DE102009011818B4 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundsystems von Metallteilen und Polymerformteilen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Verbundsystems zwischen einem oberflächenbeschichteten Metallteil und zumindest einem Polymerformteil bei erhöhter Temperatur des Metallteils unter Druckaufbringung auf das Polymerformteil und das Metallteil, wobei das Metallteil entfernt vom zumindest einen Polymerformteil zumindest abschnittsweise erwärmt wird, Metallteil und Polymerformteil anschließend in Flächenkontakt miteinander gebracht werden und Metallteil und Polymerformteil anschließend miteinander verpresst werden, wobei die zur Verbindung mit dem zumindest einen Polymerformteil vorgesehene Oberflächenbeschichtung des Metallteils vor dem Inkontaktbringen mit dem zumindest einen Polymerformteil durch Aufrauhen aktiviert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundsystem zwischen einem Metallteil und zumindest einem Polymerformteil bei erhöhter Temperatur des Metallteils unter Druckaufbringung auf das Polymerformteil und das Metallteil. Das Metallteil kann dabei vor dem Herstellen des Verbundsystems unbeschichtet oder oberflächenbeschichtet sein, z. b. mit einer Pulverlackbeschichtung oder dergleichen. Das Verfahren betrifft hierbei insbesondere ein Verfahren zur Montage von Stabilisatoren für Kraftfahrzeugfahrwerke, die aus einem im wesentlichen symmetrisch gebogenen Stabilisatorrohr oder Stabilisatorstab sowie zwei Polymer oder Gummilagern bestehen, die mit dem Stabilisatorrohr oder Stab stoffschlüssig verbunden sind.
  • Aus der US 5 750 001 A ist ein Verbundsystem aus einem metallverstärkten Kunststoff bekannt. Zur Herstellung wird das Metall erwärmt. Anschließend werden die Kunststoffteile mit dem metallischen Verstärkungselement in einer entsprechenden Vorrichtung verpresst, wobei sie miteinander eine feste Verbindung eingehen.
  • Aus der DE 102 23 039 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Verbundsystemen aus Metall- und Polymerformteilen bekannt. Eine elastomere Manschette wird mit einer Innenhülse und einer Außenhülse verbunden. Dabei können die Flächen von Innen- und Außenhülse, die mit dem Elastomerformteil in Berührung stehen, mit einem Haftvermittler behandelt sein. Die Vorrichtung wird dann in ein niederfrequentes Induktionsfeld gebracht und dort für 60 Sekunden belassen. Auf das System aus Innen- und Außenhülse sowie Elastomerformteil kann über eine Klemmvorrichtung ein externer Pressdruck aufgebracht werden.
  • Aus der JP H06-315 983 A ist die Herstellung einer mit Harz laminierten Bleiplatte bekannt. Hierfür wird die Bleiplatte zunächst erwärmt und ein Kunstharz auf die Oberfläche der Bleiplatte aufgetragen, um vorübergehend unter Druckaufbringung in einer Klebevorrichtung verklebt zu werden. Anschließend wird diese vorläufige Klebeverbindung zwischen der Bleiplatte und dem synthetischen Harz in einer Erwärmungsvorrichtung erwärmt, um so eine dauerhafte Verbindung einzugehen.
  • Aus der DE 102 23 039 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verbundsystems bekannt, bei dem die Metall- und die Polymerformteile so zusammengebracht werden, daß sie zumindest bereichsfrei aneinander anliegen, wonach anschließend das Metallteil einem Induktionsfeld ausgesetzt wird, so daß eine Erwärmung des Metallteils zumindest an der Oberfläche erfolgt, durch die das Polymerformteil eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Metallteil eingeht.
  • Nachteilig bei dem hiermit beschriebenen Verfahren ist es, daß zum einen eine Beschränkung der Größenverhältnisse zwischen Metallteil und Polymerformteil hinzunehmen ist, da die Form des Induktors so gewählt werden muß, daß das Polymerformteil mit dem Metallteil innerhalb der Induktoranordnung Platz findet.
  • Eine andere schwerwiegende Beschränkung liegt darin, daß mit dem genannten Verfahren der häufige Anwendungsfall, daß Polymerformteile mit Metalleinlagen mit insbesondere stabförmigen Metallteilen verbunden werden sollen, hierbei nicht abzudecken ist, da die Metalleinlagen bei der induktiven Erwärmung ebenfalls erwärmt würden, was zu einer Qualitätsverschlechterung oder -veränderung der Polymerformteile mit Metalleinlage führen kann.
  • Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das erweiterte Anwendungsmöglichkeiten ermöglicht, bei denen auch Polymerformteile mit Metalleinlagen mit den eingangs genannten Metallteilen zu verbinden sind und bei dem zum anderen verkürzte Taktzeiten möglich werden.
  • Die Lösung hierfür besteht darin, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das oberflächenbeschichtete Metallteil entfernt vom zumindest einen Polymerformteil zumindest abschnittsweise erwärmt wird, Metallteil und Polymerformteil anschließend in Flächenkontakt miteinander gebracht werden und Metallteil und Polymerformteil anschließend miteinander verpresst werden, wobei die zur Verbindung mit dem zumindest einen Polymerformteil vorgesehene Oberflächenbeschichtung des Metallteils vor dem Inkontaktbringen mit dem zumindest einen Polymerformteil durch Aufrauhen aktiviert wird. Es sind hierbei zumindest die in Flächenkontakt mit dem Polymerformteil zu bringenden oberflächenbeschichteten Oberflächen des Metallteils zu erwärmen und zu aktivieren.
  • Eine erweiterte Anwendungsmöglichkeit ist dadurch gegeben, daß das Polymerformteil nicht vom Erwärmungsprozess des Metallteils betroffen ist und im wesentlichen bei Umgebungstemperatur in den Verfahrensablauf eingeführt wird.
  • Hiermit ist zugleich die Möglichkeit gegeben, Polymerformteile zu verwenden, die eingearbeitete oder außen anliegende Metallteile enthalten, beispielsweise Metallhülsen, die die ihrerseits hülsenförmigen Polymerformteile umschließen.
  • Ein erhöhter Ausstoß bei Anwendung des Verfahrens durch verkürzte Taktzeiten ist dadurch möglich, daß der Verfahrensschritt des Erwärmens der Metallteile entkoppelt werden kann vom Verfahrensschritt des Herstellens der druckbeaufschlagten Anlageverbindung zwischen Metallteilen und Polymerformteilen und letzterer wiederum vom Verfahrensschritt des Aufrechterhaltens der druckbeaufschlagten Anlageverbindung bis zur Herstellung des Stoffschlusses. Durch gleichzeitiges Erwärmen mehrerer Metallteile und/oder durch gleichzeitiges Druckhalten an mehreren Verbundsystemen ist es möglich, den Schritt des Herstellens der Anlageverbindung zwischen den Polymerformteilen und den Metallteilen zeitlich zu optimieren, ohne daß die Dauer des Erwärmens der Metallteile oder die Dauer des Druckhaltens sich auf die Taktfrequenz des Verfahrens auswirken muß.
  • Auch Zwischenschritte wie das Abwarten eines Temperaturausgleichs zwischen äußerer Oberfläche und Kern des erwärmten Metallteils oder wie die Oberflächenaktivierung sind durchzuführen, ohne dass dies sich auf die Taktfrequenz des unmittelbaren Herstellens der beaufschlagten Anlageverbindung auswirkt.
  • In bevorzugter Verfahrensführung wird das Metallteil, das insbesondere rohr- oder stangenförmig sein kann, mittels induktiver Erwärmung erwärmt. Nach einer weiteren Verfahrensführung ist es möglich das Metallteil mittels Konduktion, also stofflicher Wärmeleitung zu erwärmen. Nach einer anderen Verfahrensführung ist es möglich, das Metallteil mittels Infrarotbestrahlung zu erwärmen. Hierbei ist jeweils die räumliche Beschränkung der Erwärmung auf bestimmte Abschnitte des insbesondere rohr- oder stangenfömigen Metallteils möglich.
  • Nach einer weiteren Verfahrensführung kann die Vorwärmung in einem Vorwärmofen erfolgen, wobei naturgemäß dann das Metallteil in seiner gesamten Ausdehnung auf eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur gebracht wird.
  • Vor dem Inkontaktbringen des Metallteils mit dem zumindest einen Polymerformteil wird die oberflächenbeschichtete Oberfläche des Metallteils, sei es vor dem Erwärmen oder sei es nach dem Erwärmen zur Vorbereitung einer stoffschlüssigen Verbindung oberflächenaktiviert. Hierzu kann insbesondere ein Kugelstrahlverfahren zur Anwendung kommen. Die Oberflächenaktivierung besteht in einem Abtragen von Oberflächenteilen und in einem Aufrauhen der Oberflächenbeschichtung des oberflächenbeschichteten Metallteils. Zum Schutz des Metallteils bleibt hierbei die geschlossene Oberflächenbeschichtung intakt.
  • Als weiterer Vorbehandlungsschritt vor der Herstellung des Oberflächenkontaktes zwischen Metallteil und zumindest einem Polymerformteil ist bedarfsweise ein Beschichten der Polymeroberfläche mit einem Haftvermittler vorzusehen.
  • Wahlweise werden Polymerformteile mit dem erwärmten Metallteil verbunden, die zuvor nur teilvulkanisiert sind und einen Anteil freier Vulkanisationsvalenzen umfassen oder die bereits zuvor voll ausvulkanisiert sind. Zum Herstellen der druckbeaufschlagten Anlageverbindung und zum formangepassten Verbinden wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf die Polymerformteile ein mechanischer Außendruck ausgeübt. Insbesondere bei dem Verbinden stab- oder rohrförmiger Metallteile mit paarweise angeordneten halbschalenförmigen Polymerformteilen, die das stab- oder rohrförmige Metallteil ringförmig umgeben ist es vorgesehen, die Polymerformteile in sogenannte Quetten, d. h. halbschalenförmige Gesenkhälften aufzunehmen und diese so aneinander linear anzunähern, daß während des Herstellens der Verbindung ein radialer Druck auf die Verbindungsoberflächen zwischen Metallteil und Polymerformteilen entsteht.
  • Eine bevorzugte Erwärmungstemperatur der Metallteile liegt zunächst im Bereich von 150 bis 270°C, wobei eine Phase zur Einstellung eines Temperaturausgleiches vorzugsweise eingehalten wird, die zu einer Temperatur des Metallteils im Verbindungsbereich zwischen 150 und 200°C führt. Beim Herstellen der Verbindung wird das zumindest eine Polymerformteil in einer Druckhaltephase für einen Zeitraum von ein bis drei Minuten unter äußerem mechanischem Druck gehalten.
  • Der bereits mehrfach genannte bevorzugte Anwendungsfall des vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung von Stabilisatoren, insbesondere der Schritt des Herstellens einer Verbindung zwischen dem Stabilisatorrohr oder -stab mit zwei Stabilisatorlagern, die aus Polymerformteilen von jeweils halbschalenförmiger Form bestehen.
  • Mit dem Begriff Polymerformteile sind nach dem Inhalt dieser Erfindung sämtliche Arten von Formteilen aus Polymer- und Gummiwerkstoffen eingeschlossen.
  • Ein Fließdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Erzeugnisses sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend beschrieben.
  • In 1 ist ein Fließdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt.
  • In 2 sind Werkzeugkomponenten zur Durchführung des Verfahrens mit einem eingelegten Stabilisatorstab und eingelegten Stabilisatorlagern gezeigt.
  • In 3 sind die Formwerkzeuge (Quetten) der Vorrichtung nach 2 als vergrößerte Einzelheit gezeigt.
  • In 4 sind zwei Polymerformteile (Stabilisatorlager) für einen Stabilisator nach den 2 und 3 als Einzelheit gezeigt.
  • In 1 ist der grundsätzliche Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Fließdiagramms dargestellt. Zunächst werden die Metallteile und die Polymerformteile aus einem Magazin entnommen und in passender Zuordnung nach Form, Größe und Stückzahl zum Ort der Verfahrensdurchführung verbracht (Magazinbereitstellung). Die Metallteile, die oberflächenbeschichtet sind werden danach für das nachfolgende Verfahren oberflächenaktiviert, durch Aufrauhen der beschichteten Oberfläche (Oberflächenaktivierung). Daran anschließend erfolgt die Erwärmung des Metallteils nach einem der angegebenen Verfahren, die zumindest die als Kontaktflächen mit den Polymerformteilen vorversehenen Oberflächenbereiche erfaßt (Erwärmung). Der Verlauf oder das Ergebnis der Erwärmung wird überprüft, wobei gegebenenfalls eine Nachregelung des Erwärmungsprozesses erfolgt. (Temperaturkontrolle). Auf das erwärmte Metallteil werden die Polymerformteile aufgebracht unter Verwendung geeigneter Haltevorrichtungen (Polymerformteilmontage). Unmittelbar im Anschluß erfolgt durch Druckaufgabe und Druckhalten ein Verbindungsaufbau zwischen Metallteil und Polymerformteilen (Verbindungsaufbau), Nach Ablauf der vorgesehenen Haltedauer werden die fertigen Teile aus den Vorrichtungen entnommen (Entformung und Entnahme).
  • In 2 ist eine Fügestation 13 mit einem Oberstempel 14 und einem Unterstempel 15 gezeigt. In dieser sind Paare von Formwerkzeugen mit oberen Gesenkhälften 16, 17 und unteren Gesenkhälften 18, 19 mit ihren jeweiligen Halterungen in geschlossener Position dargestellt. Ein Stabilisatorrohr 20 mit nicht erkennbaren Stabilisatorlagern ist eingelegt.
  • 3 zeigt eines der Paare von Formwerkzeugen (Quetten) 16, 18, 17, 19, in die Polymerformteile eingelegt werden können, als vergrößerte Einzelheit in geöffneter Position. Die Formwerkzeuge bilden die innere Form der Gesenkhälften.
  • 4 zeigt zwei Polymerformteile 21, 22, die halbschalenförmig ausgebildet sind und jeweils aus einem innenliegenden Polymerformkörper 23, 24 sowie aus einem außenliegenden Metallschalenteil 25, 26 bestehen. Die Formteile 21, 22 sind passgenau in die Gesenkhälften (Quetten) 16, 17, 18, 19 einzusetzen, die zum Herstellen der Verbindung in eine Station eingelegt und dann paarweise geschlossen werden, um die Polymerformteile unter Druck gegen das zumindest abschnittsweise auf Fügetemperatur gebrachte Stabilisatorrohr zu pressen und für eine geeignete Dauer in der verpressten Position zu halten. Hierbei werden die Gesenkhälften miteinander verklammert.
  • Bezugszeichenliste
    • 13
    Fügestation
    14
    Oberstempel
    15
    Unterstempel
    16
    obere Quette
    17
    obere Quette
    18
    untere Quette
    19
    untere Quette
    20
    Stabilisatorrohr
    21
    Formteil
    22
    Formteil
    23
    Polymerkörper
    24
    Polymerkörper
    25
    Metallschale
    26
    Metallschale

Claims (16)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Verbundsystems zwischen einem oberflächenbeschichteten Metallteil und zumindest einem Polymerformteil bei erhöhter Temperatur des Metallteils unter Druckaufbringung auf das Polymerformteil und das Metallteil, wobei das Metallteil entfernt vom zumindest einen Polymerformteil zumindest abschnittsweise erwärmt wird, Metallteil und Polymerformteil anschließend in Flächenkontakt miteinander gebracht werden und Metallteil und Polymerformteil anschließend miteinander verpresst werden, wobei die zur Verbindung mit dem zumindest einen Polymerformteil vorgesehene Oberflächenbeschichtung des Metallteils vor dem Inkontaktbringen mit dem zumindest einen Polymerformteil durch Aufrauhen aktiviert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil mittels Induktionserwärmung erwärmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil mittels Infrarotbestrahlung erwärmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil mittels Konduktion oder in einem Wärmeofen erwärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufrauhen der Oberflächenbeschichtung des Metallteils derart erfolgt, daß die Oberflächenbeschichtung zum Schutz des Metallteils dabei intakt, das heißt geschlossen bleibt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verbindung mit dem zumindest einen Polymerformteil vorgesehene Oberflächenbeschichtung des Metallteils vor dem Erwärmen durch Materialabtrag mittels Kugelstrahltechnik aktiviert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verbindung mit dem Metallteil vorgesehenen Oberflächen des zumindest einen Polymerformteils vor dem Verbinden der Teile mit einem Haftvermittler beschichtet werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil vor dem Verbinden mit dem zumindest einen Polymerformteil zunächst auf eine Temperatur von 150–270°C erwärmt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil nach dem Erwärmen und vor dem Verbinden mit dem zumindest einen Polymerformteil eine Temperaturausgleichsphase durchläuft, die zu einer Temperatur von 150–200°C im Verbindungsbereich führt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Polymerformteil zum Verbinden mit einem Metallteil in einer Druckhaltephase ein bis fünf Minuten unter äußerem mechanischen Druck gehalten wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Druck auf das zumindest eine Polymerformteil in einer ersten Station aufgebaut wird und daß ein Halten des mechanischen Drucks in einer Mehrzahl von weiteren Stationen erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Polymerformteile bereitgestellt werden, die vor dem Inkontaktbringen mit einem Metallteil teilvulkanisiert sind oder voll ausvulkanisiert sind.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß stab- oder rohrförmige Metallteile und halbschalenförmige Polymerformteile bereitgestellt werden, wobei die halbschalenförmigen Polymerformteile die Metallteile jeweils paarweise ringförmig umgreifen.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Polymerformteile bereitgestellt werden, die Metalleinlagen oder Metallauflagen oder Metall- oder Kunststoffummantelungen aufweisen, die mit Abstand zur Kontaktfläche mit den Metallteilen in den Polymerformteilen eingelagert oder an diesen angelagert sind.
  15. Verbundsystem aus einem Metallteil und zumindest einem Polymerformteil, insbesondere Stabilisator mit zwei Stabilisatorlagern, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
  16. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend zumindest eine Oberflächenaktivierungsstation für beschichtete Metallteile, in der eine Oberflächenbeschichtung der Metallteile durch Aufrauhen aktiviert wird, eine Erwärmungsstation für Metallteile, eine Füge- und Druckaufbaustation zum Herstellen des Oberflächenkontakts und zum Druckaufbau zwischen einem Metallteil und zumindest einem Polymerformteil, sowie zumindest eine Druckhaltestation zum Aufrechterhalten des Druckes zwischen dem Metallteil und dem zumindest einen Polymerformteil.
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