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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Herstellen
eines Verbundbauteiles aus einer Metalllegierung und einem Kunststoff.
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Um
Metall-Kunststoffverbünde
herzustellen, werden in der Regel die metallischen Bereiche und die
Kunststoffbereiche eines solchen Bauteiles separat gefertigt und
in der Folge durch ein Fügeverfahren zum
gewünschten
Verbundbauteil verbunden. Eine alternative Herstellungsmöglichkeit
ist das Umspritzen von Metallteilen, welche dazu in eine Spritzgussform
eingelegt werden müssen.
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Beide
Möglichkeiten
sind mit Nachteilen behaftet. Bei der separaten Fertigung der Kunststoff- und
Metallbereiche eines solchen Bauteiles entsteht die Notwendigkeit,
an beiden Einzelkomponenten Verbindungsstellen vorzusehen, welche
oft zusätzlich
bearbeitet werden müssen.
Auch die Toleranzen der Metall- und Kunststoffbereiche addieren
sich bei einem solchen Verfahren, so dass die Toleranzen des endgültigen Verbundbauteiles
oft unerwünscht
hoch sind. Zudem stellt die Montage von Kunststoff- und Metallbereichen
einen zusätzlichen
Arbeitsschritt dar. Auch beim Umspritzen von eingelegten Metallteilen
ergibt sich das Problem, dass zusätzliche Verfahrensschritte
nötig sind.
Bei beiden Verfahren entstehen zudem zusätzliche Betriebskosten, welche aus
einer aufwendigen Lager- und Transportlogistik der Einzelteile resultieren.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Herstellen eines Kunststoff-Metall-Verbundteiles bereitzustellen, welches
eine einfache, toleranzarme und kostengünstige Fertigung solcher Verbundbauteile
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Herstellen eines Verbundbauteiles aus einer Metalllegierung
und einem Kunststoff beruht dabei auf der Verwendung eines kombinierten
Gießwerkzeuges,
in welchem die Metalllegierung und der Kunststoff seriell verarbeitet
werden. Ein wesentlicher Vorteil eines solchen kombinierten Gießwerkzeuges
ist, dass die Darstellung derartiger Verbundbauteile auf eine besonders
einfache und kostengünstige
Weise ermöglicht
wird, da die Herstellung in einem einzigen kombinierten Gießwerkzeug
erfolgt und somit ein Öffnen des
Werkzeuges sowie eine Zwischenlagerung und ein Transport einer Komponente
des Verbundbauteils, vorzugsweise der metallischen Komponente, zu einer
separaten Spritzgusseinrichtung nicht nötig ist.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung ist das kombinierte Gießwerkzeug
ein Druckgusswerkzeug zur Herstellung der metallischen Komponente
mit einer integrierten Einheit zur Herstellung der Kunststoffkomponente
des Verbundbauteils. Im ersten Schritt des Verfahrens wird demnach
zunächst
ein metallischer Bereich des Verbundbauteiles durch Druckguss in
dem Druckgusswerkzeug dargestellt. Nach dem Abkühlen dieses metallischen Bereiches
auf eine vorgegebene Temperatur, insbesondere auf eine Temperatur,
bei welcher der Kunststoff des Kunststoffanteiles des Verbundbauteiles
verarbeitet werden kann, wird im nächsten Schritt zumindest ein Kunststoffbereich
des Verbundbauteiles auf den metallischen Bereich des Verbundbauteiles
aufgebracht. Dieses Aufbringen erfolgt bevorzugt durch Spritzgießen und
wird direkt innerhalb des Druckgusswerkzeuges durchgeführt. Somit
erfolgt die Herstellung auf äußerst einfache
und kostengünstige
Art und Weise.
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In
alternativer Ausgestaltung ist es aber auch möglich in ein Spritzgusswerkzeug
zur Herstellung der Kunststoffkomponente eine Einheit zur Herstellung
der metallischen Komponente zu integrieren. Der Verfahrensablauf
erfolgt dann im Wesentlichen dem zuvor beschriebenen in analoger
Weise. Hierbei ist es dann auch möglich zuerst die Kunststoffkomponente
herzustellen und anschließend
die metallische Komponente. In dem letztgenannten Fall sind selbstverständlich die
Verarbeitungstemperaturen der Komponentenwerkstoffe zu berücksichtigen,
dies erscheint insbesondere dann vorteilhaft, sofern niedrigschmelzende
Metalllegierungen, wie z. B. Zinklegierungen verwendet werden. Prinzipiell
sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
aber alle kombinierbaren Varianten von Kunststoffen, insbesondere
aber auf duroplastischer oder thermoplastischer Basis, mit metallischen
Legierungen, insbesondere Aluminium-, Magnesium- oder Zinklegierungen, denkbar, die von
ihren Verarbeitungstemperaturen ein kombiniertes Gießwerkzeug
prinzipiell ermöglichen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird ein Druckgusswerkzeug verwendet, in welchem
zumindest zwei Kavitäten
durch zumindest einen Schieber, Kern oder dergleichen voneinander
abtrennbar sind. Der Druckguss des metallischen Bereiches des Verbundbauteiles
erfolgt dabei in eine der Kavitäten,
während
die anderen Kavitäten durch
einen solchen Schieber, Kern oder dergleichen von dieser Kavität abgetrennt
sind und daher vom Druckguss nicht erfasst werden. Nach Abkühlen des metallischen
Bereiches können
dann die Schieber entfernt werden, und die weiteren Kavitäten stehen zur
Verfügung,
um durch Spritzgießen
oder vergleichbare Verfahren spezifisch geformte Kunststoffbereiche
des Verbundbauteiles anzuspritzen.
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Als
vorteilhafte Alternativen zur bereits beschriebenen Schiebertechnik
sind zur Umsetzung des kombinierten Gießwerkzeuges auch weitere, aus der
Technik des Kunststoffspritzgießens
bereits bekannte Verfahren der Mehrkomponententechnik adaptierbar.
Dazu zählt
insbesondere die Umsetz- bzw. Einlegetechnik, bei der in einer ersten
Kavität
im Gießwerkzeug
eine Teilkomponente gefertigt wird, welche nach dem Erstarren durch
einen entsprechenden Handlingmechanismus in eine zweite oder auch
weitere Kavität
im Werkzeug umgesetzt bzw. eingelegt wird, in der dann das Angießen bzw.
Anspritzen der zweiten Komponente erfolgt.
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In
gleicher Art und Weise ist auch die Drehtechnik für ein erfindungsgemäßes Gießwerkzeug anwendbar.
Die Drehtechnik zeichnet sich dabei dadurch aus, dass bestimmte
Werkzeugteile des Gießwerkzeuges
drehbar ausgestaltet sind, so dass einzelne Werkzeugteile, welche
die Kavität
des herzustellenden Verbundbauteils aufweisen, derart verdreht werden,
dass an den einzelnen Rastpositionen jeweils die verschiedenen Komponenten
hergestellt oder angegossen bzw. angespritzt werden können. Vorteilhaft
ist in Bezug auf die Drehtechnik ferner, dass ein derartig ausgelegtes
Gießwerkzeug
wesentlich geringere Schließkräfte erforderlich
macht, da keine übermäßige exzentrische
Belastung der Schließeinheit
auftritt. Folglich wird die Wirtschaftlichkeit eines solchen Gießwerkzeuges
erheblich gesteigert, da die Investitionskosten für das Gießwerkzeug
und auch Herstellkosten bei der Fertigung eines Verbundbauteils
gesenkt werden.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Herstellen eines
Verbundbauteiles aus einer Metalllegierung und einem Kunststoff.
Eine solche Vorrichtung umfasst ein Druckgusswerkzeug, eine Zuführeinrichtung
zum Zuführen
einer Metallschmelze zu dem Druckgusswerkzeug sowie eine Druckerzeugungsvorrichtung
zur Beaufschlagung der Metallschmelze mit einem Druck. In der erfindungsgemäßen Ausführung wird
eine solche, an sich bekannte Druckgussvorrichtung um zumindest
eine Zuführeinrichtung
zum Zuführen
eines Kunststoffes in das Druckgusswerkzeug ergänzt. Damit ist es vorteilhaft
ermöglicht,
sowohl den Druckguss des metallischen Bereiches des Verbundbauteiles,
als auch das Aufbringen eines Kunststoffbereiches des Verbundbauteiles
zeit- und kostensparend im gleichen Werkzeug sowie in der gleichen
Vorrichtung durchzuführen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist dabei die zumindest eine Zuführeinrichtung
zum Zuführen
eines Kunststoffes in das Druckgusswerkzeug als Spritzgusseinrichtung
ausgebildet.
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Im
Folgenden soll anhand der Zeichnung die Erfindung näher erläutert werden,
wobei die einzige Figur eine schematische perspektivische Ansicht
einer Vorrichtung zur Durchführung
eines Verfahrens zum Herstellen eines Verbundbauteiles aus einer Metalllegierung
und einem Kunststoff zeigt.
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Die
in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnete Vorrichtung umfasst
ein Druckgusswerkzeug 12, welches wiederum aus einer ersten
Werkzeughälfte 14 und
einer zweiten Werkzeughälfte 16 besteht.
Die beiden Werkzeughälften 14 und 16 sind
dabei über einen
Kraft- und/oder Formschluss, welcher mittels nicht näher dargestellter
und erläuterter
Hydraulik- oder Pneumatikzylinder erzeugt wird, gegeneinander verschlossen
und umschließen
zumindest eine, in der hier gezeigten geschlossenen Form nicht sichtbare
Kavität.
Ergänzend
kann der Kraft- und/oder Formschluss durch eine zusätzliche
Verschlusseinrichtung 18 gesichert werden. Das Druckgusswerkzeug 12 ist
auf einer Spannplatte 20 der Vorrichtung 10 aufgespannt
und wird über
eine zweite Platte 22, welche in Führungen 24 verschiebbar
gelagert ist, gegen die Spannplatte 20 gepresst. In der
gezeigten Darstellung nicht zu erkennen sind die eigentlichen Druckgussvorrichtungen,
nämlich
eine Vorrichtung zum Aufschmelzen einer Metalllegierung, eine Zuführeinrichtung
für die
Metallschmelze zum Anguss des Druckgusswerkzeuges 12 sowie
ein hydraulischer Stempel, mittels welchen die Metallschmelze über den
Anguss in das Druckgusswerkzeug 12 gepresst wird.
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Nachdem
dieses Einpressen der Metallschmelze in das Druckgusswerkzeug 12 erfolgt
ist, muss im nächsten
Verfahrensschritt in diese Schmelze abgekühlt werden, so dass sich der
erstarrte metallische Bereich des gewünschten Verbundbauteiles ergibt.
Zu diesem Zweck sind im Druckgusswerkzeug 12 Kühlkanäle vorgesehen,
in welchen ein geeignetes Kühlmedium
als gasförmiger,
flüssiger
oder fester Stoff oder ein solches Stoffgemisch zirkuliert. Beispielsweise
ist dazu Luft verwendbar, vorzugsweise ist jedoch eine Kühlflüssigkeit
wie z. B. Wasser oder Öl
verwendbar, die von der Vorrichtung 10 bereitgestellt wird,
um eine hohe Wärmeübertragung
zu gewährleisten.
Nachdem durch diese Kühlvorrichtung der
metallische Bereich des gewünschten
Verbundbauteiles auf eine Temperatur abgekühlt wurde, bei der eine Verarbeitung
des zu erzeugenden Kunststoffbereiches des Verbundbauteiles möglich ist,
werden Schieber im Druckgusswerkzeug 12 gezogen, d. h.
sie werden entfernt, wodurch eine weitere Kavität, die während des Druckgussvorganges
von der eigentlichen Druckgusskavität abgetrennt war, geöffnet wird.
An diese weitere Kavität,
welche nun in direkter Verbindung zum bereits gegossenen metallischen Bereich
des Verbundbauteiles steht, ist in der gezeigten Vorrichtung 10 eine
Spritzgussvorrichtung 26 angeschlossen. Diese umfasst ein
Reservoir 28 für
ein Kunststoffgranulat, eine Extrusionseinheit 30, in welcher
das Granulat aufgeschmolzen und mittels einer Extruderschnecke in
eine Zuführeinrichtung 32 gepresst
wird. Über
die Zuführeinrichtung 32 erreicht der
aufgeschmolzene Kunststoff die zweite Kavität des Druckgusswerkzeuges 12,
füllt diese
aus und bindet sich an den bereits druckgegossenen metallischen
Bereich des Verbundbauteiles an. Nach einem weiteren Abkühlvorgang,
bei dem der so spritzgegossene Kunststoffbereich des Verbundbauteiles
ebenfalls erhärtet,
kann die Platte 22 entlang der Führungen 24 von der
Spannplatte 20 weggefahren werden, das Druckgusswerkzeug 12 von
der Spannplatte 20 entnommen und geöffnet werden. In diesem Punkt kann
das fertige Verbundbauteil aus dem Druckgusswerkzeug 12 entnommen
werden, und einer weiteren Nachbearbeitung zugeführt werden.
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Die
Erzeugung des Kunststoffanteiles des Verbundbauteiles beschränkt sich
nicht auf den hier gezeigten Spritzguss. Anstelle der Spritzgussvorrichtung 26 können auch
andere Vorrichtungen zum urformenden Einbringen von Kunststoff in
die Druckgussform 12 verwendet werden.
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So
ist beispielsweise ein Umschäumen
des metallischen Bereiches des Verbundbauteiles möglich. Auch
ein Reaction Injection Molding, also ein Einspritzen zweier reaktiver
Komponenten, welche erst innerhalb der in Druckgussform 12 den
gewünschten
Kunststoff ausbilden, ist möglich.
Bei der Verwendung von Druckgussformen 12 mit einer Mehrzahl
von mit Kunststoff auszuspritzenden Kavitäten können weiterhin auch mehrere
Spritzguss- oder ähnliche
Vorrichtungen 26 in die Vorrichtung 10 integriert
werden.
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Zur
Verbesserung der Gefügequalität des metallischen
Bereiches ist es weiterhin möglich,
die Druckgussform 12 beheizbar zu gestalten, so dass nach
dem Druckguss des metallischen Bereiches, aber vor dem Spritzgießen der
Kunststoffbereiche, eine thermische Behandlung, wie beispielsweise thermisches
Entspannen, Rekristallieren, Homogenisieren oder Lösungsglühen durchgeführt werden.
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Druckgusswerkzeug
- 14,
16
- Werkzeughälften
- 18
- Verschlusseinrichtung
- 20,
22
- Spannplatten
- 24
- Führungen
- 26
- Spritzgussvorrichtung
- 28
- Reservoir
- 30
- Extrusionseinheit
- 32
- Zuführeinrichtung