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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gehäuseverbundteils
für ein
Kraftfahrzeugaggregat, insbesondere Zylinderkopfhaube, Getriebedeckel
oder Ölwanne,
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus
der
DE 101 19 892
A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderkopfhaube
bekannt, bei dem eine vorgefertigte Haube aus Polyamid und ein Träger aus
Metall in ein Spritzgieß-
und Vulkanisationswerkzeug eingelegt werden und anschließend zur
Bildung eines Elastomerteils Elastomermasse eingespritzt und vulkanisiert
wird. Nachteilig ist dabei, dass die Herstellung von thermoplastischen Kunststoffen
mit relativ großen
Toleranzen behaftet ist, die um ein Vielfaches über den Toleranzen für Metallformteile
und mindestens eine Größenordnung über den
für eine
einwandfreie Fertigung erforderlichen Toleranzen für Gummi
liegen. In der Praxis bedeutet dies, dass das Kunststoffteil oft
nur gewaltsam in die Vulkanisationsform eingelegt werden kann. Dadurch
werden dem Kunststoffteil hohe innere Spannungen eingeprägt, was
zu Problemen beim Entformen dieser Teile aus dem Werkzeug und bei
den Maßen
des fertigen Teils führt,
ganz abgesehen von der Gefahr des Ausschusses durch Risse oder Brüche in dem
Kunststoffteil.
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Bekannt
ist weiterhin die Verwendung zweier verketteter Spritzgießmaschinen
für den
Spritzguß von
thermoplastischem Kunststoff und Elastomer, bzw. einer Sonder-Spritzgießmaschine
mit zwei entsprechenden Spritzguß-Stationen. Es wird ein mindestens
zwei- oder mehrteiliges Kombinationswerkzeug eingesetzt, von dem
mindestens ein Teil, in der Regel das Unterteil, doppelt vorhanden
und in beiden Stationen fest montiert ist. Der restliche Teil des
formgebenden Werkzeuges muss wechselbar sein von dem fest eingebauten
Werkzeugteil in Station 1 auf das andere fest eingebaute in Station
zwei. In der ersten Station wird thermoplastischer Kunststoff zur Formung
einer Haube durch einen Heißkanal
in das Werkzeug eingespritzt. Anschließend wird das Oberteil des
Werkzeugs mit dem Spritzling abgefahren und zu der zweiten Station
verfahren. In das Unterteil des Vulkanisationswerkzeugs der zweiten
Station wird das bindungsvorbehandelte Metallteil eingelegt und
das Oberteil mit dem Kunststoffteil auf das Unterteil des Vulkanisationswerkzeugs
aufgesetzt. In den Raum zwischen Metallteil und in dem Werkzeugoberteil
befindlichen Kunststoffteil wird über einen Kaltkanal das Elastomer
eingespritzt und vulkanisiert, wonach das fertige Teil entformt
wird. Für
dieses Verfahren muss das Kombinationswerkzeug so konstruiert sein,
dass der Kunststoff-Spritzling
aus dem Oberteil ausgeformt wird, die Oberfläche jedoch, an der die Gummibindung
erfolgen soll, von dem Werkzeugunterteil gebildet wird. Da das Kunststoffteil
erst nach der zweiten und letzten Station entformt wird, werden Probleme
aufgrund des Einflusses unterschiedlicher Toleranzen von Kunststoff-
und Metallteilen vermieden. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch
der hohe Investitionsaufwand für
zwei verkettete Spritzgießmaschinen
bzw. einer Sondermaschine mit zwei Spritzgießstationen. Zudem ist die Maschinennutzung
nicht optimal, da der Fertigungszyklus beim Spritzgießen von
thermoplastischem Kunststoff wesentlich kürzer ist als bei der Vulkanisation
von Elastomer. Hinzu kommt der Mehraufwand für das Kombinationswerkzeug.
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Aus
der
EP 860 602 B1 ist
ein Verfahren zum Herstellen einer Zylinderkopfhaube bekannt, bei
dem ein vorgefertigtes Haubenteil aus Kunststoff und eine vorgefertigte,
bindungsvorbehandelte Dichtung in einer heizbaren Klebevorrichtung
verklebt werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kostengünstiges
Herstellungsverfahren bereitzustellen, bei dem der Einfluss unterschiedlicher
Toleranzen der verwendeten Teile reduziert bzw. beseitigt wird.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Mitteln von Anspruch 1. Gegenüber den
herkömmlichen Verfahren,
bei dem Elastomermasse auf das Gehäuseelement aus thermoplastischem
Kunststoff gespritzt wird, liegt die Erfindung in einer Umkehr der Spritzgießschritte
für den
thermoplastischen Kunststoff und das Elastomer. Erfindungsgemäß wird zuerst
das Elastomerelement hergestellt. Anschließend wird thermoplastischer
Kunststoff auf das Elastomerelement zur Herstellung des Gehäuseelements
gespritzt. Da das Kunststoffteil erst anschließend entformt wird, werden
Probleme aufgrund des Ein flusses unterschiedlicher Toleranzen von
Gehäuseelement
und Elastomerelement vermieden.
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Bei
einer bevorzugten Anwendung ist das Gehäuseelement über das Elastomerelement dauerhaft
mit einem Halteteil verbunden. Zur Herstellung eines solchen Gehäuseverbundteils
wird zuerst Elastomer auf eine Halteteil gespritzt, um das Elastomerelement
herzustellen. Anschließend
wird thermoplastischer Kunststoff auf das Elastomerelement zur Herstellung
des Gehäuseelements
gespritzt. Da das Kunststoffteil erst nach der zweiten und letzten
Station entformt wird, werden Probleme aufgrund des Einflusses unterschiedlicher
Toleranzen von Gehäuseelement,
Elastomerelement und Halteteil vermieden.
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Die
Erfindung macht sich zunutze, dass sich das Elastomer wie eine hydrostatische
inkompressible Flüssigkeit
verhält.
Wenn die Kunststoff-Formmasse auf das an das Metall gebundene Elastomer
auftrifft, leitet dieses den Druck wie eine Flüssigkeit weiter und schließt eventuelle
Spalten oder Trennfugen des Werkzeugs in der kritischen Bindezone
Elastomer/Kunststoff mit Elastomer ab, bevor die thermoplastische
Kunststoffmasse dort eindringen kann. Dies ermöglicht eine ausgesprochen gratarme
bzw. teilweise sogar im wesentlichen gratfreie Fertigung ohne zusätzliche
Maßnahmen
im Formwerkzeug.
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Die
eingespritzte heiße
thermoplastische Kunststoffmasse ist hochreaktiv und daher besonders
bindefreudig gegenüber
dem Elastomerelement. Bei elastomeren Werkstoffen, die zur vollen Ausbildung
ihrer mechanischen und chemischen Eigenschaften keine thermische
Nachbehandlung (Oven Post Cure) bedürfen, ist keine weitere Maßnahme zur
Erzielung einer einwandfreien Bindung zum Halteteil bzw. zum Kunststoff
erforderlich.
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Bei
elastomeren Werkstoffen, die zur vollen Ausbildung ihrer mechanischen
und chemischen Eigenschaften thermisch nachbehandelt werden, treten
bei diesem Prozess des Nachheizens oder Temperns (OPC) in der Regel
Bestandteile der Mischung an die Oberfläche aus, die einer Bindung
Elastomer/Kunststoff abträglich
sind. In diesem Falle empfiehlt sich, in einem ersten Arbeitsschritt
das Elastomerelement – gegebenenfalls durch
Anvulkanisieren an das Halteteil – herzustellen, dieses Produkt
thermisch nachzubehandeln und anschließend die Oberfläche des
Gummis für
die Bindung Elastomer/Kunststoff vorzubereiten.
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Die
Erfindung ermöglicht
den Einsatz konventioneller Spritzgießmaschinen mit konventionellem
Werkzeug für
den Spritzguss und Vulkanisieren des Elastomerelements sowie für den Spritzguss
des Gehäuseelements
aus thermoplastischem Kunststoff.
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Die
Erfindung ermöglicht
es, das Tempern des Elastomerelements vorzugsweise vor dem Aufspritzen
des thermoplastischen Kunststoffs durchzuführen. Da das – gegebenenfalls
an das Halteteil gebundene – Elastomerelement
wesentlich kleiner ist als das gesamte Gehäuseverbundteil, kann eine höhere Füllung des
Ofens im Vergleich zu den bekannten Verfahren und daher eine signifikante
Kostenersparnis erreicht werden. Zudem wird eine Deformation des
Kunststoff-Gehäuseelements
vermieden, da lediglich das – gegebenenfalls
an das Halteteil gebundene – Elastomerelement
getempert wird.
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Das
beschriebene Verfahren eignet sich ebenfalls sehr gut für das Einspritzen
des Kunststoffes nach dem TSG-Verfahren (Thermoplastischer Schaum-Guss).
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Folgende
verfahrensbedingte Merkmale des fertigen Produkts werden als Hinweis
für die
Fertigung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
angesehen. Erstens lassen sich an dem fertigen thermoplastischen
Kunststoffteil die Anspritzpunkte nachweisen. Zweitens wird angenommen,
dass sich bei Fertigung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Elastomerkomponente
angussnah konkav bzw. angussfern konvex deformiert, da der eingespritzte thermoplastische
Kunststoff zunächst
angussnah auf das Elastomer und dann zeitlich fortschreitend auf die
angussfernen Oberflächen
trifft.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen
der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor. Dabei
zeigen:
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1:
ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer ersten bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung, insbesondere bei Verarbeitung von Elastomeren, die eine
thermische Nachbehandlung benötigen;
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2:
ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung, insbesondere bei Verarbeitung von Elastomeren, die keine
thermische Nachbehandlung benötigen;
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3:
eine Querschnittsansicht eines Zwischenprodukts nach Schritt S21
bzw. S32 in dem Verfahren gemäß 1 bzw. 2;
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4:
eine Querschnittsansicht des Endprodukts in dem Verfahren gemäß 1 bzw. 2; und
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5:
einen Ausschnitt aus 4 im Bereich der Dichtung.
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Die
im folgenden geschilderten Verfahren dienen zur Herstellung eines
Gehäuseverbundteils für ein Kraftfahrzeugaggregat
wie beispielsweise der in 4 gezeigten
Zylinderkopfhaube 11 aus einem Metall-Kunststoff-Elastomer-Verbund
mit einer Verschlusshaube 15 aus thermoplastischem Kunststoff und
einer integrierten Elastomerdichtung 12. Die thermische
Belastung derartiger Zylinderkopfhauben ist sehr hoch, sie können Temperaturen
bis 130°C annehmen,
das Spritzöl
im Innern kann Spitzen von 150°C
aufweisen und die Temperaturen der Auflagefläche auf dem Zylinderkopf für die Dichtung
können auf
der Auslassseite des Motors noch höher sein. Die Zylinderkopfhaube 11 wird
mittels des Halteteils 10, das zu diesem Zweck Bohrungen 13 aufweist,
an das nicht gezeigte Aggregat montiert. Das Halteteil 10 kann
daher auch als Befestigungsteil oder Rahmen bezeichnet werden. Mit
dem Gehäuseverbundteil 11 wird
eine entsprechende Öffnung
in dem Gehäuse des
Aggregats dichtend und schalldämpfend
verschlossen.
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Gemäß dem bevorzugten
Verfahren insbesondere für
die Verarbeitung von Elastomeren, die einer thermischen Nachbehandlung
bedürfen,
das in 1 dargestellt ist, wird zunächst in Schritt S20 auf das
vorgefertigte Halteteil 10 eine haftvermittelnde Zwischenschicht
aufgebracht, um eine hochbelastbare Bindung zwischen Elastomer und
Halteteil zu erreichen.
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Das
Halteteil 10. weist in vielen Fällen vorzugsweise die Form
eines geschlossenen oder im wesentlichen geschlossenen Rahmens auf.
Im wesentlichen geschlossen bedeutet, dass der Rahmen abschnittweise
unterbrochen sein kann, wenn dies konstruktiv erforderlich oder
vorteilhaft ist. Das Halteteil 10 kann beispielsweise auch
aus einem oder mehreren Streifen bestehen. Zweckmäßigerweise weist
das Halteteil eine ausreichende Steifigkeit auf. Bevorzugt besteht
das Halteteil 10 daher aus einem ausreichend festen Material,
insbesondere Metall, festem oder verstärktem Kunststoff, oder dergleichen.
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In
Schritt S21 wird das Halteteil 10 in das Werkzeug einer
ersten Spritzgießmaschine
eingelegt und eine Elastomerschicht auf das Halteteil 10 gespritzt
und vulkanisiert, um die Elastomerdichtung 12 zu bilden.
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Das
nach dem Schritt S21 vorliegende rahmenförmige Zwischenteil 14,
bestehend aus der an das Halteteil 10 angespritzten umlaufenden
Elastomerdichtung 12, ist in 2 gezeigt.
Falls erforderlich kann das Zwischenteil 14 in Schritt
S22 in einem Ofen getempert werden (Oven Post Cure-Verfahren), um
die erforderliche Ausbildung der thermischen und chemischen Widerstandsfähigkeit
und mechanischen Belastbarkeit der Elastomerdichtung zu erreichen.
Wie aus einem Vergleich der 3 und 4 ersichtlich,
ist das Zwischenteil 14 erheblich kleinvolumiger als das
Endprodukt 11. Es kann daher im Vergleich zum Stand der
Technik, bei dem zum Tempern der Elastomerdichtung das gesamte Endprodukt
in den Ofen gebracht werden muss, eine wesentlich höhere Füllung des
Ofens und daher eine signifikante Kostenersparnis erreicht werden.
Da das Zwischenteil 14 keine Komponente aus thermoplastischem
Kunststoff aufweist, wird eine Deformation des Zwischenteils 14 beim
Tempern vermieden.
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Das
Tempern des Zwischenteils in Schritt S22 ist keineswegs zwingend
erforderlich. Das Verfahren gemäß 1 ist
ohne weiteres geeignet für Verarbeitung
von Elastomeren, die keine thermische Nachbehandlung benötigen.
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Für eine Verbesserung
der Bindung zwischen dem aufzuspritzenden thermoplastischem Kunststoff
und der Elastomerdichtung 12 kann diese in dem optionalen
Schritt S23 bindungsvorbehandelt werden.
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In
Schritt S24 wird das Zwischenteil 14 in ein zweites Formwerkzeug
einer zweiten Spritzgießmaschine
eingelegt und eine thermoplastische Kunststoffmasse zur Bildung
des Haubenteils 15 und damit des Verbundteils 11 eingespritzt.
Anschließend
wird das Haubenteil 15 in Schritt S25 entformt.
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Die
erste und die zweite Spritzgießmaschine können konventionelle
Spritzgießmaschinen
mit konventionellen Formwerkzeugen sein. Die Erfindung ist aber
nicht darauf beschränkt.
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Es
kann im Rahmen der Erfindung auch eine Sonder-Spritzgussmaschine
mit zwei Spritzstationen, bzw. zwei verkettete Spritzgussmaschinen,
Verwendung finden. Ein solches alternatives Verfahren ist in 2 dargestellt.
Dabei wird in Schritt S30 das gegebenenfalls mit einer eine haftvermittelnden
Zwischenschicht versehene Halteteil 10 in das Unterteil eines
speziellen Formwerkzeugs eingelegt und in Schritt S31 die Form durch
ein erstes Oberteil verschlossen. Anschließend wird in Schritt S32 in
der ersten Spritzgießstation
der Spritzgießmaschine
die verbindende Elastomerschicht eingespritzt und vulkanisiert,
um die Elastomerdichtung 12 zu bilden. Sodann wird in Schritt
S33 das Form-Unterteil mit dem Halteteil 10 und der darauf
gebundenen Elastomerschicht 12 von der ersten Spritzgießstation
der zu der zweiten Spritzgießstation
verfahren und in Schritt S34 das Werkzeug-Unterteil durch Aufsetzen
eines zweiten Oberteils verschlossen. Alternativ besteht auch die
Möglichkeit
der Verwendung einer Spritzgießmaschine
mit nur einer Schließstation
für das Werkzeug
und zwei getrennten Spritzeinheiten für Elastomer und Kunststoff.
Dann bleibt das Unterteil der Form in derselben Station, es wird
dann das Oberteil des Werkzeugs und die Spritzeinheit getauscht.
Anschließend
wird in Schritt S35 in der zweiten Spritzgießstation thermoplastischer
Kunststoff zur Formung des Gehäuseelements 15 eingespritzt und
das fertige Verbundteil 11 in Schritt S36 entformt. Dieses
alternative Verfahren wird bevorzugt bei der Verarbeitung von Elastomeren
eingesetzt, die keiner thermischen Nachbehandlung (OPC) bedürfen. Falls erforderlich
kann das fertige Verbundteil selbstverständlich anschließend noch
getempert werden.
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Die
Schritte S24 in 1 und S35 in 2, nämlich das
Einspritzen von thermoplastischem Kunststoff zur Formung des Gehäuseelements 15, können mittels
eines Thermoplastischen Schaum-Gieß-Verfahrens durchgeführt werden.
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Das
Gehäuseelement 15 kann
insbesondere die Form einer Haube, eines Deckels, einer Wanne oder
dergleichen aufweisen.
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Wie
aus 5 ersichtlich ist das Gehäuseelement 15 nur über das
Elastomerelement 12 mit dem Halteteil 10 verbunden,
steht also mit dem Halteteil 10 an keiner Stelle direkt
in Kontakt.
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Die
obigen Ausführungsbeispiele
beziehen sich auf Gehäuseverbundteile,
bei denen das Gehäuseelement über das
Elastomerelement 12 dauerhaft mit einem Halteteil 10 verbunden
ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist jedoch darauf nicht beschränkt.
Es kann beispielsweise auch zur Herstellung eines Gehäuseverbundteils – unter
Umständen ohne
das obige Halteteil – dienen,
wobei das Gehäuseelement
einen einseitig geöffneten
Hohlraum aufweist, in dem das Elastomerelement mindestens teilweise
aufgenommen ist, wobei der Hohlraum so geformt ist, dass das Elastomerelement
in dem Hohlraum kraft- und formschlüssig gehalten ist. Eine solche
Anwendung wird in einer zeitranggleichen Patentanmeldung beschrieben,
deren Inhalt hiermit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.