DE102011010997A1

DE102011010997A1 - Verbundbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102011010997A1
Application number: DE201110010997
Authority: DE
Inventors: Wojciech Brymerski; Dipl.-Ing. Eggers Fred; Dr. Ing. Kropla Oliver; Dipl.-Ing. Pelke Peter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2012-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil (10) aus einem metallischen Hohlprofil (12), insbesondere einem innenhochdruckumgeformten Hohlprofil, und einem angespritzten Kunststoff (16), wobei in einem Verbindungsbereich (14) zwischen dem Hohlprofil (12) und dem Kunststoff (16) Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) in das Hohlprofil (12) eingebracht sind, wobei die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) stochastisch über den Verbindungsbereich (14) verteilt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5 bzw. 9.
Solche Verbundbauteile sind dem Stand der Technik als allgemein bekannt zu entnehmen. Besonders breite Anwendung finden im Zuge moderner Leichtbaubestrebungen sogenannte Spritzguss-IHU-Hybride. Zur Herstellung derartiger Bauteile wird ein Hohlprofil durch Innenhochdruck umgeformt und anschließend vorzugsweise im gleichen Werkzeug zumindest bereichsweise mit Kunststoff umspritzt, um so weitere Strukturen zu schaffen. Ein Beispiel für derartige Verbundbauteile ist aus der DE 10 2005 013 719 A1 bekannt.
Ein Problem bei der Herstellung von derartigen Verbundbauteilen ist die Haftung zwischen Kunststoff und Metall. Zur Haftungsverbesserung wird üblicherweise eine gründliche Oberflächenreinigung durchgeführt. Auch die Verwendung von zusätzlichen Haftvermittlern im zu umspritzenden Bereich des Metallprofils ist bekannt. Ferner ist es aus der DE 10 2005 013 719 A1 bekannt, den Verbindungsbereich per körnigem Strahlmittel mikroskopisch aufzurauen bzw. makroskopisch eine Radialrändelung oder eine Ringnut im Verbindungsbereich zwischen Kunststoff und Metall in das Metall mechanisch einzubringen, so dass sich der Kunststoff in den Vertiefungen festsetzen kann.
Bei Bauteilen, die insbesondere unregelmäßigen Vibrationslasten oder dergleichen unterliegen, wie beispielsweise Kraftwagenbauteilen, kann dies zu einem frühzeitigen Versagen der Verbindung zwischen Kunststoff und Metall führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verbundbauteil der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine besonders gute Verbundhaftung zwischen Kunststoff und Metall aufweist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Verbundbauteils bereitzustellen
Diese Aufgabe wird durch ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 bzw. 9 gelöst.
Bei einem derartigen Verbundbauteil ist ein metallisches Hohlprofil, insbesondere ein innenhochdruckumgeformtes Hohlprofil zumindest bereichsweise mit einem Kunststoff umspritzt. In einem Verbindungsbereich zwischen dem Hohlprofil und dem angespritzten Kunststoff sind dabei Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente in das Hohlprofil eingebracht. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente stochastisch über den Verbindungsbereich verteilt sind. Durch die stochastische Verteilung der Strukturelemente weist der Verbindungsbereich bezüglich äußerer Krafteinwirkungen keine Vorzugsrichtungen auf, so dass eine besonders haltbare Verbindung zwischen Metall und Kunststoff geschaffen wird. Im Gegensatz dazu sind die bekannten geordneten Strukturen nicht isotrop belastbar. Aufgrund der Vorzugsrichtungen in den Strukturen gibt es Kraftrichtungen, in denen sich die Verbindung zwischen Kunststoff und Metall besonders schnell lösen kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente bezüglich tangentialer Kräfte an der Oberfläche des Hohlprofils isotropes Verhalten zeigen, wenn also aus beliebigen Richtungen tangential einwirkende Kräfte gleich stark von den Strukturelementen abgestützt werden. Neben der Verteilung der Strukturelemente spielt hierfür auch die Form der Strukturelemente selbst eine Rolle.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente kraterförmig ausgebildet und weisen eine gegenüber der Oberfläche des Hohlprofils vertiefte Mulde und einen gegenüber der Oberfläche des Hohlprofils erhöhten umlaufenden Randbereich auf. Derartige Kraterstrukturen führen zu einer besonders guten Verkrallung zwischen dem metallischen Hohlprofil und dem angespritzten Kunststoff, so dass sich ein besonders fester Halt ergibt.
Es ist ferner zweckmäßig, wenn die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente zumindest teilweise Hinterschnitte aufweisen, da diese ebenfalls zu einem besonders guten Halt zwischen Kunststoff und Metall führen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils, bei welchem ein metallisches Hohlprofil durch Innenhochdruckumformen umgeformt und anschließend ein Kunststoff angespritzt wird. Vor dem Anspritzen wird hierbei in einem Verbindungsbereich zwischen dem Hohlprofil und dem Kunststoff eine Anzahl von Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelementen in eine Oberfläche des Hohlprofils eingebracht. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente stochastisch über den Verbindungsbereich verteilt eingebracht werden. Hierdurch ergibt sich eine Oberflächenstrukturierung, die keine Vorzugsrichtungen aufweist, so dass in beliebigen Richtungen wirkende Kräfte vom Verbundbauteil besonders gut abgestützt werden können, ohne dass ein Lösen des Kunststoffs vom Metallprofil zu befürchten ist.
Vorzugweise wird das Einbringen des Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente mittels eines Lasers durchgeführt. Die Anwendung des Lasers führt hierbei zu einem punktuellen Verdampfen von Metall des metallischen Hohlprofils, wodurch sich eine kraterartige Struktur ergibt. Geschmolzenes Metall wird dabei um eine zentrale Mulde herum kraterrandartig aufgeworfen, was zu einer Struktur führt, die eine besonders gute Verkrallung zwischen Kunststoff und Metall erlaubt.
Alternativ hierzu kann das Einbringen der Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente auch durch Prägen und/oder Kerben durchgeführt werden. Derartige mechanische Verfahren führen gegebenenfalls zu geringeren Investitionskosten im Vergleich zu einem lasergestützten Verfahren, sind jedoch weniger frei in der Gestaltung der Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente. Beim Prägen oder Kerben muss zudem berücksichtigt werden, dass die Vertiefungen später keine Sollbruchstellen im Material des Metallprofils darstellen dürfen. Die Präge- oder Kerbtiefe ist somit begrenzt.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente im Verbindungsbereich mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls strukturiert, vorzugsweise unter Bildung einer Rillierung eingebracht werden. Aufgrund der Einwirkung auf die Oberfläche mit einem Laser oder Elektronenstrahl kann extrem genau die Eindringtiefe bzw. die Tiefe des Strukturelements eingestellt werden, so dass das Ausmaß der Kerbwirkung so begrenzt werden kann, dass das Hohlprofil beim Innenhochdruckumformen keinen Schaden nimmt, der zu Ausschussteilen führt. Hierbei wurde in Versuchen überraschend festgestellt, dass nach einer derartigen Bearbeitung (gleich, ob strukturiert und stochastisch) des Hohlprofils sich während des Innenhochdruckumformens im Grund des vertieften Strukturelements Mikrorisse bilden. Diese Mikrorisse bilden hervorragende Ankerstellen für den anschließend aufgespritzten Kunststoff, der sich dort erheblich starker verkrallen kann und damit am Hohlprofil einen besonders guten Halt findet. Das Strukturelement kann eine Rillierung sein, insbesondere in axialer Richtung des Hohlprofils, also auch einen Zick-Zack-Verlauf aufweisen. Auch eine netzartige Ausbildung des Elements ist denkbar.
Bei einer Rillierung können die Rillen je nach Bedarf und Beanspruchung äquidistant oder diskontinuierlich über den Umfang des Hohlprofils verteilt sein; sie können auch unterschiedliche Breite besitzen. Denkbar ist es, mit geeigneter Prozessführung der Innenhochdruckumformung den Rillen einen mikroskopischen Hinterschnitt zu verleihen, was eine weitere Verbesserung des Halts des Kunststoffs am Hohlprofil erbringt.
Insgesamt gesehen hat die durch die Ausführungsformen der Erfindung entstehende mechanische Verkrallung eine derartig hohe Qualität, dass eine chemische Bearbeitung des Hohlprofils mittels Reinigung, Aufbringen von Primer und Haftungsvermittlern entfallen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden das Innenhochdruckumformen, das Einbringen der Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturen sowie das Anspritzen in einem einzigen Werkzeug durchgeführt. Eine derartige Werkzeugkombination ist bereits für das Innenhochdruckumformen mit nachfolgendem Spritzgießen von Kunststoff bekannt. Eine Integration der Oberflächenbearbeitung in ein solches Werkzeug ermöglicht eine besonders kostengünstige und schnelle Durchführung des Verfahrens.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Metallprofils mit bereits strukturierten Verbindungsbereich zum späteren Anspritzen eines Kunststoffs während der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils; und
3 möglicher Formen für Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils.
Um ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Verbundbauteil herzustellen, wird zunächst ein metallisches Hohlprofil 12 durch Innenhochdruckumformen umgeformt. In Verbindungsbereiche 14, in welchen im Folgenden Kunststoffstrukturelemente 16 an das Hohlprofil 12 angespritzt werden sollen, werden zur Verbesserung der Haftung zwischen Metall und Kunststoff Strukturelemente 18 eingebracht, die der Übersichtlichkeit halber nicht alle bezeichnet sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Strukturelemente 18 im Wesentlichen kraterförmig, weisen also gegenüber der sonstigen Oberfläche des Metallprofils 12 eine muldenförmige Vertiefung und einen aufgeworfenen Randbereich auf. Beim Anspritzen der Kunststoffstrukturelemente 16 durch Spritzguss wird so eine besonders gute Verkrallung zwischen Kunststoff und Metall erzielt.
Damit der Halt zwischen Kunststoff und Metall richtungsunabhängig von hoher Qualität ist, werden im gezeigten Beispiel die Strukturelemente 18 nicht vollständig geordnet entlang der Umfangslinien 20 um das Hohlprofil 12 eingebracht, sondern weisen eine stochastische Verteilung entlang der Umfangsprofillinie 20 sowie einen ebenfalls stochastischen seitlichen Versatz auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass keine Vorzugsrichtung ausgebildet wird, so dass der Halt der Kunststoffelemente 16 gegenüber dem Metallprofil 12 unabhängig von der Richtung einwirkender Kräfte von hoher Qualität ist.
Die im Folgenden angespritzten Kunststoffelemente 16 weisen eine Mehrzahl von umfänglich umlaufenden Rippen 22 auf, die an der Oberfläche 24 des Profilbauteils 12 anliegen. Die Rippen 22 überdecken dabei die Strukturelemente 18. Zur zusätzlichen Versteifung sind Querrippen 24 vorgesehen.
Auf diese Art können Verbundstrukturen geschaffen werden, die das Metallprofil 12 als stabilen Träger umfassen, während weitere Funktions- oder Verbindungsstrukturen von den Kunststoffelementen 16 gebildet werden. Derartige Verbundbauteile 10 öffnen dadurch besonders große Gestaltungsspielräume. Durch das Einbringen der Strukturelemente 18 in stochastischen Muster in den Verbindungsbereichen 14 wird gleichzeitig eine besonders gute Haltbarkeit erzielt, so dass ein Lösen bzw. Losbrechen der Kunststoffelemente 16 vermieden wird.
Die Strukturelemente 18 können wie in 1 gezeigt, im Wesentlichen kraterförmig sein. Es ist jedoch auch möglich, andere Formen für die Strukturelemente 18 vorzusehen. Beispiele hierfür sind in 3 dargestellt.
Zum Einbringen der Strukturelemente 18 können mechanische Verfahren verwendet werden. Hierfür eignet sich insbesondere das Prägen oder Kerben, wobei darauf geachtet werden muss, das die Präge- bzw. Kerbtiefe nicht so tief ist, dass eine Sollbruchstelle entsteht.
Ein besonders geeignetes Verfahren zum Einbringen der Strukturelemente 18 ist die Laserbearbeitung der Oberfläche 24 des Metallprofils 12. Dies eignet sich insbesondere zur Herstellung von makroskopischen, kraterförmigen Strukturelementen 18. Durch den Laserstrahl wird dabei in der Oberfläche 24 des Hohlprofils 12 Material verdampft und aufgeschmolzen. Das aufgeschmolzene Material wird durch das verdampfte Material zum Rand der Struktur hin verdrängt, so dass sich die gewünschte kraterförmige Struktur mit zentraler Mulde und umlaufenden, aufgewölbten Rand ergibt.
Bezugszeichenliste

10: Verbundbauteil
12: Hohlprofil
14: Verbindungsbereich
16: Kunststoffstrukturelement
18: Strukturelement
20: Umfangslinie
22: Rippe
24: Oberfläche

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 102005013719 A1 [0002, 0003]

Claims

Verbundbauteil (10) aus einem metallischen Hohlprofil (12), insbesondere einem innenhochdruckumgeformten Hohlprofil, und einem angespritzten Kunststoff (16), wobei in einem Verbindungsbereich (14) zwischen dem Hohlprofil (12) und dem Kunststoff (16) Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) in das Hohlprofil (12) eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) stochastisch über den Verbindungsbereich (14) verteilt sind.
Verbundbauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) bezüglich tangentialer Kräfte an der Oberfläche (24) des Hohlprofils (12) isotropes Verhalten zeigen.
Verbundbauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) kraterförmig mit einer gegenüber der Oberfläche vertieften Mulde und einem gegenüber der Oberfläche erhöhten umlaufenden Randbereich ausgebildet sind.
Verbundbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) zumindest teilweise Hinterschnitte aufweisen.
Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils (10), bei welchem ein metallisches Hohlprofil (12) durch Innenhochdruckumformen umgeformt und anschließend ein Kunststoff (16) angespritzt wird, wobei vor dem Anspritzen in einem Verbindungsbereich (14) zwischen dem Hohlprofil (12) und dem Kunststoff (16) Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) in eine Oberfläche (24) des Hohlprofils (12) eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) stochastisch über den Verbindungsbereich (14) verteilt eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) mittels eines Lasers durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbringen der Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) mittels eines Lasers Material des Hohlprofils (12) im Bereich der Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) durch Prägen und/oder Kerben durchgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils (10), bei welchem ein metallisches Hohlprofil (12) durch Innenhochdruckumformen umgeformt und anschließend ein Kunststoff (16) angespritzt wird, wobei vor dem Anspritzen in einem Verbindungsbereich (14) zwischen dem Hohlprofil (12) und dem Kunststoff (16) Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) in eine Oberfläche (24) des Hohlprofils (12) eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente (18) im Verbindungsbereich (14) mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls strukturiert, vorzugsweise unter Bildung einer Rillierung eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenhochdruckumformen, das Einbringen der Vertiefungs- und/oder Erhöhungsstrukturelemente sowie das Anspritzen in einem einzigen Werkzeug durchgeführt wird.