DE102009052085A1

DE102009052085A1 - Verbundbauteil aus einem Metallbauteil und einem Kunststoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102009052085A1
Application number: DE200910052085
Authority: DE
Inventors: Fred Dipl.-Ing. Eggers; Peter Dipl.-Ing. Pelke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verbundbauteil und dessen Herstellungsverfahren aus einem Metallbauteil und einem Kunststoff bereit. Dabei wird eine stoffschlüssige Verbundhaftung zwischen der Metallbauteil-Oberfläche (MO) und dem Kunststoff geschaffen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Vorbehandelns von zumindest einer Teilfläche einer Oberfläche des Metallbauteils (MO), ein kathodisches Tauchlackieren der Teilfläche der Metallbauteil-Oberfläche und Aktivieren der kathodischen Tauchlack-Schicht (T) mittels eines Atmosphärendruck-Plasmabehandlungsverfahrens, sowie ein Beschichten zumindest der mit aktivierter Tauchlack-Schicht (T) beschichteter Teilfläche, an der die stoffschlüssige Verbundhaftung hergestellt werden soll, mit einem Haftvermittler (H). Dieser enthält zumindest ein Mischpolyamid. Der Vorbehandlung folgt das Anspritzen einer Polyamidschicht (P) auf die vorbehandelte Metallbauteil-Oberfläche (MO).

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zur Fertigung eines Verbundbauteils aus einem Metallbauteil und einem Kunststoff, wobei eine stoffschlüssige Verbundhaftung zwischen der Metallbauteil-Oberfläche und dem Kunststoff geschaffen wird, und das Verbundbauteil selbst.
Aufgrund ökonomischer Faktoren und Aspekten des Umweltschutzes ist es ein Ziel im Fahrzeugbau, das Gewicht und so den Treibstoffverbrauch der Fahrzeuge zu senken. Hierzu werden Bauteile benötigt, die eine hohe Festigkeit bei nur einem geringen Eigengewicht aufweisen.
Diese Eigenschaften erfüllen Bauteile aus Stahl oder Leichtmetall, wie Aluminiumblech oder Aluminium-Druckguss, die mit Hilfe des IHU-Verfahrens hergestellt wurden. Beim IHU Verfahren werden Formstücke aus Metall unter sehr hohem Druck zum Fließen gebracht, wobei sehr exakte und leichte Bauteile mit extrem hoher Festigkeit entstehen.
Allerdings neigen Metalle, abgesehen von den Edelmetallen, zur Bildung von Oxid- und/oder Hydroxidschichten an ihrer Oberfläche. Die Schichten variierender Dicke bilden Poren aus, in die sich Flüssigkeiten, respektive Wasser einlagern kann. Verbunden mit dieser Oberflächenhydratisierung ergibt sich eine schlechte Anbindung bzw. Haftung von Kunststoffen, die auf diese Bauteile zu Schaffung von Verbundstrukturteilen aufgebracht werden sollen. Gerade auch bei Bauteilen aus Aluminium können Belastungen zu unvorhersehbaren Ablöseerscheinungen der zweiten Verbundkomponente oder zu Brüchen innerhalb dieser Oxid- und/oder Hydroxidschicht führen.
Darüber hinaus führt die vorgenannte Oberflächenstruktur dazu, dass sich diese Werkstoffe auch schlecht verkleben lassen, da die poröse Oberfläche schlecht mit dem Klebstoff vollständig benetzt werden kann, was häufig zum vorzeitigen Versagen einer Verklebung dieser Bauteile führt.
Diese Problematik wird auch in der DE 10 2004 033 728 A1 adressiert, die ein Verfahren zum Bearbeiten und Verkleben von Werkstücken aus einem Metall oder einer Metall-Legierung mit einer hydratisierten Oxid- und/oder Hydroxidschicht beschreibt. Die Werkstoffoberfläche wird dort durch Reinigungsprozesse, insbesondere durch die Anwendung eines Plasmaverfahrens und Aktivierungs- und Beschichtungsprozesse so behandelt, dass die Verbindung von zwei Werkstücken, davon zumindest eines aus Metall, verbessert wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines qualitativ hochwertigeren Verbundbauteils aus einem Metallbauteil und aus Polyamid zu schaffen, das eine stoffschlüssige Verbundhaftung zwischen der Metallbauteil-Oberfläche und dem Kunststoff aufweist.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst; ein entsprechend verbessertes Verbundbauteil wird durch das Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 5 bereitgestellt.
Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Verbundbauteils aus einem Metallbauteil und einem Kunststoff, das eine stoffschlüssige Verbundhaftung zwischen der Metallbauteil-Oberfläche und dem Kunststoff bereitstellt, sieht zunächst das Vorbehandeln der Metalloberfläche oder zumindest das Vorbehandeln einer Teilfläche der Metallbauteil-Oberfläche vor, die mit Kunststoff beschichtet werden soll. Dabei wird auf diese Teilfläche mittels eines kathodischen Tauchlackierverfahrens eine Tauchlack-Schicht aufgebracht. Anschließend wird diese kathodische Tauchlack-Schicht unter Anwendung eines Atmosphärendruck-Plasmabehandlungsverfahrens aktiviert, ehe ein Haftvermittler auf dem Flächenteil der aktivierten Tauchlack-Schicht, an dem die stoffschlüssige Verbundhaftung hergestellt werden soll, aufgetragen wird. Die Aktivierung bewirkt, dass die Metall-Oberfläche modifiziert und eine gleichmäßige Anlagerung des Haftvermittlers ermöglicht wird.
Generell kann natürlich die ganze Oberfläche des Werkstückes behandelt werden, es ist aber auch möglich, lediglich Teile der Fläche, abhängig von der vorgesehenen Kunststoffschicht, zu bearbeiten.
Der Haftvermittler enthält wenigstens ein Mischpolyamid, insbesondere ein Ultramid 1K^®, erhältlich über BASF SE Ludwigshafen, Deutschland, wobei dieses Mischpolyamid zum gleichmäßigen Auftrag auf die Tauchlack-Schicht in Alkohol gelöst wird.
Nach dem Auftragen des Haftvermittlers kann das Anspritzen einer Polyamidschicht auf die vorbehandelte Metallbauteil-Oberfläche erfolgen. Dabei wird das Mischpolyamid der Haftvermittlerschicht angeschmolzen.
So ermöglicht die erfindungsgemäße Kombination aus einer aktivierten Tauchlack-Schicht und einem Haftvermittler eine feste, stoffschlüssige Verbindung eines Metallbauteils mit Polyamid-Kunststoffen, was ohne diese Kombination nur mit unzulänglicher Qualität gelingt.
Dieses Verfahren ermöglicht sowohl die Beschichtung von einfachen Metallbauteilen wie Blechbauteilen mit Polyamid, aber auch komplexere Verbundwerkstoffe lassen sich in einem erfindungsgemäßen kombinierten Herstellungsverfahren schaffen, das neben den vorgenannten Schritten noch das Innenhochdruckumformen des Metallbauteils umfassen kann. Ob die Behandlung der Metalloberfläche dabei vor oder nach dem Innenhochdruckumformen erfolgt, weiß der Fachmann zu entscheiden.
Geeignete Metallbauteile für den Leichtbau gerade im Automobilbereich können daher aus Stahlblech, Aluminiumblech oder Aluminium-Druckguss beschaffen sein, auch Aluminium- oder Stahl-Strangprofilen können eingesetzt werden. Diese Werkstoffe lassen sich erfindungsgemäß mit einem Kunststoff zu einem leichten und stabilen Verbundwerkstoff verbinden, wobei eine stoffschlüssige Verbundhaftung zwischen der Metallbauteil-Oberfläche und dem Kunststoff, hier dem Polyamid, geschaffen wird, wenn die offenbarte aktivierte Tauchlack-Schicht und der Haftvermittler zwischen zumindest dem Flächenteil, an dem die stoffschlüssige Verbundhaftung bestehen soll und der Polyamidschicht aufgetragen wird. Der Haftvermittler, ein in Alkohol gelöstes Mischpolyamid, wird gleichmäßig, beispielsweise durch ein Sprüh-, Druck- oder insbesondere durch ein Piezodruckverfahren auf die bereits mittels kathodischer Tauchlakierung beschichtete Metallbauteil-Oberfläche, beziehungsweise auf zumindest den Teil der Metallbauteil-Oberfläche der die aktivierte Tauchlack-Schicht trägt, aufgebracht. Das Piezodruckverfahren ermöglicht dabei eine klar konturierte Beschichtung und erlaubt eine sehr gute Abgrenzung von Teilflächen. Nach dem Aufbringen verdunstet der Alkohol und eine feste Schicht aus Mischpolyamid wird gebildet.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigt:
1 eine Schnittansicht durch einen Querträger,
2 ein Schema des Schichtaufbaus der Verbundbauteile.
1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil, hier einen Querträger. Das Metallbauteil M, beispielsweise ein Aluminiumrohr, wurde durch Innenhochdruckumformung geformt. Auf diesem Metallbauteil M ist eine Tauchlack-Schicht T zu erkennen, auf die ein Haftvermittler H aufgebracht worden ist. Dieser Haftvermittler H wird nach Aktivierung der Tauchlack-Schicht T mittels eines Atmosphärendruck-Plasma-Verfahrens der Metallbauteil-Oberfläche MO aufgetragen, die bereits die aktivierte Tauchlack-Schicht T trägt. Auf die Haftvermittlerschicht H ist durch Anspritzen eine Polyamidschicht P aufgebracht worden.
Der erfindungsgemäße Schichtaufbau ist in 2 verdeutlicht dargestellt; er ermöglicht die Herstellbarkeit von leichten, kostengünstigen und hochfesten, stoffschlüssig verbundenen Metallkunststoffbauteilen. Dabei wird die Oberfläche des Metallbauteils M, das aus einem Stahlblech, einem Aluminiumblech oder einem Aluminium-Druckguss bestehen kann oder das ein Aluminium-Strangprofil oder ein Stahl-Strangprofil, ein Magnesiumblech oder ein Magnesium-Druckgussteil sein kann, durch Aufbringen und Aktivieren einer Tauchlack-Schicht T vorbereitet. Mittels kathodischer Tauchlackierung (KTL) wird eine Tauchlack-Schicht T auf die Metallbauteil-Oberfläche MO aufgebracht und geht durch Aktivierung mittels eines Atmosphärendruck-Plasmaverfahrens mit der Metalloberfläche eine feste Verbindung ein. Die Metallbauteil-Oberfläche MO wird dabei unter Ausbildung einer Reaktionsschicht RS so modifiziert, dass sie gleichmäßig mit dem Haftvermittler H beschichtet werden kann.
Bei dem Haftvermittler H handelt es sich bevorzugt um ein Mischpolyamid, welches zum Aufbringen auf die Vorbeschichtung in Alkohol gelöst wird. Der Alkohol verdunstet und eine feste Schicht aus Mischpolyamid wird gebildet.
In der Grenzschicht GS, die dabei entsteht, kommt es zu einer Wechselwirkung mit der Reaktionsschicht RS, die durch die Aktivierung der Tauchlack-Schicht (T) geschaffen wurde. Diese Wechselwirkung schafft den stoffschlüssigen, qualitativ hochwertigen Verbund zu der nun zuoberst aufgetragenen Kunststoff- respektive Polyamidschicht. Das Polyamid kann auf einfache Weise mittels Spritzgusstechnik angespritzt werden, wobei das Mischpolyamid der Haftvermittlerschicht angeschmolzen wird und eine feste Verbindung ausgebildet wird.
Dieser vorteilhafte Schichtaufbau bewirkt eine hochbelastbare, dauerhafte Verbindung zwischen Metall und Kunststoff.
So ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren erstmals die Verbindung von Metallbauteilen mit Polyamidkunststoffen mit einer qualitativ hochwertigen, hochfesten stoffschlüssigen Verbindung.
Die erfindungsgemäßen Verbund- oder Hybridbauteile aus Metall und Kunststoff sind daher sehr gut für den Fahrzeugbau geeignet. Ihr geringes Gewicht und die hochfeste stoffschlüssige Verbindung machen sie sehr belastbar bei einer hohen Eigenfrequenzfestigkeit, so dass sie den hohen Anforderungen in Bezug auf NVH (Noise, Vibration and Harshness) genügen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004033728 A1 [0006]

Claims

Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils aus einem Metallbauteil und einem Kunststoff, wobei eine stoffschlüssige Verbundhaftung zwischen einer Metallbauteil-Oberfläche (MO) und dem Kunststoff bereitgestellt wird, umfassend die Schritte: – Vorbehandeln von zumindest einer Teilfläche der Metallbauteil-Oberfläche (MO), umfassend ein kathodisches Tauchlackieren der Teilfläche der Metallbauteil-Oberfläche und Aktivieren der kathodischen Tauchlack-Schicht (T) mittels eines Atmosphärendruck-Plasmabehandlungsverfahrens und ein Beschichten von zumindest der mit der aktivierten Tauchlack-Schicht (T) beschichteten Teilfläche, an der die stoffschlüssige Verbundhaftung hergestellt werden soll, mit einem Haftvermittler (H), der zumindest ein Mischpolyamid enthält und – Anspritzen einer Polyamidschicht (P) auf die vorbehandelte Metallbauteiloberfläche (MO).
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischpolyamid ein in Alkohol lösliches Mischpolyamid, insbesondere ein Ultramid 1K^®, ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend den Schritt – Innenhochdruckumformen des Metallbauteils (M) vor dem Vorbehandeln der Teilfläche der Metallbauteil-Oberfläche (MO), oder vor dem Anspritzen der Polyamidschicht (P).
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (MO) ein Leichtbauteil aus einem Stahlblech oder einem Aluminiumblech, ein Stahl-Strangprofil, ein Aluminium-Druckgussteil oder ein Aluminium-Strangprofil, ein Magnesiumblech oder ein Magnesium-Druckgussteil ist.
Verbundbauteil aus einem Metallbauteil und einem Kunststoff, wobei eine stoffschlüssige Verbundhaftung zwischen der Metallbauteil-Oberfläche (MO) und dem Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Polyamid (P) ist und dass eine aktivierte Tauchlack-Schicht (T) und eine Haftvermittlerschicht (H) zwischen zumindest der Teilfläche, an der die stoffschlüssige Verbundhaftung besteht, und der Polyamidschicht (P) vorliegt, und wobei der Haftvermittler (H) wenigstens ein Mischpolyamid enthält.