DE102008000517A1

DE102008000517A1 - Verfahren zur Herstellung einer druckdichten Fügeverbindung eines metallischen Bauteils mit einem Kunststoffbauteil

Info

Publication number: DE102008000517A1
Application number: DE102008000517A
Authority: DE
Inventors: Jens Hafermalz
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2008-03-05
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: DE102008000517B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum druckdichten Fügen eines metallischen Bauteils (1) mit einem Kunststoffbauteil (2), insbesondere eines metallischen Gehäuses (1) mit einem Gehäusedeckel (2) aus einem Kunststoffmaterial, wobei das metallische Bauteil (1) einen metallischen Kontaktbereich (3) und das Kunststoffbauteil (2) einen Kunststoffkontaktbereich (4) aufweist. Erfindungsgemäß weist das Verfahren die folgenden Schritte auf: 1. Modifikation des metallischen Kontaktbereiches (3) und/oder des Kunststoffkontaktbereiches (4) zur Erzielung einer stoffschlüssigen Haftung nach Herstellen der Fügeverbindung; 2. Anordnen des Kunststoffbauteils (2) im oder an das metallische Bauteil (1), sodass der metallische Kontaktbereich (3) an den Kunststoffkontaktbereich (4) angrenzt, wobei das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils (2) einen festen Stoffzustand aufweist; 3. Einbringen einer Wärmemenge in das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils (2), wobei dieses durch das Einbringen der Wärmemenge wenigstens im Bereich des Kunststoffkontaktbereiches (4) in einen plastifizierten Stoffzustand überführt wird; 4. Aufbringung einer Kontaktkraft zwischen dem metallischen Bauteil (1) und dem Kunststoffbauteil (2) zur Aufeinanderpressung des Kunststoffkontaktbereiches (4) auf den metallischen Kontaktbereich (3); 5. Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem metallischen Kontaktbereich (3) und dem Kunststoffkontaktbereich (4) durch die ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum druckdichten Fügen eines metallischen Bauteils mit einem Kunststoffbauteil, insbesondere eines metallischen Gehäuses mit einem Gehäusedeckel aus einem Kunststoffmaterial, wobei das metallische Bauteil einen metallischen Kontaktbereich und das Kunststoffbauteil einen Kunststoffkontaktbereich aufweist, wobei die Fügeverbindung durch mehrere aufeinander folgende Verfahrensschritte hergestellt wird.
Derartige Fügeverfahren werden dann angewendet, wenn keine weiteren Verbindungsmittel wie Schrauben, Nieten, Klammern oder Clipverbindungen vorgesehen sind. Über die jeweiligen Kontaktbereiche werden die Bauteile miteinander verbunden, wobei häufig Klebeverbindungen vorgesehen werden. Verfahren zur Herstellung von Fügeverbindungen bei Kunststoffbauteilen untereinander basieren jedoch häufig auch auf Ultraschall-Schweißverfahren oder Laserstrahl-Schweißverfahren.
Verfahren zum Fügen von einem metallischen Bauteil mit einem Kunststoffbauteil finden insbesondere dort Anwendung, wo ein Gehäuse aus einem metallischen Material mit einem Kunststoffdeckel oder einer Kunststoffkappe verschlossen werden. Der entstehende Verbund zwischen dem metallischen Gehäuse sowie dem Gehäusedeckel aus einem Kunststoffmaterial muss dabei vielen Ansprüchen gerecht werden. Neben einer geforderten Dichtheit zum druckdichten Verschließen der Gehäuseinnenseite betreffen die Anforderungen weiterhin eine geringe Bauteilgröße, eine hohe Temperaturbeständigkeit von beispielsweise –40°C bis 120°C, wobei ferner geringe Prozesskosten und eine hohe und prozesssichere Qualität gewährleistet sein muss. Derartige Fügeverfahren sind häufig voll automatisiert, so dass eine hohe Prozesssicherheit gefordert ist. Die Gehäuse können Bauteile betreffen, welche beispielsweise Flüssigkeitsbehälter, Gehäuse von Relais, elektrischen oder elektronischen Schaltungen oder Getriebegehäuse betreffen, die nach dem Montieren der Getriebekomponenten mit einem Kunststoffdeckel verschlossen werden. Um die Ansprüche hinsichtlich der geringen Bauteilgröße, der hohen Temperaturbeständigkeit und der Prozesssicherheit zu erfüllen, werden immer mehr Metallbauteile durch Kunststoffbauteile ersetzt. Aus Gründen der Kraftübertragung sind jedoch viele Gehäuse weiterhin zum größten Teil aus Metall und die mechanisch weniger belasteten Gehäuseteile werden aus Kostengründen aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Somit kann beispielsweise das Lenkgetriebe eines Kraftfahrzeugs aus einem Aluminiummaterial hergestellt sein, wobei Fügeöffnungen häufig mit Kunststoffkappen oder Kunststoffdeckeln verschlossen werden. Der Stand der Technik bedient sich zum Verbinden des Kunststoffdeckels jedoch häufig Verbindungselementen wie Schrauben, Nieten oder sonstige Verbindungsmittel, wobei zusätzlich Kosten entstehen.
Wird die Fügeverbindung beispielsweise durch ein Einschallen mit einer Wärmeeinbringung durch eine Ultraschalleinwirkung hergestellt, kann zunächst nur eine formschlüssige Verbindung erzeugt werden, indem das Kunststoffmaterial plastifiziert wird und in einen Hinterschnitt, beispielsweise in eine Nut innerhalb des metallischen Bauteils, direkt oder durch Querexpansion hineingedrückt wird. Erstarrt der Kunststoff, so entsteht eine Formschlussverbindung zwischen den beiden Bauteilen.
Bei derartigen Verbindungen, die auf dem Prinzip des Einschallens eines Kunststoffbauteils in eine Formschlussgeometrie eines metallischen Bauteils basieren, entsteht häufig das Problem der fehlenden Dichtheit der Fügeverbindung. Dies ist bei flüssigkeitsgefüllten Behältnissen problematisch, die durch das metallische Bauteil gebildet werden. Insbesondere bei gasbefüllten Behältnissen ist eine hohe Anforderung an die Dichtheit zu stellen, die aufgrund des Schwindungsverhaltens von erkaltendem Kunststoffmaterial nur schwer zu erfüllen sind. Zur Herstellung einer hinreichenden Dichtheit können Dichtelemente zwischen den metallischen Kontaktbereich und den Kunststoffkontaktbereich eingesetzt werden. Hierfür ist jedoch in einem der Kontaktbereiche eine Aufnahmegeometrie erforderlich, wobei ein Dichtelement beispielsweise in Gestalt eines O-Ringes oder eines Dichtbandes, sowohl bereitgestellt als auch vormontiert werden muss. Hierdurch entsteht ein zusätzlicher Aufwand und die Bereitstellung eines separaten Dichtelementes verursacht sowohl Materialkosten als auch zusätzlichen Aufwand bei der Herstellung der Fügeverbindung.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer druckdichten Fügeverbindung zwischen einem metallischen Bauteil und einem Kunststoffbauteil derart zu verbessern, dass mit geringem Aufwand eine druckdichte Fügeverbindung bereitgestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung einer druckdichten Fügeverbindung eines metallischen Bauteils mit einem Kunststoffbauteil gemäß des Oberbegriffs des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Verfahren die Schritte der Modifikation des metallischen Kontaktbereiches und/oder des Kunststoffkontaktbereiches zur Erzielung einer stoffschlüssigen Haftung nach der Herstellung der Fügeverbindung umfasst, bevor das Kunststoffbauteil in oder an das metallische Bauteil angeordnet wird. Die Anordnung wird dabei derart vorgenommen, dass der metallische Kontaktbereich an den Kunststoffkontaktbereich angrenzt, wobei das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils einen festen Stoffzustand aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch Einbringen einer Wärmemenge in das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils fortgeführt, wobei dieses durch das Einbringen der Wärmemenge wenigstens im Bereich des Kunststoffkontaktbereiches und folglich im Bereich des modifizierten Kunststoffes in einen plastizifierten Stoffzustand überführt wird. Anschließend wird eine Kontaktkraft zwischen dem metallischen Bauteil und dem Kunststoffbauteil zur Aufeinanderpressung des Kunststoffkontaktbereiches auf den metallischen Kontaktbereich aufgebracht. Im Ergebnis ergibt sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem metallischen Kontaktbereich und dem Kunststoffkontaktbereich, wodurch durch die vorhergehende Modifikation eines oder beider Kontaktbereiche eine druckdichte Verbindung ermöglicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung einer stoffschlüssigen Haftung zwischen dem Kunststoffkontaktbereich des Kunststoffbauteils und dem metallischen Kontaktbereich des metallischen Bauteils. Folglich kann die Fügeverbindung sowohl nur formschlüssig als auch stoffschlüssig oder kombiniert stoff- und formschlüssig ausgeführt werden. In Abhängigkeit der mechanischen Belastung der Fügeverbindung kann der zusätzliche Formschluss vorgesehen sein, wobei zur Sicherstellung der druckdichten Verbindung die stoffschlüssige Haftung der beiden Kontaktbereiche aufeinander sichergestellt wird. Die Modifikation des metallischen Kontaktbereiches, des Kunststoffkontaktbereiches oder beider Kontaktbereiche erfolgt erfindungsgemäß vor dem Anordnen der jeweiligen Bauteile aneinander. Gewöhnlich ist eine Fügeverbindung zwischen einem metallischen Bauteil und einem Kunststoffbauteil aufgrund der stark unterschiedlichen Gefügestruktur des jeweiligen Werkstoffes nicht möglich. Jedoch besteht die Möglichkeit, durch spezielle Modifikation insbesondere der Oberfläche des Kunststoffkontaktbereiches trotz der unterschiedlichen Gefügestrukturen der Materialien eine stoffschlüssige Haftung herzustellen. Im Folgenden werden daher verschiedene Arten der Modifikation vorgeschlagen.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Modifikation der Oberfläche des metallischen Kontaktbereiches, des Kunststoffkontaktbereiches oder beider Kontaktbereiche durch Aufbringen eines Haftvermittlers vorgenommen. Haftvermittler werden auch als Primer bezeichnet und umfassen Substanzen, die die Haftung zwischen zwei Phasen, vorliegend gebildet durch unterschiedliche Materialien, verbessern. Die Wirkung von Haftvermittlern beruht darauf, dass diese mit beiden Phasen jeweils ausreichend starke unpolare, polare oder kovalente Bindungen aufbauen, die jeweils stärker sind als die Bindungen der beiden Phasen untereinander. Vorliegend betreffen die beiden Phasen sowohl einen metallischen Werkstoff und einen Kunststoff. Die stoffschlüssige Verbindung beruht folglich auf einer stofflich hoch belastbaren Bindung des Primers sowohl zum metallischen Werkstoff als auch zum Kunststoff.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Modifikation der Oberfläche des metallischen Kontaktbereiches, des Kunststoffkontaktbereiches oder beider Kontaktbereiche kann mit einem Plasmabehandlungsverfahren vorgenommen werden. Insbesondere die Anwendung von Primern in Kombination mit einem Plasmabehandlungsverfahren, ausgeführt als Plasmaaktivierungsverfahren, bietet optimale Möglichkeiten zur Verbindung beider Phasen, was insbesondere durch eine dauerhafte Aktivierung der Oberflächen gekennzeichnet ist.
Eine weitere Möglichkeit einer Modifikation der Oberfläche der Kontaktbereiche kann durch ein Beschichtungsverfahren, ein Beizverfahren oder ein Strahlverfahren vorgenommen werden. Insbesondere Beizverfahren werden mit verschiedenen mineralischen Säuren vorgenommen, die vorzugsweise nichtoxidierende Eigenschaften aufweisen und vorhandene Oxidschichten abtragen können. Bei Anwendung auf der metallischen Oberfläche kann die metallische Gefügestruktur derart freigegeben werden, dass auch die Oberfläche – frei von Oxidschichten – der Zusammensetzung des Grundmaterials entspricht. Dadurch entsteht ein verbesserter Haftungseffekt des Kunststoffmaterials auf der Metalloberfläche. Bei Anwendung von oxidierenden Säuren, wie beispielsweise Salpetersäure oder Schwefelsäure, wird wiederum eine fest haftende Oxidschicht auf die Metalloberfläche aufgebracht. Ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung solcher korrosionsbeständiger Oxidschichten ist beispielsweise auf Aluminium bekannt und als sogenanntes Pickling-Beizen bekannt. Derartige Strahlverfahren zur Aufbringen eines Haftvermittlers sind vergleichbar mit bekannten Tintenstrahlverfahren zum Aufbringen von Druckertinte auf Papieroberflächen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft eine zusätzliche Erwärmung der Oberfläche der zu fügenden Bauteile vor dem Fügevorgang. Die Oberfläche des metallischen Kontaktbereiches, des Kunststoffkontaktbereiches oder insbesondere beider Kontaktbereiche kann während der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung auf 80°C bis etwa 100°C erwärmt werden. Durch diese Behandlung werden die Oberflächen des metallischen Kontaktbereiches sowie des Kunststoffkontaktbereiches aktiviert, was zu einem Abdichteffekt zwischen den Kontaktbereichen führt, wenn der Kunststoff aufgeschmolzen wird und anschließend erstarrt.
Vorteilhafterweise weist das metallische Bauteil zur Bildung einer formschlüssigen Verbindung zum Kunststoffbauteil im metallischen Kontaktbereich wenigstens eine Nut auf, in die das plastifizierte Kunststoffmaterial bei Aufbringen der Kontaktkraft hineingedrückt wird. Eine derartige Nut eignet sich insbesondere bei metallischen Gehäusen, die zu verschließende Öffnungen aufweisen, wobei der Verschluss der Öffnungen durch jeweilige Gehäusedeckel erfolgt, die durch das Kunststoffbauteil gebildet sind. Der Gehäusedeckel wird dabei randseitig durch die Wärmeeinbringung plastifiziert, um das plastifizierte Material in die meist umlaufend eingebrachte Nut zu drücken. Durch ein anschließendes Erstarren des Kunststoffmaterials in der Nut entsteht eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Gehäusedeckel sowie dem Gehäuse, ohne dass ein zusätzliches Verbindungsmittel erforderlich wird. Dabei beruht die Erzeugung der formschlüssigen Verbindung nicht auf einer elastischen Verformung von Bereichen des Gehäusedeckels sowie ein anschließendes Einschnappen in die vorgesehene Nut im Gehäuse, sondern bedient sich einer vorübergehenden Änderung des Stoffzustandes des Kunststoffmaterials des Gehäusedeckels, so dass dieses in den durch die Nut gebildeten Hinterschnitt im Gehäuse eingebracht wird. Die Aufbringung der Kontaktkraft zwischen dem Gehäusedeckel und dem Gehäuse bewirkt nicht nur ein Aufeinanderpressen der beiden Bauteile, sondern es wird ein axiales Nachschieben des Gehäusedeckels in Richtung der Gehäuseinnenseite ermöglicht, so dass der Gehäusedeckel zunächst in Richtung der Gehäuseinnenseite eingeschoben wird und durch das axiale Nachschieben im plastifizierten Bereich des Gehäusedeckels eine Querexpansion erzeugt wird, so dass durch eine axiale Krafteinleitung ein radialer Stofffluss in die Nut erzeugt wird. Durch den Durchmessersprung im Innenbereich des Gehäuses wird eine Anschlagkante gebildet, so dass der Gehäusedeckel nicht unkontrolliert in die Gehäuseinnenseite hineingeschoben werden kann, sondern durch die Anschlagkante gehalten wird. Der Bereich des Gehäusedeckels, der an die Anschlagkante anstößt, wird dabei nicht zuvor plastifiziert. Die Krafteinleitung und damit das axiale Nachschieben in den Gehäusedeckel erfolgt von der Gehäusedeckelaußenseite, was beispielsweise durch eine Vorrichtung ermöglicht wird, welche in dem Gehäusedeckel einen definierten Hub einleitet. Dieser Hub kann beispielsweise wegbegrenzt sein, jedoch ist auch eine Kraftsteuerung möglich, so dass bei Erreichen einer maximalen Presskraft der Hub begrenzt wird.
Eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Wärmemenge zum Überführen des Kunststoffmaterials des Gehäusedeckels vom festen in den plastifizierten Stoffzustand mittels einer Ultraschalleinwirkung eingebracht wird. Das Ultraschallfügen ist eine Form des Fügens durch Reibung, wobei im vorliegenden Fall das Gehäuse fest eingespannt wird, während der Gehäusedeckel von einem Ultraschallresonator in Schwingung versetzt und gleichzeitig gegen das Gehäuse gepresst wird. An der Kontaktstelle wird das Kunststoffmaterial durch die Reibung gegen das Gehäuse so stark erhitzt, dass dieses zumindest randseitig aufschmilzt, so dass das Kunststoffmaterial in den plastifizierten Stoffzustand überführt und durch die aufgebrachte Kraft in die Nut gepresst wird.
Vorteilhafterweise kann während des Plastifizierens des Kunststoffmaterials der Gehäusedeckel axial nachgeschoben werden, wobei die zu erzeugende Reibwärme durch die ohnehin erforderliche Anpresskraft erzeugt wird, welche ebenfalls das axiale Nachschieben des Gehäusedeckels in Richtung der Gehäuseinnenseite ermöglicht. Damit wird der Vorteil erreicht, dass kein weiteres Hilfsmittel zur Herstellung des Werkstoffverbundes erforderlich ist, und eine einzelne Krafteinleitung zugleich zur Reibwärmeerzeugung sowie ferner zum Stofffluss des Kunststoffmaterials herangezogen werden kann. Das Gehäuse kann vorzugsweise so ausgeführt sein, dass benachbart zur Nut ein Sammelraum vorgesehen ist, in welchen überschüssiges plastifiziertes Kunststoffmaterial während des axialen Nachschiebens des Gehäusedeckels hineingedrückt wird, um eine außenseitige Wulstbildung zu unterdrücken. Die Innenkontur des Gehäuses weist im Bereich der Anordnung des Gehäusedeckels nach der Nut einen umlaufenden Sammelraum auf, welcher in Form einer Ausbuchtung in der Innenkontur des Gehäuses ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise ist das Gehäuse und der Gehäusedeckel radialsymmetrisch ausgeführt, sodass der stoffschlüssige und der formschlüssige Verbund radial umlaufen. Das Gehäuse kann beispielsweise ein Lenkgetriebegehäuse betreffen, wobei das Kunststoffbauteil in einer Montageöffnung im Lenkgetriebegehäuse eingesetzt und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren luft- und flüssigkeitsdicht verbunden wird. Die umlaufende Nut kann dabei vor dem Fügen des Gehäusedeckels im Lenkgetriebegehäuse eingebracht werden, wobei die Nut zur Erzielung des Formschlusses lediglich einige Zehntel Millimeter Tiefe und/oder Breite aufweisen kann. Insbesondere können mehrere Nuten vorgesehen sein, die benachbart zueinander angeordnet sind, wodurch eine Art Labyrinthdichtung entsteht.
Vorteilhafterweise weist die Nut des Gehäuses an wenigstens einer radialen Position eine Ausbuchtung auf, in welche das plastifizierte Kunststoffmaterial des Gehäusedeckels ebenfalls hineingedrückt wird. Im Ergebnis kann eine Verdrehsicherung des Gehäusedeckels relativ zum Gehäuse geschaffen werden. Durch Erstarren des Kunststoffmaterials in der Ausbuchtung entsteht eine Nase, die in die Ausbuchtung formschlüssig eingreift und die Verdrehsicherung bildet. Damit kann sich die radiale Position des Gehäusedeckels im Gehäuse nicht mehr ändern, wodurch eine weitere Sicherheit gegen ein Lösen des Gehäusedeckels erreicht wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Gehäusedeckel mit wenigstens einer Sollbruchstelle ausgeführt wird, um nach der Herstellung der form- und stoffschlüssigen Fügeverbindung ein Lösen des Gehäusedeckels aus dem Gehäuse durch einen Bruch der Sollbruchstelle zu erleichtern. Die Sollbruchstelle kann im Gehäusedeckel selbst so ausgebildet sein, dass diese durch eine äußere Krafteinwirkung zerstört werden kann, und der Deckel ohne eine Beschädigung des Gehäuses aus diesem wieder entnehmbar ist. Zum erneuten Verschließen des Gehäuses kann ein neuer Gehäusedeckel verwendet werden, welcher auf gleiche Weise wie oben beschrieben in das Gehäuse eingefügt wird.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben oder werden nachfolgend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigt:
1 die Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines metallischen Bauteils als Gehäuse, in das ein Kunststoffbauteil in Gestalt eines Gehäusedeckels durch das erfindungsgemäße Verfahren gefügt werden kann, wobei die beiden Bauteile in einem Abstand zueinander gezeigt sind;
2 eine Ansicht des Gehäuses sowie des Gehäusedeckels, wobei der aus Kunststoff gefertigte Gehäusedeckel auf dem metallischen Gehäuse aufliegt;
3 eine Ansicht des metallischen Gehäuses sowie des Gehäusedeckels, das in die Öffnung des metallischen Gehäuses druckdicht gefügt ist;
4 eine Ansicht eines Lenkgetriebegehäuses, das das metallische Bauteil bildet und eine Öffnung aufweist, in die ein Gehäusedeckel eingefügt wird, das das Kunststoffbauteil wiedergibt, wobei der Gehäusedeckel einen Abstand zum Lenkgetriebegehäuse aufweist;
5 eine Ansicht des Lenkgetriebegehäuses gemäß 4, wobei der Gehäusedeckel auf der Öffnung im metallischen Lenkgetriebegehäuse aufliegt und
6 eine Ansicht des Lenkgetriebegehäuses mit einem druckdicht eingefügten Gehäusedeckel aus einem Kunststoffmaterial.
In 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, das ein metallisches Gehäuse 1 als metallisches Bauteil 1 und ein Gehäusedeckel 2 als Kunststoffbauteil 2 aufweist. Das metallische Gehäuse 1 umfasst eine Öffnung, in die der Gehäusedeckel 2 eingesetzt wird. 1 zeigt dabei das metallische Gehäuse 1 in einem Abstand zum Gehäusedeckel 2, wobei 2 das metallische Gehäuse 1 zeigt, in das der Gehäusedeckel 2 bereits eingesetzt ist.
In 3 ist die Fügeverbindung sowohl stoffschlüssig als auch formschlüssig zwischen dem metallischen Gehäuse 1 und dem Gehäusedeckel 2 vollzogen. Damit ist das Gehäuse 1 durch den Gehäusedeckel 2 aus einem Kunststoffmaterial druckdicht verschlossen.
Das metallische Gehäuse 1 weist einen metallischen Kontaktbereich 3 auf, der mit einem Kunststoffkontaktbereich 4 des Gehäusedeckels 2 in Kontakt gebracht wird. Vor dem Fügen des Gehäusedeckels 2 in das Gehäuse 1 wird gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Modifikation sowohl des metallischen Kontaktbereiches 3 als auch des Kunststoffkontaktbereiches 4 zur Erzielung einer stoffschlüssigen Haftung nach der Herstellung der Fügeverbindung vorgenommen. Der jeweilige Bereich der Modifikation ist im Gehäuse 1 durch einen Modifikationsbereich 6 und dem Gehäusedeckel 2 durch einen Modifikationsbereich 7 angedeutet. Wie in 2 zu erkennen ist, befinden sich die Modifikationsbereiche 6 und 7 in jeweils angrenzend aneinander gefügter Position, wobei auch nur eine der beiden Kontaktbereiche 3 oder 4 einer Modifikation unterzogen werden kann. 2 zeigt die Anordnung des Kunststoffbauteils 2 im oder an das metallische Bauteil 1, so dass der metallische Kontaktbereich 3 an den Kunststoffkontaktbereich 4 angrenzt. Hierbei befindet sich das Kunststoffbauteil 2 noch in einem festen Stoffzustand. Im Übergang von der Anordnung gemäß der Darstellung in 2 zur Anordnung in der Darstellung in 3 wird eine Wärmemenge in das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils 2 eingebracht, wobei das Kunststoffbauteil 2 durch das Einbringen der Wärmemenge wenigstens im Bereich des Kunststoffkontaktbereiches 4 in einen plastifizierten Stoffzustand überführt wird. Der plastifizierte Bereich im Kunststoffkontaktbereich 4 ist in 3 durch eine hervorgehobene Schraffur angedeutet, wobei erkennbar ist, dass die Kontur im Kontaktbereich 4 des Kunststoffbauteils 2 eine Änderung gegenüber der Kontur vor dem Fügen aufweist, wie diese in 2 dargestellt ist.
Wird eine Kontaktkraft zwischen dem Gehäuse 1 und dem Gehäusedeckel 2 aufgebracht, erfolgt zunächst ein Aufeinanderpressen des Kunststoffkontaktbereiches 4 auf den metallischen Kontaktbereich 3. Durch die gleichzeitige Wärmeeinbringung wird der Kunststoff im Kunststoffkontaktbereich 4 plastifiziert und kann in eine umlaufende Nut 5 eindringen, um neben dem Stoffschluss zur Bildung der fluiddichten Fügeverbindung eine Formschlussverbindung zur Aufnahme von mechanischen Kräften zu erzeugen. Erfindungsgemäß kann daher eine stoffschlüssige Verbindung einer formschlüssigen Verbindung überlagert werden. Die Nut 5 ist im Gehäuse 1 eingebracht und läuft radial um. Wird die Wärmeeinbringung in den Gehäusedeckel 2 beendet, kann der in die Nut 5 eingedrungene Kunststoff des Gehäusedeckels 2 erstarren, so dass die Formschlussverbindung als bleibende Verbindung hergestellt ist.
Die 4, 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fügeverbindung, in dem das erfindungsgemäße Verfahren zum druckdichten Fügen des Gehäusedeckels 2 in ein Gehäuse 1 Anwendung finden kann. Das Gehäuse 1 ist als Lenkgetriebegehäuse ausgeführt, wobei dieses eine Öffnung aufweist, die durch den Gehäusedeckel 2 verschlossen wird. 4 zeigt den Gehäusedeckel 2 in einem Abstand zum Lenkgetriebegehäuse 1. In dieser Anordnung kann eine Modifikation sowohl des metallischen Kontaktbereiches 3 als auch des Kunststoffkontaktbereiches 4 vorgenommen werden. 5 zeigt das Einsetzen des Gehäusedeckels 2 in das Lenkgetriebegehäuse 1, wobei die Kontaktbereiche 3 und 4 jeweils angrenzend aneinander angeordnet sind. Wird in der Anordnung gemäß der 5 ein Ultraschallresonator auf den Gehäusedeckel 2 aufgebracht und in Betrieb genommen, entsteht eine Reibung zwischen dem metallischen Kontaktbereich 3 und dem Kunststoffkontaktbereich 4. Folglich wird der Kontaktbereich 4 erwärmt und es erfolgt eine Plastifizierung des Kunststoffmaterials. Wie in 6 gezeigt, ergibt sich im Ergebnis ein in das Lenkgetriebegehäuse 1 eingefügter Gehäusedeckel 2, wobei die Fügeverbindung durch die Modifikation eine stoffschlüssige Verbindung aufweist und durch die Nut 5 durch eine formschlüssige Verbindung unterstützt wird.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Insbesondere die Art der Modifikation ist nicht auf die angegebenen Modifikationsformen beschränkt. Beschichtungen verschiedenster Art können eine Modifikation des metallischen Kontaktbereiches 3 oder des Kunststoffkontaktbereiches 4 bewirken, ohne dass diese der Kategorie der Klebeverbindungen zugeordnet werden. Jedoch kann auch eine Überlagerung einer Klebeverbindung mit dem dargestellten Prinzip des Einschallens von Kunststoffdeckeln in metallische Gehäuse vorgesehen sein.

1: metallisches Bauteil/Gehäuse
2: Kunststoffbauteil/Gehäusedeckel
3: metallischen Kontaktbereich
4: Kunststoffkontaktbereich
5: Nut
6: Modifikationsbereich im metallischen Bauteil
7: Modifikationsbereich im Kunststoffbauteil

Claims

Verfahren zum druckdichten Fügen eines metallischen Bauteils (1) mit einem Kunststoffbauteil (2), insbesondere eines metallischen Gehäuses (1) mit einem Gehäusedeckel (2) aus einem Kunststoffmaterial, wobei das metallische Bauteil (1) einen metallischen Kontaktbereich (3) und das Kunststoffbauteil (2) einen Kunststoffkontaktbereich (4) aufweist, wobei die Fügeverbindung über die Kontaktbereiche (3) und (4) zumindest durch die folgenden Schritte erfolgt: – Modifikation des metallischen Kontaktbereiches (3) und/oder des Kunststoffkontaktbereiches (4) zur Erzielung einer stoffschlüssigen Haftung nach Herstellen der Fügeverbindung; – Anordnen des Kunststoffbauteils (2) im oder an das metallische Bauteil (1), sodass der metallische Kontaktbereich (3) an den Kunststoffkontaktbereich (4) angrenzt, wobei das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils (2) einen festen Stoffzustand aufweist; – Einbringen einer Wärmemenge in das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils (2), wobei dieses durch das Einbringen der Wärmemenge wenigstens im Beriech des Kunststoffkontaktbereiches (4) in einen plastifizierten Stoffzustand überführt wird; – Aufbringung einer Kontaktkraft zwischen dem metallischen Bauteil (1) und dem Kunststoffbauteil (2) zur Aufeinanderpressung des Kunststoffkontaktbereiches (4) auf den metallischen Kontaktbereich (3); – Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem metallischen Kontaktbereich (3) und dem Kunststoffkontaktbereich (4) durch die Modifikation des oder der Kontaktbereiche (3) und/oder (4) und – Erstarren des Kunststoffmaterials des Kunststoffbauteils (2) durch Beendigung der Wärmeeinbringung, wobei durch die stoffschlüssige Verbindung eine druckdichte Fügeverbindung zwischen dem metallischen Bauteil (1) und dem Kunststoffbauteil (2) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation der Oberfläche des metallischen Kontaktbereiches (3) und/oder des Kunststoffkontaktbereiches (4) durch Aufbringen eines Haftvermittlers auf wenigstens eine der zu fügenden Oberflächen vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation der Oberfläche des metallischen Kontaktbereiches (3) und/oder des Kunststoffkontaktbereiches (4) durch ein Plasmabehandlungsverfahren vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation der Oberfläche des metallischen Kontaktbereiches (3) und/oder des Kunststoffkontaktbereiches (4) durch ein Beschichtungsverfahren, ein Beizverfahren oder ein Strahlverfahren vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des metallischen Kontaktbereiches (3) und/oder des Kunststoffkontaktbereiches (4) während der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung auf 60°C bis 120°C, vorzugsweise auf 80°C bis 100°C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Bauteil (1) zur Bildung einer formschlüssigen Verbindung zum Kunststoffbauteil (2) im metallischen Kontaktbereich (3) wenigstens eine Nut (5) aufweist, in die das plastifizierte Kunststoffmaterial bei Aufbringen der Kontaktkraft hineingedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge zum Überführen des Kunststoffmaterials des Kunststoffbauteils (2) vom festen in den plastifizierten Stoffzustand mittels einer Ultraschalleinwirkung eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Kontaktkraft durch ein axiales Nachschieben des Kunststoffbauteils (2) gegen das metallische Bauteil (1) vorgenommen wird, wobei das Einbringen der Wärmemenge in das Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils (2) vor und/oder während des axialen Nachschiebens des Kunststoffbauteils (2) gegen das metallische Bauteil (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) und der Gehäusedeckel (2) radialsymmetrisch ausgeführt sind und der stoffschlüssige und der formschlüssige Verbund radial umläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (5) des Gehäuses (1) an wenigstens einer radialen Position eine Ausbuchtung aufweist, in welche das plastifizierte Kunststoffmaterial des Gehäusedeckels (2) gedrückt wird, um eine Verdrehsicherung des Gehäusedeckels (2) im Gehäuse (1) zu schaffen.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusedeckel (2) mit wenigstens einer Sollbruchstelle ausgeführt wird, um nach der Herstellung der formschlüssigen Fügeverbindung ein Lösen des Gehäusedeckels (2) aus dem Gehäuse (1) durch einen Bruch der Sollbruchstelle zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wärmeeinbringung mehr Kunststoffmaterial des Gehäusedeckels (2) plastifiziert wird als in die Nut (5) fließt, um einen spielfreien Verbund zu schaffen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (5) vor dem Fügen des Gehäusedeckels (2) am Gehäuse (1) eingebracht und mit einigen zehntel Millimetern dimensioniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Gehäuse (1) ein Lenkgetriebegehäuse ist und das Kunststoffbauteil (2) in einer Montageöffnung im Lenkgetriebegehäuse eingesetzt wird.