pendel- oder Kreiselbewegung kann auch noch beim Entfernen des Fügewerkzeugs aus der Vertiefung oder der Öffnung im Verbundbauteil beibehalten werden. Bei der Taumel-, Pendel- oder Kreiselbewegung kann die Längsachse des Fügewerkzeugs beispielsweise die Form eines Zylinders, eines Einfach- oder Doppelkegels oder zweier spitz aufeinander stehender Dreiecke beschreiben. Die vorgenannten Taumel-, Pendel- oder Kreiselbewegungen des Fügewerkzeugs sind geeignet, in einem Arbeitsgang, d. h. zusammen mit dem Fügeprozess einen Hinterschnitt zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere wenn die Kunststoffstruktur durchstoßen wird oder wenn die Kunststoffstruktur konstruktions- oder materialbedingt selber keine tragende Funktion wahrnehmen kann, befinden sich im Bereich der Fügestelle bzw. um diese herum auf der Seite der Kunststoffstruktur ein oder mehrere Auflagepunkte, auch Unterlage oder Trägerstempel genannt, für das Verbundbauteil. Beispielsweise kann die Fügestelle durch eine ringförmige Auflage abgestützt werden. Des weiteren kann die gesamte Kunststoffstruktur auf einer Auflage aufliegen, die beispielsweise nur im Bereich der Fügestellen entsprechende Auslassungen für das durchdringende Fügewerkzeug aufweist.
Wird auch die Kunststoffstruktur an der Fügestelle durchstoßen, kann insbesondere für den Fall, dass die Höhe des gebildeten Metallrandes der Dicke der Kunststoffstruktur an der Fügestelle in etwa entspricht oder größer ist, d. h. das äußere Ende des Metallrandes über die Kunststoffstruktur hinausragt, dieses äußere Ende des Metallrandes in Richtung auf die anstehende Kunststoffstruktur umgebogen werden. Es entsteht ein so genannter Hinterschnitt. Der Winkel des Metallrandes zur Metallfläche im Bereich um die Fügestelle ist in solchen Fällen in der Regel kleiner 90°. Dieser Vorgang kann manuell wie auch automatisiert, günstiger Weise in einem Arbeitsgang mit dem Durchstoßvorgang, vorgenommen werden. Zur Erzeugung solcher Hinterschnitte greift man bevorzugt auf entsprechend geformte Werkzeuge, z. B. Stempel, Hammer oder Presswerkzeuge zurück, die von der Seite der Kunststoffstruktur an das Verbundbauteil herangeführt werden. Des weiteren kann ein Hinterschnitt auch mit einem Werkzeug in der Form eines Fügewerkzeugs, gegebenenfalls sogar mit dem Fügewerkzeug, mit dem die Öffnung herbeigeführt worden ist, z. B. mit einem sich zum Ende hin verjüngenden Dorn, herbeigeführt werden. Dazu wird das Fügewerkzeug von der Seite der Kunststoffstruktur in die vorab erzeugte Öffnung eingeführt und gegebenenfalls in eine Taumel-, Pendel- oder Kreiselbewegung versetzt. Auf diese Weise wird der Metallrand ebenfalls an die Kunststoffstruktur angedrückt.
Hinterschnitte lassen sich im allgemeinen stets dann erzeugen, wenn der Durchmesser des Fügewerkzeugs auf der Höhe der Oberfläche des Metallbauteils bei Erreichen der maximalen Eindring- bzw. Durchdringtiefe mindestens doppelt so groß wie die Dicke des Verbundbauteils an der Fügestelle ist.
Über Hinterschnitte gelingt es, die Steifigkeit und Stabilität der erfindungsgemäßen Verbundbauteile nochmals zu erhöhen.
In einer weiteren Ausführungsform werden zwei oder mehrere Kunststoffstrukturen, die an der Fügestelle aufeinander liegen, in einem Arbeitsgang mit mindestens einem Metallbauteil zusammengefügt, indem man einen Fügewerkzeugdurchmesser wählt, mit dem ein Metallrand erzeugt werden kann, der auch noch in die unterste Kunststoffstruktur eindringt oder diese vorzugsweise durchdringt. Die Kunststoffstrukturen liegen zu diesem Zweck an der Fügestelle spielfrei übereinander, so dass eine kraft- und formschlüssige Verbindung möglich wird.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Fügeverfahren auch mit solchen aus dem Stand der Technik zur Herstellung von Verbundbauteilen kombiniert werden. Beispielsweise kann ein nach dem Stand der Technik, z. B. gemäß EP-A 0 370 352 gefertigtes Verbundbauteil zusätzlich über mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Fügepunkte verstärkt bzw. versteift werden. Oder an ein gemäß EP-A 0 370 352 hergestelltes Verbundbauteil wird ein weiteres Metallbauteil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angefügt.
Das Fügewerkzeug, d. h. das Werkzeug, das das Metallbauteil an der Fügestelle durchstößt, ist vorzugsweise verformungsstabiler oder -steifer als der Verbund aus Metallbauteil und Kunststoffstruktur an der Fügestelle, um nicht nur ein einmaliges Durchstoßen zu ermöglichen, sondern um insbesondere auch für einen Dauereinsatz in Frage zu kommen. Geeignet als Fügewerkzeugmaterialien sind z. B. gehärtete Werkzeugstähle oder Hartmetalle, wie sie beispielsweise in bekannten Stanzwerkzeugen zum Einsatz kommen.
Für den Fügevorgang können Fügewerkzeuge in unterschiedlichster Form eingesetzt werden, solange diese gewährleisten, dass beim Durchstoßen der Metallbauteiloberfläche ein Metallrand gebildet wird. Geeignet sind z. B. Werkzeuge und Fügemaschinen, die zur Blechbearbeitung bzw. Blechumformung verwendet werden.
Die Abmessungen des Fügewerkzeugs können in weiten Bereichen variiert werden, solange eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen Metallbauteil und Kunststoffstruktur zustande kommt. In der Regel empfiehlt es sich, Länge und Durchmesser des Fügewerkzeugs auf die Dicke von Metallbauteil und Kunststoffstruktur an der Fügestelle abzustellen, so dass inbesondere keine Metallteile abgeschlagen oder ausgestanzt werden.
Ist der größte Durchmesser desjenigen Fügewerkzeugabschnitts, der in die Verbundstruktur eindringt oder der sich bei Erreichen der maximalen Eindring- bzw. Durchdringtiefe auf der Höhe der Oberfläche des anstehenden Metallbauteils befindet, in etwa gleich dem oder größer als das Doppelte der Gesamtdicke von Metallbauteil und Kunststoffstruktur an der Fügestelle, ist es vorteilhaft, auch die Kunststoffstruktur vollständig zu durchstoßen und nicht nur in diese mit dem Fügewerkzeug einzudringen, um die Ausbildung eines Hinterschnitts zu ermöglichen.
Bevorzugt sind Metallränder, deren Höhe die Dicke der Kunststoffstruktur an der Verbindungsstelle übertrifft, vorzugsweise um 1 bis 40, insbesondere um 5 bis 25%.
Insbesondere, wenn die Dicke der Kunststoffstruktur gegenüber dem vorgenannten Durchmesser des Fügewerkzeugs ein Vielfaches beträgt, z. B. 4-fach oder mehr, wird dagegen eine dauerhafte und kraftschlüssige Fügung bereits erreicht, ohne dass das Fügewerkzeug die Kunststoffstruktur komplett durchstößt. In diesem Fall wird vorteilhafter Weise ein Fügewerkzeug eingesetzt, das sich zwar zum Durchstoßende hin verjüngt, das jedoch bei maximaler Eindringtiefe im Bereich des gebildeten Metallrandes eine Zylinderform aufweist.
Die Querschnittsflächen des Fügewerkzeugs können insbesondere in dem in die Verbundstruktur eindringenden Bereich im allgemeinen beliebig geformt sein und beispielsweise die Form einer Ellipse, eines Kreises, Dreiecks, Quadrats, Rechtecks, Vielecks, Sterns oder Trapezes annehmen. Selbstverständlich sind in diesem Bereich auch beliebige Kombinationen an Querschnittsgeometrien möglich. In einer Ausführungsform hat das Fügewerkzeug, insbesondere über den Bereich, der in die Verbundstruktur eindringt, einen kreisrunden oder nahezu kreisrunden Querschnitt. Das Fügewerkzeug verjüngt sich bevorzugt zum Durchstoßende hin. Demgemäß kann das Fügewerkzeug z. B. als Dorn ausgebildet sein.
Vorteilhafter Weise ist das Fügewerkzeug insbesondere in dem Bereich, der in die Verbundstruktur eindringt, in Bezug auf seine Längsachse im wesentlichen geradlinig ausgebildet, wobei dieses selbstverständlich nicht ausschließt, dass der genannte Fügewerkzeugabschnitt im Längsschnitt asymmetrisch geformt sein kann, beispielsweise als ein asymmetrisch geformter Dorn. Das Fügewerkzeug verjüngt sich vorteilhafter Weise zum Durchstoßende hin, entweder in Stufen oder stetig. In einer Ausführungsform läuft das Fügewerkzeug am Durchstoßende spitz bzw. nahezu spitz zu, z. B. wie bei einer Anreißnadel. In einer weiteren Ausführungsform verjüngt sich das Fügewerkzeug zum Durchstoßende hin wesentlich schneller als im vorangehenden Bereich. Beispielsweise können diese unterschiedlichen Segmente durch aufeinanderfolgende, flacher werdende Kegelstümpfe gebildet werden. Derartig geformte Werkzeuge sind im allgemeinen auch als Körner bekannt. Das Fügewerkzeugende kann bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen spitz zulaufen oder vollständig oder teilweise abgeflacht vorliegen.
In einer weiteren Ausführungsform weist der in die Verbundstruktur eindringende Bereich unterschiedliche Querschnittsgeometrien auf. Beispielsweise ist in einer bevorzugten Ausführungsform das Fügewerkzeug in dem Abschnitt, der sich nach vollendetem Durchstoßvorgang auf der Höhe der Metallfläche und der angrenzenden Kunststoffstruktur befindet, zylindrisch ausgebildet, d. h. sich gegenüberliegende Wandelemente des Fügewerkzeugs sind dort im wesentlichen parallel ausgerichtet.
Des weiteren kann das Fügewerkzeugende als spitz zulaufender Dorn ausgestaltet sein und der weitere, ebenfalls in die Verbundstruktur eindringende Bereiche die Form eines Gewindes aufweisen. Selbstverständlich kann auch das gesamte Fügewerkzeug eine Gewindestruktur aufweisen. Verfügt das Fügewerkzeug über einen Gewinde- oder gewindeähnlichen Bereich, empfiehlt es sich, das Fügewerkzeug, zumindest sobald der Gewindebereich sich auf der Höhe der anstehenden Metalloberfläche an der Fügestelle befindet, drehend in die Verbundstruktur einzubringen.
Eine weitere Ausführungsform umfasst ein Fügewerkzeug, das in seinem vorderen Eindring- oder Durchstoßbereich keilförmig ausgebildet ist, beispielsweise in der Form eines Schlitzschraubendrehers. Der Fügewerkzeugkopf kann in diesem Fall sich paarweise gegenüberstehende abgeflachte Seitenflächen z. B. in der Form eines Rechtecks, Quadrats, Trapezes, Kreises oder einer Ellipse aufweisen. Diese Seitenflächen können parallel zueinander ausgerichtet sein oder in einem spitzen Winkel zueinander stehen. Der Abstand zwischen diesen Seitenflächen ist so zu wählen, dass eine Keilform ausgebildet werden kann, die ein Eindringen in das Metallbauteil ermöglicht. An diesen Fügekopfbereich schließt sich üblicherweise ein zylindrisch oder quaderförmig gestalteter Schaftbereich an. In einer Ausführungsform verjüngt sich der Schaft hinter dem Ende des vorbeschriebenen Fügekopfes nicht. In diesen Fall führt man das Fügewerkzeug derart tief in die Durchstoßöffnung oder Vertiefung ein, dass auch der sich an den Kopf anschließende Bereich in die Verbundstruktur eindringt. Im Fall einer Durchstoßöffnung entsteht bereits auf diese Weise in einem Arbeitsgang ein Hinterschnitt.
In einer weiteren Ausführungsform verjüngt sich das Fügewerkzeug hinter dem vorgehend beschriebenen abgeflachten, z. B. keil-, schlitz- oder scheibenförmigen Werkzeugkopf, d. h. im Bereich des Werkzeugschaftes. Demnach ragt der Durchmesser des dem Fügewerkzeugkopf nachfolgenden Schaftes nicht über den maximalen Durchmesser des Kopfes hinaus, sondern ist geringer als dieser. Wird die Verbundstruktur aus Metallbauteil und Kunststoffstruktur mit einem derartigen Werkzeug unter Ausbildung einer Öffnung durchstoßen, führt man das Fügewerkzeug bevorzugt so tief in die Öffnung ein, dass es gedreht werden kann. Anschließende gegenläufige Bewegungen des Fügewerkzeugs, insbesondere bei einer Drehung im Bereich um etwa 90° führen dann unmittelbar zur Ausbildung eines Hinterschnitts. Bevorzugt sind die rückwärtigen Bügel des Fügewerkzeugkopfes nach außen geneigt, bilden also einen stumpfen Winkel mit dem Schaft. Nach Drehung um z. B. 180° oder ein Vielfaches davon kann das Fügewerkzeug dann wieder aus der Durchführung entfernt werden.
In gleicher Weise wie vorgehend für ein schlitzschraubendreherähnliches Fügewerkzeug beschrieben, kann das Fügewerkzeug bzw. der Fügewerkzeugkopf auch im Sinne eines Kreuzschlitzschraubendrehers ausgebildet sein.
Eine weitere Ausführungsform umfasst die Verwendung eines Fügewerkzeugs, das in seinem Eindring- oder Durchstoßbereich der Form einer Schraube, insbesondere einer selbstschneidenden oder gewindeformenden Schraube, z. B. einer Blechschraube entspricht. Bevorzugt sind hierbei solche Fügewerkzeuge mit einem flachen Flankenwinkel. Fügewerkzeuge mit einem schraubenähnlichen Kopf bzw. mit einem Gewinde werden bevorzugt drehend in die Verbundstruktur ein- und gegensinnig drehend wieder aus der Vertiefung oder Öffnung herausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Fügewerkzeug mittig eine Bohrung auf oder ist als Hohlkörper, z. B. als Hohlzylinder, ausgebildet. Der verbleibende Metallrand hat allerdings im Verhältnis zum ausgesparten Innenraum eine Größe bzw. eine Form aufzuweisen, die beim Durchstoßen durch die Metallfläche ein Ausstanzen einer Metallfläche verhindert.
Des weiteren kann ein Fügewerkzeug verwendet werden, das wie bei einer Schere über ein Gelenk verfügt und aus zwei oder mehreren Komponenten gebildet wird und das im zusammengeklappten Zustand einem der vorgehend beschriebenen Fügewerkzeuge entsprechen kann. Bei diesem Fügewerkzeug ist das Gelenk besonders vorteilhaft derart anzubringen, dass es nach dem Eindringen oder Durchstoßen von Metallbauteil und Kunststoffstruktur im Bereich der Vertiefung oder der Durchstoßöffnung, bevorzugt in der unteren Hälfte des Durchstoßes oder der Vertiefung positioniert werden kann. Klappt man die Bauteile des Fügewerkzeugs in dieser Position auseinander, drücken sie den gegebenenfalls überstehenden Metallrand ebenfalls auseinander und erzeugen auf diese Weise eine noch festere und steifere Verbindung, bei einem Durchstoß gegebenenfalls sogar einen Hinterschnitt. Selbstverständlich kann der vorgehend beschriebene Fügevorgang sowie das Fügewerkzeug auch dann wirkungsvoll eingesetzt werden, wenn der gebildete Metallrand dem Durchstoßweg entspricht, d. h. nicht über die Unterseite der Kunststoffstruktur hinausragt, oder kürzer ist als der Durchstoßweg.
Alternativ kann auch auf Fügewerkzeuge in der Form eines gebogenen Dornes oder einer Kralle, die sich vorzugsweise zum Durchstoßende hin verjüngt, zurückgegriffen werden. Diese werden nicht geradlinig, sondern z. B. mittels einer Dreh- oder Schwenkbewegung in die Verbundstruktur eingebracht und mit einer entsprechenden gegenläufigen Bewegung wieder aus dieser entfernt. Auf diese Weise erhält man insbesondere auch bereits bei Ausbildung einer Vertiefung in der Kunststoffstruktur eine Fügebefestigung mit einem partiellen Hinterschnitt.
Solcherart erhaltene Hybridbauteile weisen gegenüber entsprechenden bekannten Konstruktionen bei gleichem Gewicht Vorteile hinsichtlich ihrer Steifigkeit bzw. Festigkeit und insbesondere auch hinsichtlich der Einfachheit in der Herstellung auf.
Das Metallbauteil, auch metallischer Körper oder Metallkörper genannt, kann aus jedwedem Metall oder Legierung gefertigt sein, sofern diese im festen Zustand nach Durchdringung mit einem Fügewerkzeug einen Metallrand liefert, der hart genug ist, um mit der Kunststoffstruktur eine kraft- und formschlüssige Verbindung eingehen zu können. Üblicherweise wird ein Metallbauteil aus unverzinktem oder verzinktem Stahl, Eisen, Aluminium, Titan oder Magnesium verwendet. Das Metallbauteil kann aus Gründen des Korrosionsschutzes oder aus optischen Gründen auch mit einer handelsüblichen Lackschicht überzogen sein. Derartige Korrosionsschutz- oder Farbüberzüge sowie deren Anbringung sind dem Fachmann bekannt.
Es hat unter den Fügebedingungen eine Festigkeit aufzuweisen, die die beim Durchbruch erzeugten Metallränder mit einer ausreichenden Festigkeit und Steifigkeit ausstattet. Die Wanddicke des Metallbauteils an der Fügestelle kann in weiten Bereichen variiert werden, wird jedoch in der Regel so eingestellt, dass das Fügewerkzeug ohne weiteres die Metallwand durchdringen kann. Zudem empfiehlt es sich, die Dicken von Metallbauteil und Kunststoffstruktur an der Fügestelle aufeinander abzustimmen. Geeignete Metallbauteildicken am Ort der Fügestelle liegen im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 cm und bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 2 mm.
Anstelle von durchgängigen, einheitlichen Metallflächen kann das Metallbauteil an der Fügestelle, insbesondere bei sehr dicken oder harten Metallbauteilen, auch bereits vorgelocht oder vorgestanzt sein. Diese Löcher sind jedoch um ein Vielfaches kleiner als der Durchmesser des verwendeten Fügewerkzeugs.
Die Form der Durchbrüche im metallischen Körper werden im wesentlichen von der Querschnittsform des Fügewerkzeugs bestimmt und können z. B. kreisrund oder annähernd kreisrund ausgeführt sein.
Gängige Durchmesser der im metallischen Bauteil erzeugten Durchbrüche liegen üblicherweise im Bereich von 1 bis 50, insbesondere von 2 bis 12 mm.
Als Kunststoffstrukturen kommen spritzgegossene oder tiefgezogene Formteile, einschließlich Folien und Halbzeuge (Tafeln, Rohre, Platten, Stäbe, etc.) in Frage. Die Kunststoffstrukturen sind üblicherweise aus thermoplastischen teilkristallinen oder amorphen Polymeren aufgebaut, können aber auch aus Duroplasten oder Mischungen dieser Polymerklassen gebildet werden.
Als thermoplastische Polymere kommen alle dem Fachmann bekannten Thermoplaste in Betracht. Geeignete thermoplastische Polymere werden beispielsweise im Kunststoff-Taschenbuch, Hrsg. Saechtling, 25. Ausgabe, Hanser-Verlag, München, 1992, insbesondere Kap. 4 sowie darin zitierte Verweise, und im Kunststoff-Handbuch, Hrsg. G. Becker und D. Braun, Bände 1-11, Hanser-Verlag, 1966-1996, beschrieben.
Exemplarisch seien als geeignete Thermoplaste genannt Polyoxyalkylene wie Polyoxymethylen, z. B. Ultraform® (BASF AG), Polycarbonate (PC), Polyester wie Polybutylenterephthalat (PBT), z. B. Ultradur® (BASF AG), oder Polyethylenterephthalat (PET), Polyolefine wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP), Poly(meth)acrylate, z. B. PMMA, Polyamide wie Polyamid-6 oder Polyamid-66, (z. B. Ultramid®; BASF AG), vinylaromatische (Co)polymere wie Polystyrol, syndiotaktisches Polystyrol, schlagzähmodifiziertes Polystyrol wie HIPS, oder ASA- (z. B. Luran® S; BASF AG), ABS- (z. B. Terluran®; BASF AG), SAN- (z. B. Luran®; BASF AG) oder AES-Polymerisate, Polyarylenether wie Polyphenylenether (PPE), Polyphenylensulfide, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyurethane, Polylactide, halogenhaltige Polymerisate, Imidgruppen-haltige Polymere, Celluloseester, Silicon-Polymere und Thermoplastische Elastomere. Es können auch Mischungen unterschiedlicher Thermoplaste als Materialien für die Kunststoffstrukturen eingesetzt werden. Bei diesen Mischungen kann es sich um ein- oder mehrphasige Polymerblends handeln.
Die Kunststoffstrukturen können darüber hinaus übliche Zusatzstoffe und Verarbeitungshilfsmittel enthalten.
Geeignete Zusatzstoffe und Verarbeitungshilfsmittel sind z. B. Gleit- oder Entformungsmittel, Kautschuke, Antioxidantien, Stabilisatoren gegen Lichteinwirkung, Antistatika, Flammschutzmittel oder faser- und pulverförmige Füll- oder Verstärkungsmittel sowie andere Zusatzstoffe oder deren Mischungen.
Als Beispiele für faserförmige bzw. pulverförmige Füll- und Verstärkungsstoffe seien Kohlenstoff- oder Glasfasern in Form von Glasgeweben, Glasmatten oder Glasseidenrovings, Schnittglas sowie Glaskugeln genannt. Besonders bevorzugt sind Glasfasern. Die verwendeten Glasfasern können aus E-, A- oder C-Glas sein und sind vorzugsweise mit einer Schlichte, z. B. auf Epoxyharz-, Silan-, Aminosilan- oder Polyurethanbasis und einem Haftvermittler auf der Basis funktionalisierter Silane ausgerüstet. Die Einarbeitung der Glasfasern kann sowohl in Form von Kurzglasfasern als auch in Form von Endlossträngen (rowings) erfolgen.
Als teilchenförmige Füllstoffe eignen sich z. B. Ruß, Graphit, amorphe Kieselsäure, Whisker, Aluminiumoxidfasern, Magnesiumcarbonat (Kreide), gepulverter Quarz, Glimmer, Mica, Bentonite, Talkum, Feldspat oder insbesondere Calciumsilikate wie Wollastonit und Kaolin.
Des weiteren können die Kunststoffstrukturen auch Farbmittel oder Pigmente enthalten.
Bevorzugt werden die vorgenannten Zusatzstoffe, Verarbeitungshilfsmittel und/oder Farbmittel in einem Extruder oder einer anderen Mischvorrichtung bei Temperaturen von 100 bis 320°C unter Aufschmelzen des thermoplastischen Polymeren vermischt und ausgetragen. Die Verwendung eines Extruders ist besonders bevorzugt, insbesondere eines gleichsinnig drehenden, dicht kämmenden Zweischnecken-Extruders. Verfahren zur Herstellung der Kunststoffformmassen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
Aus den so erhaltenen Formmassen lassen sich Kunststoffstrukturen (auch Halbzeuge) aller Art herstellen, z. B. nach dem Spritzguss- oder Tiefziehverfahren.
An der Kunststoffstruktur, welche mit einem metallischen Bauteil zu einem Hybridbauteil gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden wird, kann des weiteren eine versteifende Verrippung angespritzt werden oder sein.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Kunststoffstruktur mindestens eine domförmige nach oben offene Erhebung auf, deren Grundfläche eine Fügefläche für das Zusammenwirken mit dem durch das Fügewerkzeug gebildeten Metallrand darstellen kann.
In die domförmigen nach oben offenen Erhebungen kann ein Stempel bzw. ein Auflagewerkzeug eingeführt werden, welches am Boden der offenen domförmigen Erhebung die zur Ausbildung einer dauerhaften form- und kraftschlüssigen Verbindung zwischen Kunststoffstruktur und Metallkörper erforderliche Gegenkraft aufbringt, wenn das Fügewerkzeug von der entgegengesetzten Seite zunächst durch das Metallbauteil und dann in oder durch die Kunststoffbodenfläche des Domes getrieben wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform verfügt die Kunststoffstruktur über zwei oder mehrere domförmige nach oben offene Erhebungen, von denen mindestens zwei durch eine versteifende Kunststoffrippe, deren Unterseite auch am Metallbauteil anliegen kann, miteinander verbunden sind. Besonders bevorzugt stellen die domförmigen Erhebungen Kreuzungspunkte rippenförmiger Kunststoffstrukturen dar. Diese Kunststoffstrukturen lassen sich ohne weiteres mittels gängiger Spritzgussverfahren herstellen. Besondere Festigkeiten und Steifigkeiten werden bei Verbundbauteilen erzielt, wenn das oder die Metallbauteile mit jeder oder nahezu jeder Bodenplatte einer domförmigen Erhebung mittels eines Fügewerkzeugsdurchstichs verbunden sind.
Die offenen, domförmigen Erhebungen lassen sich darüber hinaus nicht nur in Kreuzungspunkten einer die Kunststoffstruktur versteifenden Verrippung einsetzen bzw. anspritzen, sondern auch an den versteifenden Rippen zwischen den Kreuzungspunkten, so dass mehrere Fügestellen gebildet werden, an welchen die Kunststoffstruktur und der Metallkörper miteinander form- und kraftschlüssig verbunden werden können. Neben den Domflächen können die Kunststoffstrukturen selbstverständlich auch an weiteren Fügestellen mit dem Metallbauteil auf erfindungsgemäße oder herkömmliche Weise verbunden werden.
Die Kunststoffrippen der die Kunststoffstruktur versteifenden Verrippung weisen bevorzugt an ihrer Oberkante, d. h. in dem Bereich der höchsten Belastungen, eine im wesentlichen senkrecht zu dieser Verrippung angeordnete, flach aufliegende Wandung auf.
Dies reduziert einerseits die Maximal-Spannungen im belasteten Kunststoff und verhindert andererseits ein Beulen bzw. Ausknicken der Verrippung bei Belastung.
Des Weiteren kann die Kunststoffstruktur so ausgebildet sein, dass sie neben den Kunststoffrippen am oberen Ende der Rippen oder Dome eine geschlossene Fläche in der Art eines Deckels aufweist, der nur an den oberen Enden der Dome mit Durchbrüchen bzw. Durchlässen versehen ist. In Kombination mit einem U-förmigen Metallkörper entsteht auf diese Weise ein quasi geschlossenes Hohlprofil. In einer Ausführungsform sind auch die Randbereiche von Deckel und Metallkörper auf erfindungsgemäße oder herkömmliche Art und Weise, z. B. mittels nachträglichem Umspritzens, miteinander verbunden.
Es sind weiterhin Verbundbauteile in Sandwichbauweise herstellbar derart, dass sie aus einer mittig bzw. im Kern angeordneten Kunststoffstruktur und zwei damit verbundenen, außen liegenden, vorzugsweise flach ausgebildeten Metallblechen bestehen. Die als Abstandshalter dienende Kunststoffstruktur weist zur Ausbildung der Fügestellen beispielsweise die vorstehend beschriebenen Dome auf, wobei vorzugsweise der eine Teil der Dome nach oben offen ist und eine Bodenfläche an der unteren Stirnseite besitzt und der andere Teil der Dome im genau entgegengesetzten Sinne ausgebildet ist, d. h. nach unten offen steht und mit oben liegender Bodenfläche versehen ist. Die Metallbleche können sukzessive mittels eines Fügewerkzeugs mit der Kunststoffstruktur verbunden werden. Alternativ kann auch ein Werkzeug zum Einsatz kommen, das über mehrere Fügewerkzeuge auf jeweils gegenüberliegenden Werkzeugseiten verfügt, mit dem die Sandwichstruktur form- und kraftschlüssig in einem Arbeitsgang erhalten wird, wobei auf der Gegenseite jeweils Stempel einfahren und anliegen.
In weiteren Ausführungsformen kann bei den vorgenannten Dome enthaltenden Verbundbauteilen bei deren Herstellung auf die Verwendung von gegenseitig anliegenden Stempeln bzw. auf entsprechende Öffnungen auf jeweils einer Seite des Doms verzichtet werden. In diesen Fällen empfiehlt es sich, die Dicke der Kunststoffstruktur an der Fügestelle nicht zu dünn zu bemessen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1.1, 1.2 und 1.3 einen Metall-Grundkörper (1), eine Kunststoffstruktur (2) und ein Fügewerkzeug (3) im Bereich der Verbindungsstelle vor, während und nach dem Fügen, wobei der Fügewerkzeugradius kleiner als die Dicke des Verbundes aus Metallbauteil und Kunststoffstruktur and der Fügestelle ist,
Fig. 2.1, 2.2 und 2.3 einen Metall-Grundkörper (1), die Kunststoffstruktur (2) und ein Fügewerkzeug (3) im Bereich der Verbindungsstelle vor, während und nach dem Fügen mit form- und kraftschlüssiger Verbindung von Metallbauteil und Kunststoffstruktur, wobei der Fügewerkzeugradius größer als die Dicke des Verbundes aus Metallbauteil und Kunststoffstruktur and der Fügestelle ist,
Fig. 3 Verbundstruktur nach Fig. 2.3, bei der überstehende Metallrandkragen mit einem Stempelwerkzeug (4) in Richtung auf die Unterseite der Kunststoffstruktur gedrückt worden ist,
Fig. 4.1 und 4.2 einen Metall-Grundkörper (1) und die Kunststoffstruktur (2) im Bereich der Verbindungsstelle nach dem Fügen mit form- und kraftschlüssiger Verbindung, wobei der Fügewerkzeugradius im Bereich der Dicke des Verbundes aus Metallbauteil und Kunststoffstruktur an der Fügestelle liegt und wobei der Metallrandkragen mit einem Stempelwerkzeug (4) in Richtung auf die Unterseite der Kunststoffstruktur gedrückt wird,
Fig. 5 ein Verbundbauteil aus einem Metallrundkörper (1) und einer Kunststoffstruktur (2) mit zwei Fügestellen nach dem Fügevorgang, wobei die Fügewerkzeuge (3) in nicht paralleler Ausrichtung geführt worden sind,
Fig. 6 ein Metallbauteil (1) mit einem U-förmigen Profil, das durch die Verbindung mit einer Kunststoffstruktur (2) in Form einer Bodenplatte zu einem Verbundbauteil mit geschlossenem Querschnittsprofil wird. Zur weiteren Stabilisierung weist die Kunststoffplatte Rippen (5) auf. Der Fügevorgang wird sowohl in den überlappenden Randbereichen (6), der Bodenfläche im Bereich der Domauflagen (7) und bei den Seitenwänden (8) vorgenommen.
Aus der Darstellung gemäß Fig. 1.1 geht ein Metallbauteil (1) und eine Kunststoffstruktur (2) im Bereich der Verbindungsstelle vor dem Fügevorgang hervor. Das Fügewerkzeug (3) ist als Teil des Gesamtwerkzeugs vor der eigentlichen Fügeoperation wiedergegeben. Aus der Darstellung gemäß Fig. 1.1 bis 1.3 gehen ferner die wandungsdicke der Kunststoffstruktur zwischen Oberseite und Unterseite an der Fügestelle wie auch der maximale Radius des Bereichs des Fügewerkzeugs, der in die Verbundstruktur eindringt, näher hervor. Die Verbundstruktur liegt auf zwei Trägern (9) auf und ist durch zwei Auflagen (10) arretiert.
Fig. 2.1 bis 2.3 zeigen einen Metall-Grundkörper und die Kunststoffstruktur im Bereich der Verbindungsstelle nach dem Fügen in form- und kraftschlüssiger Verbindung. Das Fügewerkzeug hat in diesem Fall die Kunststoffstruktur vollständig durchdrungen. Ein Metallrandkragen ragt über die Unterseite der Kunststoffstruktur hinaus. Des weiteren zeigt die die Kunststoffstruktur tragende Unterlage im Bereich der Fügestelle eine Auslassung (11) zwischen den Trägern (9), in die die Fügewerkzeugspitze vordringen kann.
Fig. 3 zeigt ein Verbundbauteil nach Fig. 2.3, bei dem mit Hilfe eines Stempelwerkzeugs (4) ein Hinterschnitt erzeugt worden ist. Dadurch, dass der Metallrand über die Unterseite der Kunststoffstruktur hinausragt, kann der überstehende Rand manuell oder automatisiert nach außen umgebogen werden. Durch die verformte Kontur verspannt bzw. verkrallt sich der Metallrand in der Kunststoffwandung, wodurch eine besonders dauerhafte, form- und kraftschlüssige Verbindung entsteht.
Fig. 4.1 und 4.2 zeigen ein Verbundbauteil, bei der der gebildete Metallrandkragen in etwa der Dicke des Verbundbauteils an der Fügestelle entspricht. Mit Hilfe eines dornartigen Stempelwerkzeugs (4) ist der an der Kunststoffstruktur anliegende Metallrand von der Seite der Kunststoffstrukturunterseite geweitet worden. Ein ähnliches Ergebnis lässt sich auch dadurch erzielen, dass man mit dem eigentlichen Fügewerkzeug (3) bei Erreichen der maximalen Durchdringtiefe vor dem Herausziehen eine Kreiselbewegung ausführt, wobei die Längsachse des Fügewerkzeugs in etwa die Form eines Doppelkegels beschreibt.
Fig. 5 zeigt ein Verbundbauteil mit zwei benachbarten Fügestellen, wobei die jeweiligen Fügewerkzeuge nicht senkrecht zur jeweiligen Fügefläche ausgerichtet worden sind und die Fügerichtungen nicht parallel verlaufen. Auf diese Weise erhält man einen besonders form- und kraftschlüssigen Verbund.
Fig. 6 zeigt eine U-förmige Metallstruktur (1), die zusammen mit einer eine Rippenstruktur (5) aufweisenden Kunststoffbodenplatte (2) ein Verbundbauteil bildet. An den Rippenkreuzungspunkten verfügt die Kunststoffstruktur über Dome (7), deren Bodenplatten innenseitig an dem Metallprofil anliegen. Fügestellen sind im Bereich der Dombodenplatten (7), der Randauflagen (6) sowie im Bereich der Metallseitenwände (8), die mit der Rippenstruktur in Kontakt stehen, vorgesehen. Man erhält eine besonders steife und belastbare Verbundstruktur.
Die beschriebenen Verbundbauteile können vielfältig eingesetzt werden, beispielsweise als Bauteile oder Bauteilekomponenten im Automobil-, Flugzeug- oder Schiffbau oder bei der Herstellung von Möbeln, Haushalts- oder Elektrogeräten. Anwendungen im Automobilbau stellen z. B. Frontendmodule, Frontendträger, Sitzschalen, Sitzstrukturen, Instrumententafeln, Türfunktionsträger, Türfunktionsmodule, Heckklappen oder Seitentüren dar.
Die vorgestellten Verbundbauteile haben gegenüber den bekannten Hybridbauteilen den Vorteil, dass die Kunststoffstruktur hier weitgehend frei von Restriktionen gestaltet werden kann, da die Kunststoffstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung in einem separaten Produktionsschritt gefertigt werden kann. In der Folge kann die erfindungsgemäße Kunststoffstruktur belastungsgerechter gestaltet werden als solche aus dem Stand der Technik. Dieser Vorteil drückt sich im erhaltenen Verbundbauteil durch höhere Steifigkeit bzw. Festigkeit bei vergleichbarem Bauteilgewicht aus. Ohne größeren Aufwand können, gegebenenfalls auch manuell oder halbautomatisch, Fügestellen auch an schlecht zugänglichen Bauteilpositionen geschaffen werden. Liegen mehrere Fügestellen in einem Bauteil vor, können die Fügeflächen beliebig zueinander angeordnet sein, ohne dass dadurch die Herstellung des Verbundbauteils erschwert würde oder eine Serienproduktion nicht mehr in Frage käme.
Von Vorteil ist weiterhin, dass sich, da keine zusätzlichen Verarbeitungsschritte, z. B. Klebeschritte, anfallen, kurze Zykluszeiten bei der Serienherstellung verwirklichen lassen. Des Weiteren sind keine zusätzlichen Bauteile oder Komponenten für das Fügen von Kunststoffstruktur und Metallbauteil erforderlich. Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren insgesamt unempfindlicher gegenüber Abweichungen bei der Positionierung von Stanzrand und Kunststoffstruktur. Darüber hinaus können beliebige Kunststoffstrukturen, unabhängig vom Herstellprozess, verwendet werden, wobei auch faserverstärkte Kunststoffe gleichwertig geeignet sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles aus mindestens einem Metallbauteil und mindestens einer Kunststoffstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass man das Metallbauteil und die Kunststoffstruktur an der zu fügenden Stelle formschlüssig an- oder aufeinander legt, gegebenenfalls arretiert, mindestens ein verformungsfestes Fügewerkzeug an der bzw. den Fügestellen durch das Metallbauteil und durch oder zumindest in die Kunststoffstruktur treibt und dieses durch eine gegenläufige Bewegung wieder aus der gebildeten Vertiefung bzw. Öffnung in dem Verbundbauteil entfernt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das oder die Fügewerkzeuge im wesentlichen senkrecht zur Fläche an der bzw. den Fügestellen geführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens zwei nicht parallel zueinander ausgerichtete Fügewerkzeuge durch das Metallbauteil und durch oder zumindest in die Kunststoffstruktur treibt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffstruktur beim Fügevorgang zumindest im Bereich der Fügestelle eine höhere Temperatur als Raumtemperatur aufweist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug beim Eindringen in oder Durchdringen von Metallbauteil und/oder Kunststoffstruktur zumindest zeitweise um die eigene Achse gedreht wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug nach Erreichen der maximalen Eindring- oder Durchdringtiefe beim Ausführen aus der Vertiefung oder Öffnung zumindest zeitweise um die eigene Achse gedreht wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug bei Erreichen der maximalen Eindring- oder Durchdringtiefe oder bei Aufnahme oder während der gegenläufigen Bewegung eine Pendel-, Taumel- oder Kreiselbewegung durchführt.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Durchmesser desjenigen Bereichs des Fügewerkzeugs, der in die Verbundsturktur eindringt oder der sich auf der Höhe der Oberfläche des Metallbauteils bei Erreichen der maximalen Eindring- bzw. Durchdringtiefe befindet, mindestens doppelt so groß ist wie die Dicke des Verbundbauteils an der Fügestelle.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man nach Entfernen des Fügewerkzeugs aus der Öffnung von der Seite der Kunststoffstruktur mit einem Stempel-, Hammer- oder Fügewerkzeug einen Hinterschnitt erzeugt oder diesen verstärkt.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug einen sich zum Durchstoßende hin verjüngenden Dorn darstellt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Dornlängsschnitt eine asymmetrische Form aufweist.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug in seinem Eindring- oder Durchstoßbereich ein Gewinde aufweist.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug im seinem Eindring- oder Durchstoßbereich der Form einer selbstschneidenden oder gewindeformenden Schraube entspricht.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug in seinem Eindring- oder Durchstoßbereich der Form eines Schlitz- oder Kreuzschlitzschraubendrehers entspricht.

15. Verbundbauteile, erhältlich nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 14.

16. Verwendung der Verbundbauteile nach Anspruch 15 als Bauteile oder Bauteilekomponenten im Automobil-, Flugzeug- oder Schiffbau oder bei der Herstellung von Möbeln, Haushalts- oder Elektrogeräten.