DE102006019206B4

DE102006019206B4 - Verfahren, Anordnung und Spritzgusswerkzeug zum Verbinden eines thermoplastischen Magnetwerkstoffs mit einem nicht-magnetischen Trägerstoff

Info

Publication number: DE102006019206B4
Application number: DE102006019206A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schriever; Marcus Mohr-Engstler
Original assignee: WINDHORST BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT MBH; WINDHORST BETEILIGUNGSGMBH
Current assignee: WINDHORST BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT MBH; WINDHORST BETEILIGUNGSGMBH
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2026-04-22
Also published as: DE102006019206A1

Abstract

Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Magnetwerkstoffs mit einem nicht-magnetischen, vorzugsweise metallischen Träger oder Trägerstoff durch thermisches Formen unter Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung, dadurch gekennzeichnet, dass in den Träger oder Trägerstoff mindestens eine Aussparung eingebracht wird, in die der Magnetwerkstoff unter Ausbildung eines formschlüssigen Verbindungsteils eingespritzt wird, wobei in dem Verbindungsteil zwischen den Aussparungen ein Hohlraum geschaffen wird zur Kompensation der Schwindung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Magnetwerkstoffs mit einem nicht-magnetischen, vorzugsweise metallischen Träger oder Trägerstoff durch thermisches Formen unter Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung von magnetischen und nicht-magnetischen Formteilen sowie ein Spritzgusswerkzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Aus der DE 10121749 A1 ist es bekannt, Ringmagnete für Gebersysteme zur berührungslosen Abtastung durch Sensoren für Antiblockiersysteme, zur Antischlupfregelung oder bei Schaltvorgängen im Kraftfahrzeugbereich einzusetzen. Ein Problem sind die hohen Temperaturunterschiede zwischen –40°C und +150°C, die in teilweise aggressiver Umgebung auf die Verbundteile einwirken. Aufgrund der hohen angestrebten Lebensdauer und den Sicherheitsanforderungen im Automobilbereich müssen besondere Vorkehrungen für die auftretenden Temperatur-Wechselbeanspruchungen getroffen werden. Beispielsweise dürfen sich unterschiedliche thermische Dehnungen der beteiligten Werkstoffe nicht nachteilig auf die Festigkeit der Verbunde auswirken. Auch darf es nicht zu einem Verzug und davon verursachten Toleranzänderungen kommen.
In der DE 19651585 A1 wird zur Vermeidung dieses Problems die Verwendung von Materialien mit möglichst ähnlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten vorgeschlagen. In der DE 19910973 C1 wird ein Verfahren zur Herstellung von drehbar miteinander verbundenen Spritzgussteilen beschrieben, beispielsweise durch Umspritzen eines Schwenkzapfens oder durch konzentrisches Aufweiten der Stirnfläche eines durch ein Bauteil ragenden Zylinders in Form eines Nietkopfes.
Die vorgenannte Problematik wirkt sich insbesondere im Bereich von eng tolerierten Schaltelementen gravierend aus. So ist es üblich, magnetische Schaltelemente, die mit Metallsensoren ausgerüstet sind, in engen Luftspalten von kleiner 1 mm auszuführen und dort auch nach einer Betriebszeit von mehr als 6000 Stunden konstante Verhältnisse an den Kanten und Grenzflächen der Schaltpunkte einzuhalten.
Verschärft werden diese Bedingungen noch durch die besonderen Einsatzbedingungen im KFZ-Bereich (trockene Kälte am Nordkap/hohe Luftfeuchtigkeit im Tropenbereich) und die bei Reinigungsvorgängen verwendeten aggressiven Flüssigkeiten, die an manchen Werkstoffen zu spontanen Korrosionserscheinungen führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Magnetwerkstoffs mit einem nicht-magnetischen Trägerstoff anzugeben, das zu einer unter den genannten Einsatzbedingungen dauerhaft stabilen Anordnung der magnetischen und nicht-magnetischen Formteile führt. Die Anordnung soll insbesondere die für Schaltelemente wichtigen, definierten Flussdichtegradienten der Magnetfelder auch unter Vibrationsbelastung mit Temperaturwechsel einhalten. Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Spritzgusswerkzeug vorgeschlagen, mit dem thermoplastische Magnetwerkstoffe mit nicht-magnetischen Stoffen in einem Arbeitsgang und mit kurzen Taktzeiten zuverlässig verbunden werden können, so dass unter den genannten Einsatzbedingungen konstante Schalt- oder Sensorsignale abgegeben bzw. erhalten werden.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1–7 angegebenen Merkmale gelöst.
Es hat sich gezeigt, dass eine stabile und dauerhaft funktionsgerechte Verbindung durch Einspritzen eines thermoplastischen Magnetwerkstoffs in die Aussparung eines Trägerwerkstoffs und der Bildung/Ausformung unter Schaffung eines Ausgleichsraumes zur Kompensation von Schwindungen in einem innerhalb des Verbindungsteils entsprechend geformten Hohlraum geschaffen werden kann.
Vorzugsweise wird der Hohlraum innerhalb einer pilzförmigen Ausstülpung aus dem Magnetwerkstoff gebildet. Der Hohlraum ist dann im Pilzfuß angeordnet und dient der Kompensation des Schwindungsbereiches. Der Pilzfuß greift durch die Aussparung des Trägerstoffs hindurch. Üblicherweise wird die Aussparung durch Stanzen, Bohren oder durch eine entsprechende mechanische Bearbeitung erzeugt, wobei man durch die Geometrie der Aussparung vorgegeben eine Mittelachse als Bezugsgröße der Aussparung erhält, die z. B. bei einer Bohrung durch den Bohrungsmittelpunkt verläuft.
Als besonders wirksam hat sich ein exzentrisch in Bezug auf die Mittelachse der Aussparung im Pilzfuß bzw. im Verbindungsteil angeordneter Hohlraum erwiesen. Die Exzentrizität des Hohlraums dient dazu, dass sich der nicht-magnetische Trägerstoff in Schrumpfrichtung in Bezug auf die Aussparung bzw. Bohrung im thermoplastischen Magnetwerkstoff ausdehnen kann. Hierdurch werden die inneren Schrumpfspannungen effektiv abgebaut (Schrumpfkompensation).
Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Schrumpfkompensation besteht darin, die Wandstärke des den Hohlraum umschließenden Verbindungsteils bzw. des Pilzfußes im Bereich des unter Druckspannung stehenden Verbindungsteils dünn auszubilden im Vergleich zu dem unter Zugspannung stehenden dickeren Wandungsbereich des Verbindungsteils.
In einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht das Verbindungsteil aus einer nietkopfartigen Ausstülpung, wobei in der Ausstülpung ein Expansionsraum ausgebildet ist, der beim Abkühlen die Schrumpf- oder Kontraktions-Spannungen aufnimmt. Der Begriff „Expansionsraum" bedeutet, das der Hohlraum das durch die Kontraktion des vorzugsweise metallischen Trägerstoffs expandierende thermoplastische Material aufnimmt. Man könnte jedoch auch genauso gut von einem „Kontraktionsraum" sprechen in den hinein der metallische Trägerstoff zusammen mit der Hauptmasse des Magnetwerkstoffs kontrahiert.
Eine erfindungsgemäße Gesamtanordnung von mehreren magnetischen und nicht-magnetischen Formteilen mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung wird dadurch gebildet, dass mindestens eine Ausstülpung des magnetischen Formteils in einer Aussparung des nicht-magnetischen Formteils eingreift, wobei in der Ausstülpung eine Hohlkammer zur Kompensation von thermischen Spannungen angeordnet ist. Es versteht sich, dass der Fachmann die Anzahl der ineinandergreifenden Teile je nach Belastungsfall in der Position und der Häufigkeit variiert. Dabei muss sichergestellt werden, dass der Flussdichtegradient nicht beeinträchtigt wird, damit bei einer Abtastung durch Sensoren, z. B. die Hall-Sensoren die jeweiligen Scheitelpunkte ordnungsgemäß erfassen können.
Es sind verschiedene Werkzeuge zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbar. Ein bevorzugtes Spritzgusswerkzeug weist eine zusätzliche Injektionsvorrichtung auf, um in einem Schaftkörper (Pilzfuß/Nietverbindung) einen Hohlraum auszubilden. Weitere Details sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert:
Es zeigen
1 Anordnung von Formteilen nach der Erfindung
2 Ausschnitt aus einer erfindungsgemäß aufgebauten Anordnung von magnetischen und nicht-magnetischen Formteilen
3 Prinzipbild eines Spritzgusswerkzeugs von erfindungsgemäß ausgebildeten Verbundmaterialien aus thermoplastischen Magnetwerkstoffen und nicht-magnetischen Formteilen
4 Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens
Die Draufsicht auf eine fertige Anordnung gemäß 1 zeigt einen metallischen Trägerstoff (1) und eine kragenförmige Überlappung (6) mit dem Hohlraum (8). Besonderer Wert wird in dieser Darstellung auf die unterschiedliche Wandstärke im Bereich des Verbindungsteils (5) gelegt, das aus einem thermoplastischen Magnetwerkstoff besteht. Die Bedeutung dieser Maßnahme besteht darin, dass bei einer Schrumpfung des Trägerstoffs (1) das Material der Verbindungsteils (5) in den Hohlraum (8) ausweichen kann, so dass keine erhöhten inneren Spannungen entstehen, die möglicherweise zu einem Verzug oder zu Toleranzveränderungen in oder an der Schaltfläche (4) führen, die mit dem Verbindungsteil (5) eine Baueinheit bildet, führen.
Die später anhand von 4 erläuterten Verfahrensschritte führen zu einer Anordnung gemäß 2. Sie besteht aus einem vorzugsweise metallischen Trägerstoff (1), der mit einem thermoplastischen Magnetwerkstoff im Bereich der Aussparung oder Bohrung (2) verbunden ist.
Aus dem thermoplastischen Magnetwerkstoff entsteht nach Durchführung der Verfahrensschritte 1–5, eine dem Hall-Sensor (3) zugewandte Schaltfläche (4). Die Rückseite der Schaltfläche (4) greift durch die Aussparung oder Bohrung (2) mit einem Verbindungsteil (5) in den Trägerstoff (1) ein und wird auf der gegenüberliegenden Seite des Trägerstoffs (1) durch eine kragenförmige Erweiterung (6) gehalten.
Ein Vergleich der Wandstärke im Bereich I und II zeigt unter Berücksichtigung der Mittelachse (7) der Bohrung (2), dass ein in dem Verbindungsteil (5) angeordneter Hohlraum (8) exzentrisch ausgebildet ist. Dies lässt der im unteren Teil der 3 dargestellte Ausschnitt noch deutlicher erkennen.
Gemäß dem in 3 dargestellten Prinzipbild eines Spritzgusswerkzeugs wird der metallische Trägerstoff (1) beispielsweise in Form eines Bleches mit einem thermoplastischen Magnetwerkstoff (17), beispielsweise in Form eines Kunststoffmagnetes innerhalb eines Spritzgusswerkzeuges formschlüssig verbunden.
Das Spritzgusswerkzeug in 3 besteht aus einem Unterteil (10), einem Werkzeugoberteil (11), einem Spritzkanal (12) und einem Werkzeughalter (13). In dem Werkzeughalter (13) ist ein Injektionswerkzeug (14) angeordnet, durch das ein Hohlraum mit dem thermoplastischen Magnetwerkstoff (17) über einen Verbindungskanal (15) teilweise gefüllt werden kann. In dem bereits fertiggestellten Abschnitt ist ein exzentrisch in Bezug auf die Mittelachse (7) angeordneter Hohlraum im Bereich des Verbindungsteils (5) dargestellt. Der Hohlraum wird durch einen entsprechend im Werkzeughalter (13) angeordneten Werkzeugstift (16) erzeugt.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung und die Aussparungen werden trotz unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Materialien Verspannungen und damit Maßabweichungen oder gar Brüche in der Anordnung vermieden.
Gemäß 4 ist das erfindungsgemäße Verfahren in vier Verfahrensschritten dargestellt. Es umfasst:

1. Ausformen einer Aussparung des Trägers oder Trägermaterials zum Beispiel durch Stanzen, Bohren oder thermisches Abtragen, wobei das Trägermaterial vorzugsweise aus einem metallischen Trägerstoff besteht
2. Das Aufspritzen eines flüssigen thermoplastischen Magnetwerkstoffs, der im Bereich der Bohrungen in den Träger eindringt und dort eine Pilz- oder nietförmige Verbindung ausbildet.
3. Das Ausbilden eines Schwindungshohlraums im Bohrungskanal bzw. im pilzförmigen oder nietförmigen Verbindungssteg. Der Hohlraum sollte vorzugsweise exzentrisch in Bezug auf die Bohrungsachse angeordnet sein.
4. Das Abkühlen des thermoplastischen Magnetwerkstoffs unter thermischer Schrumpfbelastung. Dabei kontrahiert der vorzugsweise metallische Trägerstoff und drückt das im Bohrungskanal befindliche Material des Magnetwerkstoffs in den Schwindungshohlraum.

Claims

Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Magnetwerkstoffs mit einem nicht-magnetischen, vorzugsweise metallischen Träger oder Trägerstoff durch thermisches Formen unter Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung, dadurch gekennzeichnet, dass in den Träger oder Trägerstoff mindestens eine Aussparung eingebracht wird, in die der Magnetwerkstoff unter Ausbildung eines formschlüssigen Verbindungsteils eingespritzt wird, wobei in dem Verbindungsteil zwischen den Aussparungen ein Hohlraum geschaffen wird zur Kompensation der Schwindung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das formschlüssige Verbindungsteil als niet- oder pilzförmige Ausstülpung aus dem Magnetwerkstoff durch die Aussparung des Trägerstoffs hindurchgreift und der Hohlraum im Nietschaft oder im Pilzfuß ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum exzentrisch in Bezug auf eine durch die Aussparung gelegte Mittelachse im Verbindungsteil ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Hohlraums im Bereich des unter thermischer Zugspannung stehenden Verbindungsteils dünn im Vergleich zu dem unter Druckspannung stehenden Bereich des Verbindungsteils ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil eine nietkopfartige Ausstülpung aufweist, wobei im Schaft der Ausstülpung ein Kontraktionsraum ausgebildet ist, der beim Abkühlen des nach dem thermischen Formen schrumpfenden/kontrahierenden Trägermaterials dieses aufnimmt bzw. die Spannungen kompensiert.
Anordnung von magnetischen und nicht-magnetischen Formteilen, die unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, hergestellt nach einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile eine Verbindungszone aufweisen, bestehend aus einer Aussparung im nicht-magnetischen Formteil und einer Ausstülpung im magnetischen Formteil, die formschlüssig ineinander greifen, wobei in der Ausstülpung eine Hohlkammer zur Kompensation von thermischen Spannungen vorgesehen ist.
Spritzgusswerkzeug für thermoplastische Magnetwerkstoffe, bestehend aus einem Werkzeugunterteil (10), einem Werkzeugoberteil (11), einem Spritzkanal (12) und einem Injektionswerkzeug (13), zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ober- und/oder Unterteil des Werkzeuges Aussparungen für die Aufnahme von pilzartig oder hohlnietähnlichen Ausstülpungen der Magnetwerkstoffe aufweist, in die das Injektionswerkzeug (13) hineinragt und dass sich beim Einspritzen des thermoplastischen Magnetwerkstoffes die pilzartigen oder hohlnietähnlichen Ausstülpungen bilden, wobei im Pilzfuß oder Nietschaft exzentrisch zur Mittelachse der Ausstülpungen mindestens ein Werkzeugstift (16) zur Erzeugung von Hohlräumen mit unterschiedlichen Wandstärken angeordnet ist.
Spritzgusswerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Injektionswerkzeuges (13) so geformt ist, dass sich beim Einspritzen des thermoplastischen Magnetwerkstoffs Hohlräume im Pilzfuß oder Nietschaft bilden, die exzentrisch in Bezug auf die Mittelachse der Ausstülpungen angeordnet sind.