DE102011121621A1

DE102011121621A1 - Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kunststoff-Hybrid-Bauteiles und damit hergestelltes Hybrid-Bauteil

Info

Publication number: DE102011121621A1
Application number: DE201110121621
Authority: DE
Inventors: Frank Schieck; Andreas Sterzing
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus einer Metallkomponente und aus einer Kunststoffkomponente bestehenden Hybrid-Bauteiles, bei welchem der für den stoffschlüssigen Verbund von Metall- und Kunststoffkomponente notwendige Wärmeeintrag aus der bei einem vorgelagerten Umformverfahren in der Metallkomponente verbliebenen Restwärme erfolgt. Durch das Verfahren kann die für die Verbindung der Metall- und Kunststoffkomponente zusätzlich aufzuwendende Energie eingespart werden, so dass ein kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung eines solchen Metall-Kunststoff-Hybrid-Bauteiles bereitgestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung eines aus einer Metallkomponente und aus einer Kunststoffkomponente bestehenden Hybrid-Bauteiles sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Hybrid-Bauteil
Kunststoff-Metall-Hybridstrukturen erschließt sich heutzutage ein immer breitender werdendes Anwendungsfeld, da sich in solchen Teilen die Vorteile der beiden miteinander kombinierten Werkstoffe vereinen. So bieten solche Metall-Kunststoff-Verbundkörper unter Wahrung eines hochwertigen Erscheinungsbildes gegenüber reinen Blechkonstruktionen beispielsweise deutliche Kosten- und Gewichtsvorteile, was die Metall-Kunststoff-Hybridtechnologie insbesondere für die unter starker Kostendruck stehende Automobilindustrie sehr interessant macht.
Bei Kunststoff-Metall-Hybridstrukturen kann die Verbindung zwischen Kunststoff und Metall grundsätzlich auf zwei Arten hergestellt werden. Beim Metalleinlegeverfahren („IMA in mould assembly”) werden zunächst Metallblechpressteile in die Spritzgußform eingelegt, um dann mit dem Kunststoff um-, ein- bzw. angespritzt zu werden.
Im Vergleich zum Fügen während des Spritzgießens bietet die Gruppe der sogenannten PMA-Verfahren (post moulding assembly) dem Konstrukteur mehr Freiheit bei der Gestaltung der Kunststoffkomponente. Gemäß der PMA-Technik werden die Metall- und Kunststoffkomponente nämlich zunächst jeweils separat hergestellt, bevor beide Strukturen in einem nachfolgenden Verfahrensschritt miteinander verbunden werden.
Das Post Moulding-Verfahren weist allerdings trotz der großen Gestaltungsfreiheit den Nachteil auf, dass für den notwendigen Verbindungsvorgang der beiden Einzelkomponenten zusätzlich Energie zur Erweichung des Kunststoffes oder eines zwischengefügten Klebers aufgewendet werden muß, um einen stoffschlüssigen Verbund zwischen Kunststoff und Metall zu erreichen.
Es ist demzufolge die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kunststoff-Hybrid-Bauteiles zu schaffen, bei welchem die für die Verbindung der Metall- und Kunststoffkomponente verwendete Energie im Wesentlichen eingespart wird, um somit ein kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kunststoff-Hybrid-Bauteiles bereitzustellen.
Gelöst wird dies durch ein Verfahren, bei dem der für den stoffschlüssigen Verbund von Metall- und Kunststoffkomponente notwendige Wärmeeintrag aus der bei einem vorgelagerten Umformverfahren in der Metallkomponente verbliebenen Restwärme erfolgt.
Vor allem im Automobilbereich werden Bauteile aus Stahl wegen ihrer extrem dünnwandigen Ausführung und den trotzdem sehr hohen Festigkeitsanforderungen zunehmend durch Warmumformverfahren hergestellt. Am Anfang des Warmumformungsprozesses steht dabei der Ofen, in dem die Ausgangsplatinen bis in den Bereich vollständiger Austenitisierung (typischerweise 920°C) erwärmt werden. Die Platinen werden dann heiß in das Werkzeug eingelegt und beim Verpressen ausreichend schnell abgekühlt. Allerdings beträgt die Entnahmetemperatur der umgeformten Bauteile nach Prozessende üblicherweise immer noch 150 bis 250°C.
Erfindungsgemäß wurde erstmals erkannt, das die noch aus der Warmumformung in den Stahlbauteilen vorhandene Restwärme dazu ausgenutzt werden kann, um die noch untemperierte Kunststoffkomponente auf einen Temperatur zu erwärmen, die ihre plastische Verformung zur Herstellung eines stoff- und ggf. formschlüssigen Verbunds mit dem Stahlbauteil gestattet.
Der Vorteil eines derartigen Verfahrens zur Herstellung eines Metall-Kunststoff-Hybrid-Bauteiles liegt in seiner hohen Energieeffizienz infolge der Mehrfachnutzung der ansonsten teilweise ungenutzt als Restwärme verschwendeten Energie, die vorab zur Umformung der Metallkomponente aufgewendet wird,
Vorteilhafterweise wird das Metall-Kunststoff-Hybrid-Bauteil in einer integrierten Prozesskette gefertigt, wobei die Umformung der Metallkomponente und das Zusammenfügen mit der Kunststoffkomponente in zwei direkt aufeinanderfolgenden Teilprozessen erfolgt, so dass eine hohe Paßgenauigkeit der beiden Teilkomponenten durch Vermeidung der Toleranzverschleppung separater Herstellprozesse gewährleistet ist.
Einzelne vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beansprucht und sind anhand der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung erläutert.
Es zeigen:
1 bis 4 den Ablauf der Verfahrensschritte bei einem erfindungsgemäßen Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich grundsätzlich in zwei Verfahrensschritte unterteilen. Die 1 und 2 stellen den ersten Verfahrensschritt dar, bei dem die Metallkomponente 1a des späteren Hybrid-Bauteiles 3 zunächst unter Wärmeeinwirkung und Druck zwischen den zwei Gesenkhälften 4, 5 einer meist hydraulisch angetriebenen Schmiedepresse umgeformt wird. Die als Block geformte Metallkomponente 1a wurde vor dem Einlegen in die untere Gesenkhälfte 5 zunächst in einem nicht dargestellten Ofen. Beispielsweise induktiv erwärmt, um den Kraft- und Arbeitsbedarf für den Umformvorgang zu reduzieren.
In 2 ist das Schmiedestück 1b völlig vom geschlossenen Schmiedewerkzeug umschlossen und nimmt dabei die vom Ober- und Untergesenk 4, 5 vorgegebene Endform an. Auch wenn im Anschluß an den Schmiedevorgang meist ein gestuftes Abkühlen des Schmiedestücks 1b stattfindet, um ihm dadurch zusätzliche Materialeigenschaften zu geben, weist das Schmiedestück 1b nach Umformung und Abkühlung trotzdem noch eine beträchtliche Endtemperatur auf, die in herkömmlichen Schmiedeprozessen als Restwärme meist unwiederbringlich verloren geht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kunststoff-Hybrid-Bauteiles 3 sieht vor, diese nach der Warmumformung gemäß 1 und 2 im metallischen Schmiedestück 1b verbliebene restliche Schmiedewärme dazu zu nutzen, um die Kunststoffkomponente 2a mit der Metallkomponente 1b stoffschlüssig zusammenzufügen. Bei diesem in 3 und 4 dargestellten Fügevorgang wird vorteilhafter Weise die aus dem Gesenkschmiedewerkzeug 4, 5 nach 1 und 2 entnommene, fertig geformte Metallkomponente 1b als Stempelwerkzeug 6 verwendet, um die auf der Matrize 7 liegende blockförmige Kunststoffkomponente 2a unter Druck und Wärmeeinwirkung formschlüssig mit der Metallkomponente 1b zu verpressen und diese dabei gleichzeitig mit der Metallkomponente 1b stoffschlüssig zu verschweißen.
Um eine beliebige Umformung der Kunststoffkomponente 2a und gleichzeitig einen optimal haftenden Verbund zwischen Metall- und Kunststoffkomponente 1b, 2b zu erreichen, muß die vorzugsweise als Faserverbundkunststoff (oder auch Organoblech) bereitgestellte Kunststoffkomponente 2a auf eine oberhalb ihrer Erweichungstemperatur liegende Temperatur, d. h. bei gängigen Faserverbundkunststoffen auf eine Temperatur zwischen 150 und 250°C erwärmt werden. Da dieser erforderliche Temperaturbereich für die Kunststoffumformung in etwa mit dem Temperaturbereich übereinstimmt, den die fertig gepressten Metallteile 1b beim Entladen aus der Schmiedepresse noch aufweisen, können diese beiden Verfahrensschritte (Metallwarmumformung und Herstellung des Metall-Kunststoff-Verbunds) vorteilhafter Weise als direkt aufeinanderfolgende Teilprozesse in einer integrierten Prozesskette durchgeführt werden, so dass eine energieeffiziente und qualitätsgerechte Fertigung von Metall-Kunststoff-Hybridstrukuren 3 ermöglicht wird.
Das Zusammenfügen von Metall- und Kunststoffkomponente 1b, 2b in einer Presse bei gleichzeitiger Verwendung der noch heißen Metallkomponente 1b als Stempelwerkzeug 6 zur Umformung der Kunststoffkomponente 2a, wie in 3 und 4 schematisch illustriert, ist nicht einschränkend zu verstehen, denn die Restwärme aus der Warmumformung der Metallkomponente 1a kann auch jedem anderen Fügeverfahren zur Verbindung von Metall- und Kunststoffkomponente 1b, 2b zugeführt werden, z. B. einer einfachen Klebeverbindung der beiden fertig geformten Komponenten 1b, 2b mittels eines thermisch aktivierbaren Klebstoffs.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines aus einer Metallkomponente (1b) und aus einer Kunststoffkomponente (2b) bestehenden Hybrid-Bauteiles (3), wobei in einem ersten Verfahrensschritt die Metallkomponente (1a) unter Wärmeeinwirkung und Druck umgeformt wird, und wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die Kunststoffkomponente (2a) unter Wärmeeinwirkung und Druck mit der umgeformten Metallkomponente (1b) zur Bildung des Hybrid-Bauteiles (3) stoffschlüssig zusammengefügt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag für den zweiten Verfahrensschritt aus der beim ersten Verfahrensschritt in der umgeformten Metallkomponente (1b) verbliebenen Restwärme erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verfahrensschritte aufeinander folgende Teilprozesse einer integrierten Prozesskette bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Verfahrensschritt die Metallkomponente (1a) in Form eines Halbzeugs bereitgestellt wird, wobei das metallische Halbzeug (1a) zunächst auf eine Verarbeitungstemperatur erwärmt und dann einer thermischen Umformung unterzogen wird, und dass in dem zweiten Verfahrensschritt das umgeformte metallische Halbzeug (1b) der Kunststoffkomponente (2a) zugeführt wird, wobei eine thermische Umformung der Kunststoffkomponente (2a) erfolgt, und dass in einem dritten Verfahrensschritt das aus dem zweiten Verfahrensschritt resultierende Hybrid-Bauteil (3) einer abschließenden Trimmoperation zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verfahrensschritt zwischen der Metallkomponente (1b) und der Kunststoffkomponente (2b) ein thermisch aktivierbarer Klebstoff angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verfahrensschritt die Kunststoffkomponente (2a) mechanisch umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verfahrensschritt die umgeformte Metallkomponente (1b) als formgebendes Werkzeug (6), beispielsweise als Stempel oder Matrize, für die Kunststoffkomponente (2a) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verfahrensschritt die Kunststoffkomponente (2a) durch die Druckbeaufschlagung eines Wirkmediums umgeformt wird.
Hybrid-Bauteil (3), bestehend aus einer Metallkomponente (1b) und aus einer Kunststoffkomponente (2b), dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.
Hybrid-Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffkomponente (2b) aus einem thermoplastischen Faserverbundkunststoff besteht.