DE102008040782A1 - Bauteilverbund sowie Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbundes - Google Patents

Bauteilverbund sowie Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbundes Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bauteilverbund (2), insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, umfassend ein erstes Bauteil (1) mit einer festen Kontaktoberfläche (3) und mindestens ein zweites Bauteil (4) mit einem an der ersten Kontaktoberfläche (3) anliegenden zweiten Kontaktoberfläche (5), wobei die erste Kontaktoberfläche (3) eine mittels elektromagnetischer Strahlung erzeugte Oberflächenstruktur (6) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur (6) eine von einer Nanostruktur (10) überlagerte Mikrostruktur (7) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbundes (2).

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Bauteilverbund gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbundes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
  • Bekannt ist das Umspritzen von Metallteilen mit Kunststoff, wobei an den Metallteilen makroskopische Strukturen mit Hinterschneidungen, wie beispielsweise Rippen oder einer Waffelstruktur, vorgesehen sind, um einen Formschluss mit dem Kunststoffmaterial zu ermöglichen. Obwohl die zum Einsatz kommenden thermosplastischen Kunststoffe nicht an dem Metall haften, kann bei geschickter Ausnutzung von Schwindungsspannungen anfänglich eine Gasdichtigkeit des Bauteilverbundes erreicht werden. Diese Gasdichtigkeit ist jedoch insbesondere bei Temperatur- und/oder Lastwechsel oder bei Medieneinfluss temporär.
  • Aus Patentschriften der Firma TaiseiPlas ist ferner bekannt, die Oberfläche von Metallteilen chemisch zu strukturieren und im Anschluss ein Kunststoffbauteil im Spritzgussverfahren an die derart strukturierte Oberfläche anzuspritzen.
  • Aus der DE 10 2004 034 824 B4 ist eine metallische Flachdichtung mit mindestens einer metallischen Dichtungslage bekannt. Die metallische Dichtungslage ist dabei mit einer mittels Laserstrahlung erzeugten Oberflächenstruktur versehen, auf die elastomeres Material aufgebracht wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Technische Aufgabe
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen alternativen Bauteilverbund herzustellen, der sich durch eine besondere Robustheit auszeichnet. Bevorzugt soll der Bauteilverbund zuverlässig und dauerhaft gasdicht sein. Ganz besonders bevorzugt soll der Bauteilverbund zum Verbinden eines Bauteils aus einem thermoplastischen Kunststoff mit einem weiteren Bauteil, insbesondere durch Umspritzen, geeignet sein. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zum Herstellen eines entsprechend optimierten Bauteilverbundes vorzuschlagen.
  • Technische Lösung
  • Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Bauteilverbundes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Oberfläche des ersten Bauteils des Bauteilverbundes vor dem Fügen der beiden Bauteile unter Einsatz von elektromagnetischer Strahlung derart zu strukturieren, dass eine Oberflächenstruktur resultiert, die neben einer Mikrostruktur eine Nanostruktur aufweist. Dabei ist die Nanostruktur derart anzuordnen, dass diese sich auf der Mikrostruktur befindet, also derart, dass die Mikrostruktur von der Nanostruktur überlagert ist. Ein derart oberflächenstrukturiertes Bauteil gewährleistet in einem Bauteilverbund eine verbesserte Haftung zwischen den mindestens zwei aneinander anliegenden Bauteilen, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn die beiden aneinander anliegenden Bauteile, insbesondere in einem Bereich außerhalb der Oberflächenstruktur des ersten Bauteils formschlüssig miteinander verbunden sind, um einen besonders robusten Bauteilverbund zu erhalten. Ganz besonders bevorzugt wird der Formschluss durch zumindest teilweises Umspritzen hergestellt, wobei in diesem Fall durch die zusätzlich zum Formschluss realisierte, auf der Oberflächenstruktur basierende Haftung eine erhöhte Festigkeit und Dichtheit auch nach der Temperatur- und/oder Lastwechsel und/oder Medienlagerung erreicht wird.
  • Die Anordnung einer wie beschrieben ausgebildeten Oberflächenstruktur in einem Bauteilverbund gewährleistet bei entsprechendem Bauteilmaterial eine Gasdichtheit, die auch bei Temperatur- und/oder Lastwechsel sowie bei, insbesondere aggressivem, Medieneinfluss Bestand hat. Im Gegensatz zu dem aus der DE 10 2004 034 824 84 bekannten Metall-Elastomerverbund eignet sich der nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Bauteilverbund insbesondere auch für eine Bauteilkombination, bei der zumindest eines der Bauteile aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet ist. Es ist auch eine Ausführungsform mit duroplastischem Kunststoff realisierbar.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass Mikrostrukturelemente der Mikrostruktur einen Durchmesser aus einem Größenbereich zwischen etwa 1 μm und etwa 999 μm aufweisen. Besonders bevorzugt weisen die Nanostrukturelemente der Nanostruktur zusätzlich oder alternativ einen Durchmesser aus einem Größenbereich zwischen etwa 1 nm und etwa 999 nm auf.
  • Besonders bevorzugt wird als elektromagnetische Strahlung zur Erzeugung der Oberflächenstruktur Laserstrahlung eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt kommt hierzu ein Ultrakurzpulslaser zum Einsatz, wobei es weiter bevorzugt ist, wenn die Oberflächenstruktur unter Einfluss von einem Prozessmedium zur Erhöhung der Effizienz und/oder zur Passivierung erzeugt wird. Mit Vorteil wird dabei Prozessgas, insbesondere Inertgas eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Prozessgas um Helium oder Argon, das die Bildung einer Oxidschicht auf dem ersten, vorzugsweise aus Stahl oder Aluminium bestehenden Bauteil verhindert.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Strahlungswellenlänge der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere der Laserstrahlung, aus einem Wertebereich zwischen etwa 10 nm und etwa 11 μm gewählt ist. Ganz besonders bevorzugt ist die Wellenlänge aus einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 200 nm und etwa 1500 nm gewählt. Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt, die Strahlungspulsdauer, insbesondere die Laserstrahlpulsdauer, aus einem Wertebereich zwischen etwa 10 fs bis etwa 10 μs, besonders bevorzugt zwischen etwa 100 fs und etwa 100 ps zu wählen. Durch die Wahl entsprechender Strahlungsparameter kann die gewünschte Oberflächenstruktur mit einer von einer Nanostruktur überlagerten Mikrostruktur geschaffen werden.
  • Besonders bevorzugt ist eine Materialpaarung des Bauteilverbunds, bei der das erste Bauteil aus Metall, insbesondere aus Stahl, und das zweite Bauteil aus Kunststoff, insbesondere aus thermoplastischem oder duroplastischem Kunststoff, ausgebildet ist, wobei es weiter bevorzugt ist, wenn das erste Bauteil von dem zweiten, zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, aus Kunststoff bestehenden Bauteil zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung umspritzt ist. Auf eine derartige Bauteilpaarung ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das erste Bauteil, zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig aus Metall und/oder Keramik und/oder Kunststoff und/oder Halbleitermaterial und/oder das zweite Bauteil, zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig aus Kunststoff ausgebildet ist. Die durch die Oberflächenstruktur hervorgerufene Haftung bewirkt dabei eine besonders zuverlässige, feste Verbindung, die besonders bevorzugt durch Formschluss unterstützt wird.
  • Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das erste und das zweite Bauteil, zumindest näherungsweise, gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, um eine Dichtheit noch zuverlässiger bei Temperaturschwankungen gewährleisten zu können.
  • Besonders bevorzugt ist der Bauteilverbund Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzsystems. Auch ist es möglich ein Stanzgitter, insbesondere in einem Steuergerät, in einem Sensor oder in einem elektrischen Stecker mit einem zuvor beschriebenen Bauteilverbund auszubilden. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Bauteilverbund als kunststoffumspritzte (Metall-)Buchse ausgebildet ist, die bevorzugt zum Befestigen eines Kunststoffgehäuses dient. Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Bauteilverbund Bestandteil eines Flexleiters oder eines umspritzten Keramikteils, insbesondere für eine Lambdasonde eines Verbrennungsmotors ist.
  • Die Erfindung führt auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbundes, insbesondere eines zuvor beschriebenen Bauteilverbundes. Das Verfahren umfasst dabei das Strukturieren einer Kontaktoberfläche eines ersten Bauteils vor dem Fügen des ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil. Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass eine Oberflächenstruktur auf dem ersten Bauteil geschaffen wird, die eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist, um somit die Festigkeit und/oder die Dichtheit der resultierenden Verbindung zu verbessern.
  • Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Oberflächenstrukturierung mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise unter Einfluss eines Prozessmediums, insbesondere unter Prozessgasatmosphäre erfolgt, um die Bauteiloberfläche chemisch zu verändern, beispielsweise zu passivieren, und die Strukturierungseffizienz zu erhöhen.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass zum Erzeugen der Oberflächenstruktur ein Ultrakurzpulslaser eingesetzt wird.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn das zweite Bauteil mit dem ersten Bauteil, vorzugsweise durch Umspritzen des ersten Bauteils formschlüssig verbunden wird, um zusätzlich zur von der Oberflächenstrukturierung herrührenden Adhäsion einen stabilen Formschluss zu gewährleisten.
  • Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das strukturierte erste Bauteil zumindest bis zum Fügen des zweiten Bauteils unter Inertgas, insbesondere unter Stickstoffatmosphäre gelagert wird, um eine Oxidation der Oberflächenstruktur zu vermeiden. Ganz besonders bevorzugt erfolgt auch das Fügen des zweiten Bauteils, insbesondere durch zumindest teilweise Umspritzen des ersten Bauteils, unter Inertgasatmosphäre oder Vakuum.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
  • 1: in einer perspektivischen Ansicht ein erstes Bauteil mit einer Oberflächenstruktur,
  • 2: ein vergrößertes, die Oberflächenstruktur schematisch darstellendes Detail aus 1 und
  • 3: einen Bauteilverbund, in einer geschnitten Seitenansicht, umfassend das in 1 gezeigte erste Bauteil sowie ein zweites Bauteil.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist ein erstes Bauteil 1 als Bestandteil eines in 3 gezeigten Bauteilverbundes 2 gezeigt.
  • Das erste Bauteil 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet und umfasst eine erste Kontaktoberfläche 3 mit der das erste Bauteil 1 in dem in 3 gezeigten Bauteilverbund 2 an einem zweiten Bauteil 4, genauer an einer zweiten Kontaktoberfläche 5 des zweiten Bauteils 4, anliegt.
  • Das erste Bauteil 1, genauer die erste Kontaktoberfläche 3, ist mit einer Oberflächenstruktur 6 versehen. Diese ist schematisch in 2 in einer vergrößerten Darstellung gezeigt. Wie sich aus 1 ergibt, ist die erste Kontaktfläche 3 vollflächig mit der Oberflächenstruktur 6 versehen. Die in 2 gezeigte Oberflächenstruktur 6 umfasst eine Mikrostruktur 7 mit wulstigen und/oder vertieften Mikrostrukturelementen 8. Die Mikrostrukturelemente 8 sind mit Nanostrukturelementen 9 und einer Nanostruktur 10 versehen, die sich auch im Bereich außerhalb der Mikrostrukturelemente 8 befindet. Durch die nano-/mikro-strukturierte Bauteiloberfläche (erste Kontaktfläche 3) wirken zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem zweiten Bauteil 4 in dem in 3 gezeigten Bauteilverbund 2 Haftkräfte.
  • Zum Herstellen der Oberflächenstruktur 6 wird zunächst die unstrukturierte erste Kontaktfläche 3 mittels eines gepulsten Laserstrahls bestrahlt. Dabei wird der Laserstrahl mittels eines Scannersystems derart abgelenkt, dass er den zu strukturierenden Bereich des ersten Bauteils 1 abrastert. Zum Erzeugen der gewünschten Oberflächenstruktur kann dabei ein Femto-, Piko-, oder Nanosekunden-Laser, vorzugsweise mit einer hohen Pulsfolgefrequenz, eingesetzt werden. Der Strukturierungsprozess zur Herstellung der in 2 gezeigten Oberflächenstruktur 6 erfolgt bevorzugt unter Prozessgas, um die Ausbildung einer Oxidschicht auf dem aus Aluminium oder Stahl ausgebildeten ersten Bauteil 1 zu beeinflussen. Bevorzugt beträgt der Vorschub, mit der sich der Laserstrahl relativ zu dem ersten Bauteil 1 auf der ersten Kontaktoberfläche 3 bewegt, zwischen 100 mm/s und 10.000 mm/s.
  • Zur Herstellung des in 3 gezeigten Bauteilverbundes 2 wird das erste Bauteil 1, genauer die erste Kontaktoberfläche 3 mit ihrer Oberflächenstruktur 6, mit dem zweiten, aus thermoplastischen Kunststoff bestehenden, Bauteil 4 umspritzt. Der Formschluss zwischen den beiden Bauteilen 1, 4 wird dadurch gewährleistet, dass das zweite Bauteil 4 einen Umfangsbund 11 des ersten Bauteils 1 umgreift. Alternativ können am ersten Bauteil 1 beispielsweise von dem zweiten Bauteil 4 umspritzte Laschen, etc. vorgesehen werden. Besonders bevorzugt ist das zweite Bauteil 4. Besonders bevorzugt ist das zweite Bauteil 4 aus glasfaser- und/oder mineralverstärkten Kunststoffen, bevorzugt thermoplastischen Kunststoffen oder Duroplasten, besonders bevorzugt aus thermoplastischen Materialien mit 30 bis 60 Gewichts-Prozent Glasfaser- und/oder Mineralstoffanteil. Beispielsweise eignen sich für Bauteilverbunde unter Medieneinfluss Formassen auf der Basis von Polyphenylensulfid.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004034824 B4 [0004]
    • - DE 10200403482484 [0008]

Claims (15)

  1. Bauteilverbund, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, umfassend ein erstes Bauteil (1) mit einer ersten Kontaktoberfläche (3) und mindestens ein zweites Bauteil (4) mit einer an der ersten Kontaktoberfläche (3) anliegenden zweiten Kontaktoberfläche (5), wobei die erste Kontaktoberfläche (3) eine mittels elektromagnetischer Strahlung erzeugte Oberflächenstruktur (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (6) eine von einer Nanostruktur (10) überlagerte Mikrostruktur (7) aufweist.
  2. Bauteilverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (7) Mikrostrukturelemente (8) mit einem Durchmesser aus einem Größenbereich zwischen etwa 1 μm bis etwa 999 μm und/oder die Nanostruktur (10) Nanostrukturelemente (9) mit einem Durchmesser aus einem Größenbereich zwischen etwa mm und etwa 999 nm aufweist.
  3. Bauteilverbund nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (6) mittels eines Lasers mit einer Pulsdauer zwischen 100 fs und 100 ps, vorzugsweise unter einer Prozessmediumumgebung, bevorzugt unter einer Prozessgasatmosphäre, erzeugt ist.
  4. Bauteilverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (6) mit einer Strahlungswellenlänge aus einem Bereich zwischen etwa 10 nm und etwa 11 μm, besonders bevorzugt zwischen etwa 200 nm und etwa 1500 nm, und/oder mit einer Strahlungspulsdauer aus einem Bereich zwischen etwa 100 fs und etwa 10 μs, besonders bevorzugt zwischen etwa 10 fs und etwa 100 ps, erzeugt ist.
  5. Bauteilverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktoberfläche (3) aus Metall und/oder Keramik und/oder Kunststoff, insbesondere thermoplastischen Kunststoff, oder Duroplast und/oder Halbleitermaterial und/oder die zweite Kontaktoberfläche (5) aus Kunststoff, insbesondere thermoplastischen Kunststoff, oder Duroplast ausgebildet ist.
  6. Bauteilverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilverbund (2), zumindest zwischen den Kontaktoberflächen (3, 5), haftvermittlerfrei ist.
  7. Bauteilverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kontaktoberfläche (5), vorzugsweise das gesamte zweite Bauteil (4), aus Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet ist und dass das erste Bauteil (1), zumindest abschnittsweise, von dem zweiten Bauteil (4) umspritzt ist.
  8. Bauteilverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bauteil (1, 4) zumindest näherungsweise gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
  9. Bauteilverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktoberfläche (3) vollflächig mit der Oberflächenstruktur (6) versehen ist.
  10. Bauteilverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilverbund (2) Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzventils, oder eines Stanzgitters, insbesondere in einem Steuergerät, in einem Sensor oder in einem Stecker, oder Bestandteil eines Flexleiters, oder Bestandteil eines Umspritzen Keramikteils, insbesondere für eine Lambdasonde, einer kunststoffumspritzten Buchse, vorzugsweise zum Befestigen eines Kunststoffgehäuses, insbesondere eines Steuergerätes, eines Sensors oder eines Steckers, ist.
  11. Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbundes (2), vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein erstes Bauteil (1) mit einer ersten Kontaktoberfläche (3) und mindestens ein zweites Bauteil (4), wobei die erste Kontaktfläche (3) mittels elektromagnetischer Strahlung mit einer Oberflächenstruktur (6) versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (6) derart erzeugt wird, dass diese eine von einer Nanostruktur (10) überlagerte Mikrostruktur (7) aufweist
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung unter einem Prozessmedium, insbesondere unter einer Prozessgas-athmosphäre, vorzugsweise zur Passivierung und/oder Effizienzerhöhung, erzeugt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (6) mit einem Laser mit einer Pulsdauer zwischen 100 fs und 100 ps erzeugt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) nach der Oberflächenstrukturierung mit dem zweiten Bauteil (4) formschlüssig verbunden wird, vorzugsweise durch zumindest abschnittsweises Umspritzen des ersten Bauteils (1) mit dem zweiten Bauteil (4), welches besonders bevorzugt, zumindest abschnittsweise, aus Kunststoffmaterial, insbesondere einem thermoplastischen Material, ausgebildet wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das strukturierte erste Bauteil (1) bis zum Fügen des zweiten Bauteils (4), vorzugsweise auch während des Fügens, insbesondere durch Umspritzen, unter Inertgasatmosphäre, insbesondere unter Stickstoffatmosphäre, gelagert ist.
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