DE102011002872B4 - Verfahren zur Herstellung einer Zylinderkopfdichtung und dadurch hergestellte Zylinderkopfdichtung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Zylinderkopfdichtung als Flachbauteil mit mindestens einem Brennraumstopper oder Hinterlandstopper, umfassend:
- Bereitstellen eines Trägers;
- Anreichern eines Plasmastrahls mit Material des zu bildenden mindestens einen Brennraumstopper oder Hinterlandstopper; und
- Aufbringen von mindestens einem Brennraumstopper oder Hinterlandstopper auf den Träger, indem mittels des angereicherten Plasmastrahls Material in zumindest im Wesentlichen flüssiger Form aufgetragen, mit dem Träger verbunden und verfestigt wird, wobei durch lokal unterschiedliche Oberflächenbehandlung, nämlich ortsabhängiges Glätten oder Aufrauen, der Kontaktwinkel zwischen Träger und Brennraumstopper oder Hinterlandstopper ortsabhängig eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderkopfdichtung und eine dadurch hergestellte Zylinderkopfdichtung als ein Flachbauteil mit einem oder mehreren Hinterlandstoppern oder Brennraumstoppern (die im Folgenden auch als Funktionselemente bezeichnet werden). Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem mittels Plasmastrahlen durch Sintern Funktionselemente aufgebracht werden.
  • Sinterstopper, die als Beispiel für solche Funktionselemente dienen sollen, werden derzeit durch ein aufwendiges Siebdruckverfahren auf ein Flachbauteil aufgetragen und anschließend durch einen aufwendigen und kostenintensiven nachträglichen Sinterprozess eingebrannt und verfestigt.
  • DE 102 07 589 A1 offenbart ein Verfahren zum direkten Erzeugen einer Leiterbahn auf einem Trägerbauteil durch ein strahlgebundenes thermisch-kinetisches Auftragsverfahren. DE 101 09 087 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils mit einer integrierten Leiterbahn, wobei die Leiterbahn u.a. aus einem Gas oder aus einem Plasma abgeschieden wird. US 2008/ 0 280 040 A1 betrifft eine Dichtung, bei der insbesondere mittels eines Spritzverfahrens ein vorbestimmtes Muster von erhöhten oder vertieften Abschnitten aus einem sekundären Material auf einem primären Dichtungsmaterial aufgetragen wird. US 2002/ 0 180 161 A1 , EP 0 574 166 A1 und US 5 769 430 A betreffen metallische Flachdichtungen, die thermisch gespritzte Erhebungen, insbesondere Stopper, aufweisen.
  • Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren zum Aufbringen von Hinterlandstoppern oder Brennraumstoppern für eine als Flachbauteil ausgeführte Zylinderkopfdichtung, bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderkopfdichtung als Flachbauteil mit mindestens einem Brennraumstopper oder Hinterlandstopper gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiter wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Zylinderkopfdichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11. Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen an.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderkopfdichtung als Flachbauteil mit mindestens einem Brennraumstopper oder Hinterlandstopperbereitgestellt, umfassend:
    • - Bereitstellen eines Trägers;
    • - Anreichern eines Plasmastrahls mit Material des zu bildenden mindestens einen Brennraumstoppers oder Hinterlandstoppers; und
    • - Aufbringen von mindestens einem Brennraumstopper oder Hinterlandstopper auf den Träger, indem mittels des angereicherten Plasmastrahls Material in zumindest im Wesentlichen flüssiger Form aufgetragen, mit dem Träger verbunden und verfestigt wird, wobei durch lokal unterschiedliche Oberflächenbehandlung, nämlich ortsabhängiges Glätten oder Aufrauen, der Kontaktwinkel zwischen Träger und Brennraumstopper oder Hinterlandstopper ortsabhängig eingestellt wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sehr flexibel Funktionselemente auf Bauteile aufgebracht werden. Durch den gezielten Materialauftrag kann unter minimalem Energieeinsatz und stark verringertem Anfall von Abfallmaterial produziert werden. Durch das Aufbringen, welches ein gleichzeitiges Auftragen, Verbinden mit dem Träger und Verfestigen umfasst, kann ein hoher Durchsatz pro Zeiteinheit erzielt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird während des Aufbringens die Auftreffstelle des Plasmastrahls auf dem Träger variiert.
  • Das Funktionselement kann so nach und nach jeweils an der Auftreffstelle des Plasmastrahls gebildet werden. Um in Bezug auf die Fläche der Auftreffstelle größere bzw. längere Funktionselemente zu bilden, kann die Auftreffstelle während des Aufbringens variiert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Variieren der Auftreffstelle des Plasmastrahls, den Plasmastrahl in Bezug auf den Träger und/oder den Träger in Bezug auf den Plasmastrahl zu verfahren.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Variieren der Auftreffstelle des Plasmastrahls, die Fläche der Auftreffstelle zeitabhängig und/oder ortsabhängig zu variieren. Dies kann beispielsweise durch zeit- und/oder ortsabhängige variable Fokussierung und/oder Abstand zu der Auftreffstelle erreicht werden.
  • Diese Ausführungsform kann z.B. ein Funktionselement mit ortsabhängiger Breite erzeugen.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Aufbringen mit einer zeitabhängigen und/oder ortsabhängigen Auftragungs-Rate.
  • Durch eine pro Zeiteinheit geringere bzw. höhere Auftragungs-Rate kann beispielsweise eine senkrecht (z-Richtung) zur Oberfläche des Bauteils verlaufende Topographie des Funktionselements erzeugt werden.
  • Alternativ kann durch Verwenden einer ortsabhängigen Verweildauer des Plasmastrahls je Auftreffstelle eine unterschiedlich hohe Auftragungsmenge des Materials erzielt werden, um die z-Topographie zu erzeugen.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird das Anreicherungsmaterial zeitabhängig und/oder ortsabhängig variiert. Dies beinhaltet die Verwendung von zwei oder mehr verschiedenen Anreicherungsmaterialien, die je nach Zeitpunkt und/oder Ort eingesetzt werden. Ebenfalls können Mehrkomponentenmaterialien verwendet werden, wobei die jeweiligen Anteile der mehreren Komponenten zeitabhängig und/oder ortsabhängig variiert werden können.
  • Es ist mit dieser Ausführungsform beispielsweise möglich, ortsabhängig unterschiedliche Materialien bzw. Materialmischungen, z.B. aus einem Auftragungsmaterial A und einem zweiten Material B, zu verwenden, um Eigenschaften des Funktionselements ortsabhängig einzustellen.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Anreicherungsmaterial Metallpulver, Sinterpaste, Lötpaste oder Kombinationen daraus.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfestigen Sintern.
  • Das Verfahren umfasst weiter ein ortsabhängiges Einstellen des Kontaktwinkels zwischen Träger und Funktionselement. Durch die variable Einstellung des Kontaktwinkels kann eine verbesserte Verteilung von Spannungen bzw. verbesserte Krafteinleitung am Funktionselement ins Bauteil erreicht werden. Auch kann dadurch gezielt eine erhöhte Spannungseinleitung, beispielsweise an besonders steifen Stellen des Bauteils (etwa im Einbauzustand, abhängig von den Gegebenheiten anderer Bauteile wie etwa Motoren etc., an der das erfindungsgemäße Bauteil angebracht wird), erreicht werden, um dadurch andere weniger steife Stellen zu entlasten. Des Weiteren kann dadurch gezielt eine Spannungsverteilung, beispielsweise an besonders weichen bzw. weniger steifen Stellen, erreicht werden, um dadurch diese weichen bzw. weniger steifen Stellen zu entlasten oder Kräfte gezielt auf steife Stellen zu leiten.
  • Das ortsabhängige Einstellen des Kontaktwinkels zwischen Träger und Funktionselement kann durch eine ortsabhängige Variation des Anreicherungsmaterials und/oder eine ortsabhängige Oberflächenbehandlung des Trägers erfolgen. Durch gezieltes, ortsabhängiges Glätten bzw. Aufrauhen kann bei gegebener Materialkombination der Kontaktwinkel wie gewünscht beeinflusst werden. Dies kann alternativ durch ortsabhängige Wahl des Anreicherungs- bzw. Beschichtungsmaterials erreicht werden. Eine Kombination von Oberflächenbehandlung des Trägers und Variation des Anreicherungsmaterials ist ebenfalls möglich.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Oberflächenbehandlung eine oder mehrere Methoden umfassen aus:
    • - Plasma-Aktivierung;
    • - Ätzen;
    • - Säubern;
    • - Schleifen;
    • - (Vor-) Beschichten.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Zylinderkopfdichtung als Flachbauteil bereitgestellt, hergestellt nach einem Verfahren wie vorstehend beschrieben.
  • Erfindungsgemäß weist das mindestens eine Funktionselement einen Querschnitt auf, der eines umfasst von
    • - Kreisausschnitt;
    • - Kreisschicht;
    • - elliptisch;
    • - Viel-Eck; und
    • - Trapez.
  • Durch entsprechende Wahl der Querschnittsform ist etwa die Steuerung der Spannungsverläufe möglich, wenn Kräfte über das Funktionselement in das Bauteil eingeleitet werden.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung;
    • 2 zeigt mögliche Querschnitte von Funktionselementen gemäß der Erfindung; und
    • 3 zeigt weitere mögliche Querschnitte von Funktionselementen gemäß der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die folgende Beschreibung bezieht sich der Einfachheit halber auf Flachbauteile. Die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt, sondern kann auch für andere Bauteile Verwendung finden, die nicht zwangsläufig flach sind.
  • Der Kontaktwinkel bezeichnet den Winkel, den eine Flüssigkeit auf der Oberfläche eines Feststoffes zu dieser Oberfläche ausbildet. Der Kontaktwinkel ist charakteristisch für verschiedene Materialkombinationen aus Flachbauteil und Funktionselement.
  • Das Funktionselement kann oberflächen-behandelt sein (gesäubert, geschliffen, plasmaaktiviert, beschichtet, geätzt). Die Art der Oberflächenbehandlung beeinflusst den Kontaktwinkel bei einer gegebenen Materialkombination und kann daher erfindungsgemäß genutzt werden, um gewünschte Kontaktwinkel zu erreichen. Eine lokal unterschiedliche Oberflächenbehandlung ermöglicht es, den Kontaktwinkel ortsabhängig zu gestalten, bei ansonsten gleicher Materialwahl von Träger/Anreicherungs- bzw. Beschichtungsmaterial. Ergänzend oder alternativ dazu kann die Wahl der Materialien, insbesondere des Beschichtungs- bzw. Anreicherungsmaterials, entsprechend erfolgen, um den gewünschten Kontaktwinkel zu erhalten.
  • Bezüglich der Anwendung im Sinne der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit Funktionselementen auf einer Trägeroberfläche bedeutet dies: Es wird von einem Kontaktwinkel ausgegangen, unter welchem die auftretenden Spannungen im Funktionselement optimal, also etwa ohne Spannungskonzentration und damit das Material schonend, auf das Flachbauteil übertragen werden. Es kann nun entweder einem Funktionselement in Form eines Festkörpers durch mechanische / chemische Bearbeitung dieser optimale Winkel zeit- und arbeitsaufwendig nachträglich verliehen werden, mit allen Toleranzen und anderen Nachteilen, die sich dabei ergeben.
  • Der Erfinder hat jedoch herausgefunden, dass stattdessen erfindungsgemäß eine Flüssigkeit verwendet werden kann, um das Funktionselement aufzubringen. Da die Flüssigkeit dabei von selbst versuchen wird, den optimalen Kontaktwinkel auszubilden, kann in diesem Fall gemäß der Erfindung auf eine problembehaftete Nachbearbeitung zum Erhalten des Winkels verzichtet werden.
  • Ein weiterer Vorteil dabei besteht darin, dass Flüssigkeiten benetzen, während Festkörper in der Regel nur an wenigen Kontaktpunkten aufliegen. Somit ist durch die Verwendung einer Flüssigkeit zum Bilden des Funktionselements ebenfalls eine verbesserte Spannungsverteilung im Bauteil insgesamt zu erreichen, da die Kontaktfläche zwischen Funktionselement und Flachbauteil vergrößert wird. Die Erfindung nutzt somit die Benetzungsfähigkeiten einer Flüssigkeit aus.
  • Zum Einen verbindet sich das Funktionselement dadurch überall mit dem Flachbauteil, im Gegensatz zu punkt- oder linienförmigen Schweißungen. Zum anderen kann bei geeigneter Materialwahl des Funktionselementes und des Bauteils ein Benetzungswinkel erzeugt werden, welcher die gewünschte Eigenschaft Kraftfokussierung, Kraftverteilung oder Kraftdefokussierung im Endprodukt erreicht.
  • Die Erfindung betrifft daher auch die gezielte Wahl bzw. Erstellung eines bestimmten Kontaktwinkels, um so eine bestimmte Art der Spannungsverteilung zu erhalten. Ein rechter Winkel zwischen Festkörperfunktionselement und Flachbauteil erzeugt beispielsweise Spannungsspitzen. Hingegen kann durch einen Kontaktwinkel kleiner 90° die Spannung besser verteilt werden. Eine bewusst eingesetzte Spannungskonzentration ist ebenfalls sinnvoll, z.B. wenn die Struktursteifigkeit eines Motors stark variiert und nur in strukturstarken Bereichen Kräfte eingeleitet werden sollen, oder wenn hohe Pressungswerte zur Abdichtung erzielt werden müssen. In diesem Fall kann durch einen Kontaktwinkel größer 90° die Spannung besser auf die entsprechenden Stellen konzentriert werden.
  • In 1 ist in schematischer Weise die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Einem Plasmastrahlgerät 2 können (hier zwei verschiedene) Materialien A bzw. B zugeführt werden. Diese Materialien können beispielsweise Metallpulver, Lötpasten, Sinterpasten etc. umfassen. In einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform kann eine andere Anzahl verschiedener Materialien verwendet werden. Auch ist die Verwendung von Mehrkomponentenmaterialien möglich, wobei dann optional die Anteile der mehreren Komponenten variiert werden können.
  • Der mit z.B. Sinterpaste angereicherte Plasmastrahl 4 kann dann gerichtet und präzise, z.B. durch einen Roboter oder Verfahrtisch, an einer beliebigen Position auf das Flachbauteil 10 ausgerichtet werden. An der angefahrenen Position erfolgt durch den Plasmastrahl 4 ein gleichzeitiges Auftragen, Verbinden und Verfestigen (Sintern) des im Plasmastrahl verflüssigten Sinterpulvers auf dem Flachbauteil 10, um einen Teil des Funktionselements zu bilden.
  • Durch weiteres Verfahren des Plasmastrahls 4 entlang vorgegebener Wege und unter Verwendung eines kontinuierlichen Auftrags können so zusammenhängende Funktionselemente beliebiger Geometrie (sowohl in X- und Y-Richtung als auch in Z-Richtung = Topographie) hergestellt werden. Durch mehrfaches Anfahren einer bestimmten Stelle und/oder durch Erhöhen der Anreicherungs- bzw. Auftragungsrate des Plasmastrahls 4 kann die Höhe des Funktionselements wie gewünscht eingestellt werden. Auch ist es dadurch möglich, den Querschnitt des Funktionselements wie gewünscht zu erstellen (also beispielsweise breite Basis und sich verjüngende Spitze des Funktionselements).
  • In fortgeschrittenen Ausführungsformen wird die Fläche und/oder Form der Auftreffstelle des Strahls ortsabhängig und/oder zeitabhängig (etwa bei mehrfacher Beschichtung der gleichen Stelle, um eine Topographie zu erzeugen) variiert, um Funktionselemente mit einstellbarem Querschnitt und/oder einstellbarem Verlauf zu bilden.
  • In der 1 sind die erfindungsgemäßen Funktionselemente, ein Brennraumstopper 8 für Brennräume 12 und ein Hinterlandstopper 6, gezeigt.
  • Alternativ zur Bewegung des Plasmastrahls 4 in Relation zu dem Bauteil kann das Flachbauteil 10 selbst gegenüber dem Plasmastrahl 4 bewegt werden.
  • In Regel folgt der Querschnitt des Funktionselements wie etwa eines Sinterstoppers einer Kurvenkontur. Nachfolgend sind typische Konturen aufgelistet. Diese können entweder asymmetrisch, symmetrisch oder völlig unregelmäßig ausgebildet sein:1. Kreisausschnitt 2. Kreisschicht 3. Elliptische Kontur 4. Viel Eck (1 -n Ecken) 5. Trapez Kennzeichnend für diese Querschnittsgeometrien ist, dass diese einen Winkel zwischen dem Flachbauteil und dem gesinterten Funktionselement aufweisen, wie in 2 dargestellt. Dieser Kontaktwinkel (auch Randwinkel oder Benetzungswinkel genannt) kann zwischen 0° (Null) Grad und kleiner 180° liegen. Im Falle von Winkeln deutlich kleiner 90° spricht man von hydrophil, bei Winkel um 90° von hydrophob und bei Winkeln deutlich größer als 90° von superhydrophob.
  • In 2 sind weitere mögliche Querschnittsformen gezeigt, in 3 noch verschiedene andere.
  • Ein Vorteil das von der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrens ist es, dass Materialien ausgewählt werden können, welche optimale Kontaktwinkel hinsichtlich einer Optimierung z.B. des Spannungsverlaufes, von Spannungsverteilungen im Funktionselement oder Flachbauteil aufweisen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch entsprechende Wahl bzw. Beeinflussung des Kontaktwinkels ein exaktes und platzsparendes Aufbauen von Material senkrecht zum Flachbauteil zu realisieren ist. Weiterhin kann durch die gezielte Wahl bzw. Beeinflussung des Kontaktwinkels entweder eine verbesserte Spannungsverteilung erzielt werden, oder es kann eine bewusste Konzentration der Spannungen in Bereichen vorgesehen werden, welche diese Spannungen besser aufnehmen können als andere, die wiederum entlastet werden.
  • Die Erfindung bietet die folgenden Vorteile:
    1. a) Kosten sparend: Funktionselemente können Abfall vermeidend und Energie sparend hergestellt werden.
    2. b) Erhöhung des Produktions-Durchsatzes pro Zeitzyklus aufgrund des Verzichts auf langwieriges Sintern.
    3. c) Material schonend: Im Gegensatz zu geprägten Stoppern erfolgt keine Beeinträchtigung der Bauteilstruktur durch Prägen oder Ziehen.
    4. d) Verwendung von optimalen Materialien: Anstelle der Verwendung von einheitlichen bzw. All-in-One Lösungen, was immer mit Kompromissen einhergeht, können mit der Erfindung nur an gezielten und benötigten Stellen auf die jeweilige Anwendung abgestimmt Funktionselemente angebracht werden.
    5. e) Neue Konstruktionsmöglichkeiten: Die Erzeugung einer Topographie wird möglich, eine kleinere Bauweise ist ebenfalls möglich, da an bis hin zu sehr dünnen Stellen des Bauteils Funktionselemente aufgebracht werden können

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderkopfdichtung als Flachbauteil mit mindestens einem Brennraumstopper oder Hinterlandstopper, umfassend: - Bereitstellen eines Trägers; - Anreichern eines Plasmastrahls mit Material des zu bildenden mindestens einen Brennraumstopper oder Hinterlandstopper; und - Aufbringen von mindestens einem Brennraumstopper oder Hinterlandstopper auf den Träger, indem mittels des angereicherten Plasmastrahls Material in zumindest im Wesentlichen flüssiger Form aufgetragen, mit dem Träger verbunden und verfestigt wird, wobei durch lokal unterschiedliche Oberflächenbehandlung, nämlich ortsabhängiges Glätten oder Aufrauen, der Kontaktwinkel zwischen Träger und Brennraumstopper oder Hinterlandstopper ortsabhängig eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Aufbringens die Auftreffstelle des Plasmastrahls auf den Träger variiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Variieren der Auftreffstelle des Plasmastrahls umfasst, den Plasmastrahl in Bezug auf den Träger und/oder den Träger in Bezug auf den Plasmastrahl zu verfahren.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Variieren der Auftreffstelle des Plasmastrahls umfasst, die Fläche der Auftreffstelle zeitabhängig und/oder ortsabhängig zu variieren.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen mit einer zeitabhängigen und/oder ortsabhängigen Auftragungs-Rate erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anreicherungsmaterial zeitabhängig und/oder ortsabhängig variiert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Anreicherungsmaterial Metallpulver, Sinterpaste, Lötpaste oder Kombinationen daraus umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfestigen Sintern umfasst.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend ortsabhängiges Einstellen des Kontaktwinkels zwischen Träger und Brennraumstopper oder Hinterlandstopper durch ortsabhängige Variation des Anreicherungsmaterials.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenbehandlung eines oder mehrere umfasst aus: - Plasma-Aktivierung; - Ätzen; - Säubern; - Schleifen; - Beschichten.
  11. Zylinderkopfdichtung als Flachbauteil, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
  12. Zylinderkopfdichtung als Flachbauteil nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine Brennraumstopper oder Hinterlandstopper einen Querschnitt aufweist, der eines umfasst von - Kreisausschnitt; - Kreisschicht; - elliptisch; - Viel-Eck; und - Trapez.
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