DE102004031598A1

DE102004031598A1 - Erhöhung der Stabilität eines Kunststoffgehäuses

Info

Publication number: DE102004031598A1
Application number: DE200410031598
Authority: DE
Inventors: Christian Ohl; Volker Dietrich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-02-09

Abstract

In der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffgehäuses mit wenigstens einem Einlegeteil sowie ein mit diesem Verfahren hergestelltes Kunststoffgehäuse beschrieben. Dabei ist vorgesehen, dass das Einlegeteil wenigstens teilweise vom Kunststoff des Kunststoffgehäuses umschlossen wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass das Material des Kunststoffgehäuses bzw. der Kunststoff einen ersten thermischen Ausdehungskoeffizienten und das Material des Einlegeteils einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Ist das Material des Einlegeteils derart gewählt, dass sich der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient deutlich vom ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheidet, so kann es zu Spannungen und Rissbildungen innerhalb des Kunststoffgehäuses kommen. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, das Einlegeteil mit einer Beschichtung aus einem weiteren Material zu versehen, welche einen dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und somit die thermische Ausdehnung des Einlegeteils an die thermische Ausdehnung des Kunststoffs angleicht. Vorteilhafterweise erfolgt dies dadurch, dass die Beschichtung mit einem elastischen Material erfolgt. Darüber hinaus können die Ecken und Kanten des Einlegeteils abgerundet werden, um ebenfalls die Rissbildung zu reduzieren.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffgehäuses mit wenigstens einem Einlegeteil bzw. einem mit diesem Verfahren hergestellten Kunststoffgehäuses nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüchen.

Unterschiedliche elektrische Bauelemente wie Kühlkörper, Leiterbahnen oder Sensorelemente werden zum Schutz vor einwirkenden Umweltbedingungen in kostengünstige Kunststoffgehäuse verbaut. Dabei wird das elektrische Bauelement häufig als Einlegeteil mit in die Spritzform des Kunststoffgehäuses gegeben. Während des Kunststoffspritzvorgangs umschließt der Kunststoff das Einlegeteil ganz oder teilweise, wodurch eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Kunststoffteil und dem Einlegeteil entstellt. Ein auf diese Weise mit einem Kühlkörper verbundenes Gehäuse ist beispielsweise aus der DE 100 14 457 A1 bekannt.

In der DE 102 32 599 A1 ist ein Kunststoffspritzverfahren beschrieben, bei dem das Material des Kunststoffträgers durch Aussparungen des Einlegeteils hindurch gespritzt wird. Durch dieses besondere Verfahren wird eine hochfeste Verbindung zwischen dem Einlegeteil und dem Kunststoffträger erzeugt, wobei das Schrumpfen des Materials des Kunststoffträgers nach dem Abkühlen und Aushärten des Kunststoffmaterials eine hohe Anforderung der Dichtigkeit gegenüber Gasen und Flüssigkeiten erfüllt.

Allgemein können jedoch bei der Verwendung von Kunststoffträgerelementen mit Einlegeteilen Probleme auftreten, wenn der Kunststoffträger hohen Temperaturgradienten ausgesetzt ist. Werden beispielsweise als Einlegeteile metallene Stanzteile verwendet, können die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoff und Metall zu mechanischem Stress führen. Da die Stanzteile herstellungsbedingt oftmals scharfkantig sind, ergibt sich an den Stanzkanten eine erhöhte Kerbwirkung, die zu Entlastungsrissen im Kunststoff führen können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kunststoffgehäuse mit Einlegeteilen herzustellen, bei dem eine Rissbildung durch thermisch induzierte Spannungen verhindert werden.

Vorteile der Erfindung

In der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffgehäuses mit wenigstens einem Einlegeteil sowie ein mit diesem Verfahren hergestellten Kunststoffgehäuse beschrieben. Dabei ist vorgesehen, dass das Einlegeteil wenigstens teilweise vom Kunststoff des Kunststoffgehäuses umschlossen wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass das Material des Kunststoffgehäuses bzw. der Kunststoff einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und das Material des Einlegeteils einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Ist das Material des Einlegeteils derart gewählt, dass sich der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient deutlich vom ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheidet, so kann es zu Spannungen und Rissbildungen innerhalb des Kunststoffgehäuses kommen. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, das Einlegeteil mit einer Beschichtung aus einem weiteren Material zu versehen, welche einen dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und somit die thermische Ausdehnung des Einlegeteils an die thermische Ausdehnung des Kunststoffs angleicht. Vorteilhafterweise erfolgt dies dadurch, dass die Beschichtung mit einem elastischen Material erfolgt.

Durch eine derartige Beschichtung wird die Robustheit des Gehäuses gegenüber Temperaturschwankungen erhöht, da eine sog. Kerbwirkung, d.h. Bildung von Entlastungsrissen im Gehäuse durch die aufeinander abgestimmten thermischen Ausdehnungskoeffizienten verhindert wird. Somit kann ein gegenüber Gasen und Flüssigkeiten geschütztes Gehäuse realisiert werden, dessen Ausfallsicherheit über die Produktlebenszeit unter Nutzung von kostengünstigen Kunststoffen und spritztechnischen Verfahren erhöht wird.

In einer Varianten der Erfindung werden zur Verhinderung der Kerbwirkung vorteilhafterweise die Ecken des Einlegeteils vor dem Umschließen mit dem Kunststoff abgerundet.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Einlegeteil vor dem Umschließen mit dem Kunststoff mit einem weiteren Material umspritzt, welches vorteilhafterweise einen dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Dieses weitere Material kann derart gewählt werden, dass es die thermische Ausdehnung des Einlegeteils gegenüber dem Kunststoff kompensiert. Alternativ kann vorgesehen sein, das Einlegeteil vor dem Umschließen mit dem Kunststoff in ein Beschichtungsbad zu tauchen. Durch einen derartigen Beschichtungsvorgang können beispielsweise die Kanten des Einlegeteils besonders behandelt werden, so dass die Gefahr einer Rissbildung, die bei Temperaturänderungen von scharfen Kanten ausgeht, vermindert wird. Darüber hinaus kann durch eine derartige Beschichtung auch das Einlegeteil vor Korrosion geschützt werden.

Um die ungleichmäßige thermische Ausdehnung des Einlegeteils und somit eine Rissbildung im Kunststoff zu vermindern, kann weiterhin vorgesehen sein, die Oberfläche des Einlegeteils vor der Umschließung mit dem Kunststoff zu glätten.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden als Einlegeteile Stanzteile oder Sensorelemente verwendet.

Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Kanten und Ecken des Einlegeteils abgerundet werden und das so abgerundete Einlageteil mit einem weiteren Material umspritzt wird, welches die thermische Ausdehnung des Einlegeteils kompensiert. Dadurch lässt sich die Kerbwirkung des Einlegeteils bei thermischen Anpassungsprozesses deutlich reduzieren.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnungen
In der 1 sind Einlegeteile in einem Kunststoffgehäuse dargestellt, welche durch thermischen Stress Risse im Kunststoffgehäuse erzeugen. Demgegenüber ist in 2 die erfindungsgemäße Gestaltung der Einlegeteile dargestellt, die zu einer Verhinderung der Rissbildung führt.
Ausführungsbeispiel
Elektrische Bauelemente und (Wegbau-)Sensoren werden zum Schutz vor einwirkenden Umweltbedingungen in kostengünstigen Kunststoffgehäusen untergebracht. Dabei werden die elektrischen Verbindungen zwischen den Bauelementen bzw. Sensoren und externen Steckern bzw. externer Elektronik beispielsweise über metallene Stanzteile hergestellt. Sowohl die Bauelemente und Sensoren als auch die Stanzteile werden dabei in eine entsprechende Form eingelegt und mittels Spritzgussverfahren mit Kunststoff (z.B. PBT GF30) umspritzt. Ein entsprechendes Kunststoffgehäuse mit Einlegeteilen (z.B. Bauelemente, Sensoren, Stanzteile) ist in 1 dargestellt.
Werden derartig hergestellte Kunststoffgehäuse an Stellen verbaut, die einen hohen Temperaturgradienten (dT/dt) aufweisen, beispielsweise im Motorraum eines Kraftfahrzeugs, können die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoff und Einlegeteilen bei Temperaturwechseln zu hohem mechanischen Stress im Kunststoffgehäuse führen. Dieser mechanische Stress kann im Kunststoffgehäuse 100 ausgehend von den Einlegeteilen 110 eine Kerbwirkung durch sog. Entlastungsrisse 120 erzeugen, wie sie in 1 dargestellt sind. Besonders bei metallenen Stanzteilen, die im Kunststoffgehäuse 100 eingebettet werden, sind derartige Entlastungsrisse 120 zu finden. Die Ursache liegt dabei oft an der herstellungsbedingten Ausgestaltung dieser metallenen Stanzteile mit scharfen Kanten. Gerade diese Stanzkanten rufen bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Kunststoff und Metall eine Rissbildung 120 hervor.
Zur Verhinderung des Auftretens einer Kerbwirkung durch Entlastungsrisse wird deshalb gemäß der vorliegenden Erfindung wenigstens eines der Einlegeteile vor dem Umspritzen mit dem Kunststoff des Gehäuses vorbehandelt. Dabei kann in einem ersten Ausführungsbeispiel das Einlegeteil 210 mit einem elastischen Material 220 umschlossen werden, um die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des Kunststoffs und des Einlegeteils bei Temperaturänderungen zu kompensieren. Zur Herstellung eines entsprechenden Kunststoffgehäuses 200 ist deshalb vorgesehen, das Einlegeteil 210 vor dem Umspritzen mit dem Gehäusekunststoff mit einem elastischen Material zu beschichten, beispielsweise in einem weiteren Umspritzvorgang oder einem Beschichtungstauchvorgang. Anschließend wird das so behandelte und beschichtete Einlegeteil 210 „schwimmend" in eine Form gebettet, bevor es mit dem Gehäusekunststoff in der vorgesehenen Gestalt entgültigen umspritzt wird. Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Metall und Kunststoffmaterial können so ausgeglichen werden, eine Rissbildung im Gehäuse wird vermieden. Zusätzlich kann bei geeigneter Materialauswahl der Beschichtung das insbesondere metallene Einlegeteil auch vor Korrosion durch eindringende Medien geschützt werden. An Stellen, die eine genaue Positionierung oder Haltefunktion der Metallteile im Kunststoff erfordern, kann auf die Beschichtung verzichtet werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Ausbildung der Kerbwirkung durch eine besondere Behandlung der Einlegeteile, insbesondere der metallischen Stanzteile, reduziert bzw. verhindert werden. Dazu ist vorgesehen, die scharfkantigen Einlegeteile vor dem Umspritzen mit dem Gehäusekunststoff abzurunden, beispielsweise mittels elektro-chemischer Verfahren. Somit kann sich das abgerundete Einlegeteil 230 gleichmäßig über die Oberfläche im Kunststoffgehäuse 200 ausdehnen, wodurch eine lokale punktuelle Ausdehnung vermieden wird. Da gerade eine derartige lokale und punktuelle Ausdehnung die Ursache zur Entstehung der Kerbwirkung darstellt, lässt sich durch das vorgeschlagene Verfahren die Rissbildung wesentlich reduzieren. Allgemein kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch vorgesehen sein, die gesamte Oberfläche der Einlegeteile zu glätten, um diese punktuellen Ungleichmäßigkeiten in der Ausdehnung zu minimieren und zu verhindern.
In einer Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels kann vorgesehen sein, das Beschichtungsmaterial um das Einlegeteil ebenfalls in einer runden Form um das Einlegeteil anzuordnen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffgehäuses mit wenigstens einem Einlegeteil, wobei – das Einlegeteil (210, 230) wenigstens teilweise vom Kunststoff umschlossen wird und – der Kunststoff des Gehäuses (200) einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und – das Material des Einlegeteils (210, 230) einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei sich der zweite thermischen Ausdehnungskoeffizient deutlich vom ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (210) wenigstens teilweise mit einer Beschichtung (220) aus einem weiteren Material versehen wird, wobei vorgesehen ist, dass das weitere Material der Beschichtung (220) einen dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffgehäuses mit wenigstens einem Einlegeteil, wobei – das Einlegeteil (210, 230) wenigstens teilweise vom Kunststoff umschlossen wird und – der Kunststoff des Gehäuses (200) einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und – das Material des Einlegeteils (210, 230) einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei sich der zweite thermischen Ausdehnungskoeffizient deutlich vom ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken des Einlegeteils (230) vor dem Umschließen mit dem Kunststoff abgerundet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (210, 230) vor der Umschließung mit dem Kunststoff – mit einem weiteren Material (220) umspritzt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass das weitere Material (220) die thermische Ausdehnung des Einlegeteils (210, 230) kompensiert, und/oder – in ein Beschichtungsbad getaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Einlegeteils (210, 230) vor der Umschließung mit dem Kunststoff geglättet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (210, 230) ein insbesondere metallenes Stanzteil und/oder ein insbesondere mikromechanisches Sensorelement aufweist.
Kunststoffgehäuse mit wenigstens einem Einlegeteil, wobei – das Einlegeteil (210, 230) wenigstens teilweise vom Kunststoff umschlossen wird und – der Kunststoff des Gehäuses (200) einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und – das Material des Einlegeteils (210, 230) einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei sich der zweite thermischen Ausdehnungskoeffizient deutlich vom ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (210) wenigstens teilweise mit einer Beschichtung (220) aus einem weiteren Material versehen ist, wobei vorgesehen ist, dass das weitere Material der Beschichtung (220) einen dritten thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist.
Kunststoffgehäuse mit wenigstens einem Einlegeteil, wobei – das Einlegeteil (210, 230) wenigstens teilweise vom Kunststoff umschlossen wird und – der Kunststoff des Gehäuses (200) einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und – das Material des Einlegeteils (210, 230) einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei sich der zweite thermischen Ausdehnungskoeffizient deutlich vom ersten Ausdehnungskoeffizienten unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken des Einlegeteils (230) abgerundet sind.
Kunststoffgehäuse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (210, 230) wenigstens teilweise von einem weiteren Material (220) umgeben ist, wobei vorgesehen ist, dass das weitere Material (220) die thermische Ausdehnung des Einlegeteils (210, 230) kompensiert gegenüber der thermischen Ausdehnung des Kunststoffs kompensiert.
Kunststoffgehäuse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Einlegeteils (210, 230) geglättet ist.
Kunststoffgehäuse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (210, 230) ein insbesondere metallenes Stanzteil und/oder ein insbesondere mikromechanisches Sensorelement aufweist.