DE102004048625A1 - Verfahren zum Verbinden von Kunststoff mit Metall - Google Patents

Abstract

Verfahren zum flächigen Verbinden einer thermoplastischen Kunststoffkomponente mit einer heizbaren Metallkomponente, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: Zusammenpressen der Kunststoffkomponente auf die Metallkomponente unter Bildung eines Kontaktbereiches, Aufheizen der Metallkomponente zumindest im Kontaktbereich auf eine Temperatur, die die Schmelztemperatur des thermoplastischen Materials mindestens erreicht, sowie anschließendes Abkühlen, wobei der Pressdruck aufrechterhalten bleibt. Die Aufgabe liegt bei der Schaffung einer haftfesten Verbindung mit erhöhter Haftung. Dies wird dadurch erreicht, dass die Kunststoffkomponente Keton-Moleküle und die Metallkomponente elementares Chrom, Aluminium oder Eisen enthält.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum flächigen Verbinden einer thermoplastische Kunststoffkomponente mit einer heizbaren Metallkomponente gemäß des ersten sowie ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei thermoplastischen Kunststoffkomponenten gemäß des zweiten Patentanspruchs.
• Das Verbinden von Kunststoffteilen miteinander oder mit Metallen ohne Klebstoff ist besonders für Anwendungen in der Mikrosystem-, Medizin- und Analysetechnik von großer Bedeutung. Es stellt ein Schwachpunkt von Kunststoffkonstruktionen dar und bietet damit auch eine besondere Herausforderung an die Fertigungstechnik.
• Oft erfordern die genannten Einsatzgebiete säure-, laugen- und/oder lösungsmittelbeständige Werkstoffe. Dabei erweisen sich viele Klebstoffe für die Verbindung von Bauteilen als ungeeignet, da sie nicht die erforderliche Beständigkeit erfüllen. Auch nehmen einige Klebstoffe Wasser auf, was ein Versagen oder Aufquellen der Verbindung nach sich zieht.
• Auch schränkt eine mangelnde Temperaturbelastbarkeit und -beständigkeit von Klebstoffen den Einsatzbereich bestimmter Kunststoffe erheblich ein. Beispielsweise ist Polyetherehterketon (PEEK) ein Hochtemperaturwerkstoff, der inerte Eigenschaften aufweist und auch dauerhafte Einsatztemperaturen bis über 200°C zulässt. Er eignet sich dadurch hervorragend für die vorgenannten Anwendungen in der Mikrosystem-, Medizin- und Analysetechnik.
• Alternative Fügeverfahren zum Verkleben stellen Verschweißungsverfahren dar, wobei die zu fügenden Teile durch ein Aufheizen des Materials miteinander verschmolzen werden. Dadurch werden einerseits die vorgenannten Einschränkungen durch die Klebstoffe vermieden, andererseits das an den Einsatzzweck angepasste Ei genschaftsprofil der Kunststoffkomponenten auch auf die Verbindung zwischen diesen übertragen.
• Ein derartiges Schweißen von Kunststoffen ist beispielsweise aus der EP 0 974 390 A1 bekannt. Bei diesen Verfahren werden Teile aus Kunststoff mit Hilfe einer Wärmequelle erwärmt und durch Schmelzen des Kunststoffs an den zueinander gewandten Seiten der Teile stoffschlüssig gebunden.
• Die grundsätzliche Problematik bei Schweißverfahren besteht jedoch in der Sicherstellung einer lokal begrenzten Wärmeeinleitung in das Bauteil. Dies schränkt insbesondere in der Mikrosystemtechnik den Einsatz von Schweißverfahren erheblich ein, da es zum Verschmelzen der Bauteile an unerwünschten Stellen führt.
• In der DE 199 16 494 wird daher ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem in den zu verschweißende Kontaktbereich zwischen zwei Kunststoffkomponenten ein Heizelement eingelegt ist, welches ein Aufschmelzen der angrenzenden Kunststoffbereich bewirkt und auf diese Weise die beiden Kunststoffkomponenten miteinander verschweißt.
• Auch aus der DE 70 27 496 U ist eine die Schweißfläche (entspricht dem vorgenanten Kontaktbereich) überspannende heizbare siebförmige Schweißeinlage (entspricht dem Heizelement) für Kunststoffe bekannt.
• Derartige Schweißverbindungen werden jedoch durch die Heizelemente oder Einlagen, welche selbst keine haftende Verbindung mit dem Kunststoff eingehen, erheblich geschwächt. Infolge dessen ist eine entsprechend großzügigere Auslegung der Kontaktbereichs erforderlich.
• Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum flächigen Verbinden einer thermoplastische Kunststoffkomponente mit einer Metallkomponente sowie von mindestens zwei thermoplastischen Kunststoffkomponenten untereinander vorzu schlagen, welche die vorgenannten Einschränkungen nicht aufweisen und insbesondere eine belastbare Verbindung auch zwischen einer Metallkomponente und einer Kunststoffkomponente sicherstellt.
• Die Aufgabe wird mit Verfahren mit den Merkmalen der ersten beiden Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens wieder.
• Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass die Verfahren eine belastbare Verbindung zwischen Kunststoffkomponenten und Metallkomponenten insbesondere dadurch sicherstellt, dass die Kunststoffkomponente und die Metallkomponente eine chemische, d.h. kovalente Bindung eingehen. Hierzu enthalten die Kunststoffkomponenten vorzugsweise Keton-Moleküle und die Metallkomponente elementares Chrom, Aluminium oder Eisen. Gezielt wird dabei ausgenutzt, dass Keton-Moleküle Sauerstoff und Kohlenstoff durch ein Aufschmelzen des Polymers einen direkten Zugang zum elementaren Chrom, Aluminium oder Eisen auf der Oberfläche der Metallkomponenten erhält und mit diesen eine chemische (kovalente) Verbindung eingeht.
• Dabei bindet sich beispielsweise Polyetherehterketon (PEEK) besonders wirksam an Chrom- oder Eisenhaltige Metalle, während sich beispielsweise Polypropylen (PP) besonders stabil an Aluminium- oder Chromatome anbindet.
• Das Verfahren umfasst zunächst ein Zusammenpressen der Kunststoffkomponente auf die Metallkomponente unter Bildung eines Kontaktbereichs. Alternativ umfasst das Verfahren ein Zusammenpressen zweier Kunststoffkomponenten unter Bildung eines Kontaktbereichs zwischen diesen, wobei in diesem Kontaktbereich mindestens eine heizbare Metallkomponente eingelegt ist. Vorzugsweise überdeckt die Metallkomponente dabei maximal 90% des Kontaktbereichs (des Kunststoffbereichs), da ansonsten die Mikrostrukturen in Kunststoffteilen über die Erweichungstemperatur erwärmt werden und ihre Struktur verlieren. Durch dieses Verbin dungsverfahren können fluiddichte Mikrostrukturen (z.B. Kanäle) hergestellt werden, deren Verbindungsflächen nahe der Strukturen sind, ohne dass diese Strukturen durch den Verbindungsschritt zerstört werden. Durch diese Erfindung können Verbindungen für Kunststoffbauteile erzielt werden, deren Haftfestigkeit sehr hoch ist und die durch den lokal sehr begrenzten Wärmeeintrag auch Verbindungsflächen in der unmittelbaren Nähe von mikrostrukturierten Bauteilen erlaubt. Es folgt ein Aufheizen der Metallkomponente zumindest im Kontaktbereich auf eine Temperatur, die Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs mindestens erreicht. Vorzugsweise geschieht dies durch ohmsche Aufheizung mittels direktem elektrischen Stromdurchfluss durch die Metallkomponente, alternativ auch beispielsweise induktiv oder durch Mikrowellenbeheizung. Dabei bilden sich die vorgenannten kovalenten Bindungen zwischen Polymer und Metall und, sofern vorgesehen, eine Verschmelzung der Kunststoffkomponenten im Kontaktbereich.
• Durch die Nutzung der vorgenannten Kunststoff/Metall-Materialpaarungen, die in der Lage sind, die vorgenannte kovalente Bindung einzugehen, sind selbst Flächen, die zu einem wesentlichen Teil durch die metallischen Heizelemente gebildet werden, in vorteilhafter Weise für eine haftfeste Verbindung zwischen zwei Bauteilen heranziehbar.
• Dabei ist es für eine zuverlässige Verbindung bereits völlig ausreichend, wenn im Unterschied zum zitierten Stand der Technik nur der unmittelbare, sich auf wenige Mikrometer um die Metallkomponente erstreckende Bereich im Kunststoff geschmolzen wird. Hierdurch lassen sich in vorteilhafter Weise nicht nur erforderliche Prozessenergie reduzieren werden, sondern auch die thermische Belastung der Komponenten sowie die durch den Prozess der Aufschmelzung eingebrachten Eigenspannungen in Erstreckung und Höhe. Ferner werden die Prozesszeiten deutlich reduziert. Ein Ineinanderfließen der zu verbindenden aufgeschmolzenen Polymerbereiche ist für eine zuverlässige Verbindung ebenfalls nicht erforderlich, da für die vorgenannte chemische Verbindung ledig lich die Grenzfläche und unmittelbar angrenzenden Bereiche im Polymer betroffen ist.
• Die für die Erfindung geeigneten Metalle und Polymere umfassen auch eine Vielzahl korrosionsbeständiger Werkstoffe wie Chrom-Nickel-Stähle, was eine grundsätzliche Eignung für die Herstellung von Komponenten in der Medizintechnik oder Lebensmitteltechnik impliziert.
• Hervorzuheben ist die besondere Eignung der Verfahren aufgrund der lokal sehr begrenzten Erstreckung der aufzuschmelzenden Polymerbereichen für die Montage von Mikrokomponenten.
• Die Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zur Ummantelung einer Metallkomponente durch eine über Keton-Moleküle kovalent angebundene Polymerschutzschicht. Ebenso lässt sich die Erfindung für die Verbindung von Metallkomponenten wie beispielsweise Karosseriebleche untereinander heranziehen, indem man zwischen den beiden Komponenten ein Polymer erhitzt und dabei sich Keton-Moleküle des Polymers kovalent an die Oberfläche der Metallkomponenten anbinden. Auch lassen sich mit der Erfindung auch Kunststoffkomponenten beispielsweise mit Metallfolien flächig beschichten.
• Die Haftfestigkeit einer kovalenten Bindung zwischen einer gereinigten unoxidierten Stahloberfläche und PEEK erreicht nach einer Vorreinigung im Ultraschallbad (5 Min in einem Wasser-Isopropanolgemisch 1:1 bei Raumtemperatur und 320 W Leistung bei 35 Hz Frequenz) mit 65 bis 85 MPA nahezu die Bulkfestigkeit von PEEK (70 bis 100 MPA).
• Die Belastbarkeit der kovalenten Verbindung lässt sich noch dadurch verbessern, indem Metallkomponente im Kontaktbereich zusätzlich eine Rauhigkeit oder einer Strukturierung aufweist. Dadurch wird einerseits die für die Verbindung zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert, andererseits die Verbindung auch über eine Verzahnung, welche insbesondere bei größeren Verbindungserstreckungen Scherkräfte flächig aufnimmt und damit verteilt, stabilisiert. Eine besonders geeignete Rauhigkeit lässt sich über übliche Oxidationsprozesse auf der Metalloberfläche, durch Sandstrahlung, Ätzprozesse oder Laserstrukturierung erzielen.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Anwendungsbeispielen näher erläutert:
• Beispiel 1:
• Ein Kapillarrohr aus einem Chrom-Nickel-Stahl wird in eine Bohrung in einer PEEK-Polymerhalterung, wie diese beispielsweise in einem Aufbau einer Flusszelle für medizintechnische in-vitro-Untersuchungen zur Anwendung kommen, eingesetzt und mit dem vorgenannten Verbindungsverfahren kovalent dauerhaft miteinander verbunden. Bislang wurden für den vorliegenden Aufbau derartige Verbindungen über eine dichtende Presspassung des Kapillarrohres in der Halterung, ggf. unterstützt durch aufwendige, radial zu der Passung wirkende zusätzliche äußere Einspannungen der Halterung beispielsweise durch Schraubvorrichtungen realisiert.
• Beispiel 2:
• Bei der Herstellung eines Drucksensors muss ein PEEK-Gehäuse dauerhaft auf einer Glasplatte fixiert werden. Auf diese Glasplatte aufgedampftes (PVD-Proezess) Chrom kann dabei durch bekannte Prozesse wie optische Lithograhie, Ätzstrukturierungen oder durch Laserablation zu Heizleiterbahnen strukturiert werden, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung aufheizbar ist. Das PEEK-Gehäuse wird auf diese Heizelemente aufgepresst, wobei es zu einem Aufschmelzen des PEEK auf der Chromschicht kommt. Die Haftung der Glasplatte an das PEEK wird dann durch die Haftung der Chromschicht auf der Glasplatte bestimmt. Überspannt die Glasplatte dabei ein Loch im PEEK-Gehäuse, kann auf der Rückseite der Glasplatte eine Leiterbahn zur ohmschen Deh nungsmessung der Glasplatte aufstrukturiert werden. Über die Dehnung lässt sich der Innendruck im PEEK-Gehäuse bestimmen.

Claims (10)

1. Verfahren zum flächigen Verbinden einer thermoplastischen Kunststoffkomponente mit einer heizbaren Metallkomponente, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Zusammenpressen der Kunststoffkomponente auf die Metallkomponente unter Bildung eines Kontaktbereichs, b) Aufheizen der Metallkomponente zumindest im Kontaktbereich auf eine Temperatur, die Schmelztemperatur des thermoplastischen Materials mindestens erreicht sowie c) anschließendes Abkühlen, wobei der Pressdruck aufrecht erhalten bleibt, wobei d) die Kunststoffkomponente Keton-Moleküle und die Metallkomponente elementares Chrom, Aluminium oder Eisen enthält.
2. Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei thermoplastischen Kunststoffkomponenten mit folgenden Verfahrensschritten: a) Zusammenpressen der Kunststoffkomponenten unter Bildung eines Kontaktbereichs, wobei in diesem Kontaktbereich mindestens eine heizbare Metallkomponente eingelegt ist, b) Aufheizen der Metallkomponente auf eine Temperatur, die Schmelztemperatur des thermoplastischen Materials mindestens erreicht sowie c) anschließendes Abkühlen, wobei der Pressdruck aufrecht erhalten bleibt wobei d) die Kunststoffkomponente Keton-Moleküle und die Metallkomponente elementares Chrom, Aluminium oder Eisen enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Form des Kontaktbereichs zu über 90 % von der Metallkomponente überdeckt ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kunststoffkomponente aus Polyetherehterketon (PEEK) ist.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Metallkomponente aus einem Chrom-Nickel-Stahl ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kunststoffkomponente Polypropylen (PP) und de Metallkomponente Aluminium oder Chrom enthält.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Metallkomponente im Kontaktbereich zusätzlich eine Rauhigkeit aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Metallkomponente im Kontaktbereich oxidiert und/oder sandgestrahlt ist.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Metallkomponente eine Metallfolie umfasst.
10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Aufheizen der Metallkomponente im direkten Stromdurchfluss erfolgt.