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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Festlegung eines Kunststoffformteils an einer Oberfläche eines Metallformteils.
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Aus der Praxis sind zahlreiche Anwendungsbeispiele bekannt, bei denen Kunststoffformteile an einer Oberfläche eines Metallformteils festgelegt werden sollen.
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Große Haushaltsgeräte wie beispielsweise Kühlschränke, Waschmaschinen oder Kaffeeautomaten weisen oftmals Gehäusewandelemente aus Metall auf, die an einem Gehäuserahmen befestigt sind. Die einzelnen Gehäusewandelemente weisen zu diesem Zweck ihrerseits beispielsweise Bohrungen oder Aussparungen auf, um durch diese Bohrungen oder Aussparungen mit geeigneten Befestigungsmitteln wie beispielsweise Schrauben oder Nieten an dem Gehäuserahmen befestigt zu werden. Es ist ebenfalls bekannt, dass die Gehäusewandelemente Abkantungen, Zungen oder umgebogene Laschen aufweisen, um formschlüssig an entsprechenden Ausnehmungen oder Anschlägen an dem Gehäuserahmen festgelegt werden zu können.
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Bei elektrischen oder elektronischen Geräten müssen oftmals einzelne elektronische Komponenten und Bedienungselemente an einem plattenförmigen Grundkörper befestigt werden, der aus Stabilitätsgründen oftmals aus Metall ist. Die hierfür verwendeten Befestigungselemente sind üblicherweise Kunststoffformteile, die daran angepasste Aussparungen in der Metallplatte umgreifen und formschlüssig an diesen Aussparungen festgelegt sind.
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Auch die Befestigung von kleinen Gehäuseelementen und Platten wie beispielsweise Laptopgehäuseteilen, Mobilfunkgerät-Gehäuseteilen oder aber Kfz-Nummernschilder kann durch die Verwendung von daran befestigten Befestigungselementen aus Kunststoff erheblich erleichtert werden.
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Aus der Praxis sind neben einer formschlüssigen Befestigung der Kunststoffformteile, die üblicherweise eine Ausnehmung oder Aussparung in dem Metallformteil erfordern, auch Fügeverfahren bekannt, mit denen ein Kunststoffformteil an einer zumindest in diesem Bereich ebenen Oberfläche eines Metallformteils festgelegt werden kann. Derartige Fügeverfahren finden oftmals in den Fällen Anwendung, bei denen die Oberfläche des Metallformteils möglichst eben und ohne Aussparungen, Durchbrüche oder Abkantungen ausgestaltet sein soll.
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Wenn das Metallformteil in einem Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Kunststoffformteil und dem Metallformteil eine ausreichende Dicke bzw. Materialstärke aufweist, kann eine Ausformung des Kunststoffformteils in einer daran angepassten Ausnehmung an der Oberfläche des Metallformteils kraftschlüssig und formschlüssig festgelegt werden. Solche Fügeverfahren sind jedoch hinsichtlich ihrer Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.
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Es ist ebenfalls möglich, das Kunststoffformteil auf der Oberfläche des Metallformteils festzukleben. Sowohl die hierfür geeigneten Klebematerialien als auch der Klebevorgang sind aufwendig und kostenintensiv. Zudem ist oftmals eine aufwendige Vorbereitung und Bearbeitung der Oberfläche des Metallformteils erforderlich, damit die Klebeverbindung eine ausreichende Festigkeit aufweisen kann.
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Die Verbindung von Kunststoffformteilen mit Metallformteilen in einem ebenen Oberflächenbereich der Metallformteile kann auch in anderen Bereichen vorteilhaft eingesetzt werden. So können beispielsweise in der Automobilindustrie Innenraumverkleidungselemente insbesondere an Türen oder im Dachbereich, Außenspiegel oder Gestaltungselemente mit Befestigungselementen aus Kunststoff versehen und an den jeweils tragenden Teilen in einfacher Weise befestigt werden, ohne dass die Befestigung der Kunststoff-Befestigungselemente auf der gegenüberliegenden und den Insassen zugewandten Oberfläche der betreffenden Komponente sichtbar ist. Auch im Bereich der Sanitärobjekte oder im Anlagenbau können derartige Verbindungen von Kunststoffformteilen mit Metallformteilen zweckmäßig und vorteilhaft sein.
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Im Gegensatz zu einer Verbindung von Kunststofffolien oder Kunststofftafeln mit Metallblechen sind derzeit keine einfach und kostengünstig durchführbaren Verfahren bekannt, mit denen ein dreidimensionales Gebilde aus Kunststoff, bzw. ein Kunststoffformteil auf einer ebenen Oberfläche eines Metallformteils festgelegt werden kann. Das Metallformteil kann dabei auch eine Metallplatte oder ein Metallblech sein, da die Festlegung in einem ebenen Oberflächenbereich des Metallformteils erfolgen soll. Das Kunststoffformteil kann dagegen eine erhebliche Ausdehnung senkrecht zu der Oberfläche des Metallformteils und gegebenenfalls Hinterschneidungen aufweisen. Die Abmessungen einer Kontaktfläche des Kunststoffteils mit dem Metallformteil sollen klein gegenüber der gesamten Oberfläche des Metallformteils sein können.
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Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Verfahren zur Festlegung eines Kunststoffformteils an einer Oberfläche eines Metallformteils so auszugestalten, dass das Kunststoffformteil an einer ebenen Oberfläche des Metallformteils möglichst zuverlässig und kostengünstig festgelegt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem Kunststoffformteil und dem Metallformteil eine haftungsvermittelnde Schicht aus einem Kunststoffsubstrat mit einem Aktivierungsmittel angeordnet ist, wobei das Kunststoffsubstrat der haftungsvermittelnden Schicht und das Kunststoffmaterial des Kunststoffformteils dieselbe oder eine ähnliche Schmelztemperatur aufweisen, und dass das Kunststoffformteil und die haftungsvermittelnde Schicht in einem eine Kontaktfläche umgebenden Bereich während eines Kontaktierungsvorgangs eine Grenztemperatur im Bereich der Schmelztemperaturen des Kunststoffformteils und der haftungsvermittelnden Schicht aufweisen, so dass das Kunststoffformteil mit der haftungsvermittelnden Schicht verschmilzt. Bei der haftungsvermittelnden Schicht kann es sich um eine dünne Folie handeln, die flächig auf der Oberfläche des Metallformteils aufgebracht ist. Das in der haftungsvermittelnden Schicht enthaltene Aktivierungsmittel kann beispielsweise eine geeignete Säure sein, die in die Oberfläche des Metallformteils eindringt und diese Oberfläche so verändert oder beeinflusst, dass die Kunststofffolie dauerhaft und hochfest mit dem Metallformteil verbunden ist. In Abhängigkeit von dem Metallmaterial des Metallformteils kann das Aktivierungsmittel einen Aktivator auf Säure-Basis, ein Beizmittel oder eine andere die Oberfläche des Metallformteils angreifende chemische Substanz sein, bzw. in ausreichender Konzentration beinhalten. Es sind weitere Aktivierungsmittel mit unterschiedlichen Wirkweisen und unterschiedlichen Aktivierungshilfsmittel bekannt, die mit einem Kunststoffsubstrat beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen kombiniert werden können. Die haftungsvermittelnde Schicht ist zweckmäßigerweise extrusionsfähig und kann beispielsweise mit üblichen Blasextrusionsverfahren oder Folienextrusionsverfahren hergestellt werden.
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Durch die haftungsvermittelnde Schicht kann die Oberfläche des Metallformteils gleichzeitig mit einem Korrosionsschutz versehen werden. Die haftungsvermittelnde Schicht kann auch eine elektrische Trennschicht bzw. einen Isolator für das damit bedeckte Metallformteil bilden. Zudem kann eine flüssigkeits- und gasdichte Befestigung des Kunststoffformteils mit der haftungsvermittelnden Schicht und damit mit dem Metallformteil erzeugt werden, die für einzelne Verwendungszwecke äußerst vorteilhaft ist.
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Das Kunststoffformteil wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht unmittelbar auf der Oberfläche des Metallformteils festgelegt, sondern stoffschlüssig mit der haftungsvermittelnden Schicht verbunden. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen zwei Kunststoffmaterialien, die idealerweise identisch oder sehr ähnlich, zumindest jedoch für eine stoffliche Verbindung zueinander kompatibel sind, lässt sich einfach und kostengünstig herstellen. Eine aufwendige Oberflächenbearbeitung des Metallformteils ist weder bei der Befestigung der haftungsvermittelnden Schicht noch bei der Festlegung des Kunststoffformteils erforderlich. Die stoffliche Verbindung zwischen dem Kunststoffformteil und der haftungsvermittelnden Schicht kann beispielsweise durch geeignete Kunststoff-Schweißverfahren oder aber durch ausreichendes Erwärmen und Anpressen erzeugt werden. Dabei ist es völlig ausreichend, dass das Kunststoffformteil und die haftungsvermittelnde Schicht in dem die Kontaktfläche umgebenden Bereich während des Kontaktierungsvorgangs eine Grenztemperatur aufweisen, bei der eine stoffliche Verbindung bzw. ein Aufschmelzen des Kunststoffformteils und haftungsvermittelnden Schicht im Bereich der Kontaktfläche ermöglicht wird. Die Grenztemperatur kann dabei jede Temperatur sein, bei der das Kunststoffformteil und die haftungsvermittelnde Schicht mindestens Bereichsweise anschmilzt, bzw. plastisch verformbar wird und bei der noch kein vollständiger Formverlust eintritt, der zu einer Verformung oder Zerstörung des Kunststoffformteils oder der haftungsvermittelnden Schicht führen könnte.
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Die Grenztemperatur ist abhängig von dem im Einzelfall verwendeten Kunststoffsubstrat der haftungsvermittelnden Schicht und dem Kunststoffmaterial des Kunststoffformteils. Um die thermischen Belastungen möglichst gering zu halten und gleichzeitig eine zuverlässige stoffflüssige Verbindung gewährleisten zu können, ist es zweckmäßig, dass das Kunststoffsubstrat der haftungsvermittelnden Schicht und das Kunststoffmaterial des Kunststoffformteils eine zumindest ähnliche oder nahezu identische Schmelztemperatur aufweisen. Idealerweise ist das Kunststoffsubstrat identisch zu dem Kunststoffmaterial. In Abhängigkeit von dem Kunststoffsubstrat, bzw. dem Kunststoffmaterial beträgt die Grenztemperatur zwischen 80 °C bis etwa 300 °C.
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Als besonders geeignete Kunststoffmaterialen, bzw. Kunststoffsubstrate werden beispielsweise Thermoplaste, Elastomere und insbesondere thermoplastische Elastomere angesehen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kunststoffmaterial des Kunststoffformteils einen möglichst geringen Schwindungswert aufweist und sowohl das Kunststoffmaterial des Kunststoffformteils als auch das Kunststoffsubstrat der haftungsvermittelnden Schicht einen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten aufweisen, der ähnlich oder identisch zu dem Wärmeausdehnungs-Koeffizient des Metallformteils ist. Diese Anforderungen können beispielsweise mit gefüllten oder verstärkten Thermoplasten bzw. mit langfaserverstärkten Kunststoffmaterialien erreicht werden. Durch eine geeignete Modifizierung, bzw. mit Hilfe von geeigneten Zusatzstoffen können insbesondere bei flüssigkristallinen Thermoplasten die Schwindungswerte und der Wärmeausdehnungs-Koeffizient angepasst und so vorgegeben werden, dass diese Eigenschaften mit den Eigenschaften des Metallformteils möglichst übereinstimmen.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das Metallformteil mit der haftungsvermittelnden Schicht in ein Werkzeug zur Herstellung des Kunststoffformteils eingebracht wird und das Kunststoffformteil auf der haftungsvermittelnden Schicht des Metallformteils aus einer Kunststoffschmelze hergestellt wird. In dem Bereich der Kontaktfläche ist die Wärmeenergie der in das Werkzeug eingebrachten Kunststoffschmelze oftmals ausreichend, um die haftungsvermittelnde Schicht in dem die Kontaktfläche umgebenden Bereich anzuschmelzen, bevor die Kunststoffschmelze abkühlt und erstarrt. Auf diese Weise kann während der Herstellung des Kunststoffformteils in einem einzigen Arbeitsgang gleichzeitig die stoffflüssige Verbindung des Kunststoffformteils mit der haftungsvermittelnden Schicht, bzw. mit dem mit der haftungsvermittelnden Schicht verbundenen Metallformteil hergestellt werden.
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Das Metallformteil kann dabei entweder vollständig innerhalb der Werkzeugform angeordnet sein, oder aber an einer die Kontaktfläche bildenden Öffnung des Werkzeugs dicht anliegen und in dem Bereich der Kontaktfläche die das herzustellende Kunststoffformteil umgebende Grenzfläche bilden.
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Bei einer besonders einfachen und kostengünstigen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Kunststoffformteil auf die haftungsvermittelnde Schicht des Metallformteils aufgespritzt wird. Geeignete Kunststoff-Spritzverfahren sind für zahlreiche verschiedene Kunststoffmaterialien bekannt und praxiserprobt.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Kunststoffformteil an die haftungsvermittelnde Schicht angedrückt wird. Das Kunststoffformteil kann dabei in einem separaten Arbeitsgang mit einem üblichen und gegebenenfalls bereits vorhandenen Werkzeug hergestellt werden. Zur Festlegung des Kunststoffformteils müssen lediglich das Kunststoffformteil und/oder die haftungsvermittelnde Schicht ausreichend erwärmt werden und anschließend aneinander angedrückt werden, so dass der die Kontaktfläche umgebende Bereich des Kunststoffformteils und der haftungsvermittelnden Schicht aufschmilzt und eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird. Eine derartige Vorgehensweise kann insbesondere bei großen Metallformteilen zweckmäßig sein, die nur mit erheblichem Aufwand vollständig in ein Werkzeug eingebracht oder dicht anliegend an einem Werkzeug angeordnete werden können.
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Die Kunststoffformteile können entweder mittels eines geeigneten Automaten oder manuell an die haftungsvermittelnde Schicht angedrückt werden. Die Erwärmung des Kunststoffformteils, bzw. des Metallformteils kann vorab bewirkt werden oder aber während des Anpressens des Kunststoffformteils und des Metallformteils während des Kontaktierungsvorgangs erzeugt werden.
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Es ist ebenso möglich und für verschiedene Anwendungsfälle vorteilhaft, das Kunststoffformteil aus mindestens zwei verschiedenen Kunststoffmaterialien hergestellt wird. Dabei können unterschiedliche Bereiche des Kunststoffformteils an jeweilige Aufgaben angepasst sein. Es ist ebenfalls möglich und zweckmäßig, einen der Kontaktfläche zugewandten Bereich des Kunststoffformteils aus einem Kunststoffmaterial herzustellen, dass besonders kompatibel zu dem Kunststoffsubstrat der haftungsvermittelnden Schicht ist, während andere funktionale Bereiche des Kunststoffformteils aus einem für diesen Zweck besonders geeigneten Kunststoffmaterial bestehen. Das Kunststoffformteil kann in einem Arbeitsschritt mit 2-K- oder 3-K-Spritzverfahren herstellt werden, oder aber in mehreren Arbeitsschritten jede Kunststoffmaterial-Komponente gesondert hergestellt, bzw. ergänzt werden.
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Es ist ebenso denkbar, einzelne Bereiche der Oberfläche des Metallformteils mit unterschiedlichen haftungsvermittelnden Schichten zu versehen, die jeweils ein anderes Kunststoffsubstrat beinhalten. Weiterhin ist es möglich, innerhalb einer einzigen haftungsvermittelnden Schicht bei deren Herstellung oder im Verlauf einer anschließenden Modifikation mehrere Bereiche auszubilden, in denen verschiedene Kunststoffsubstrate die Kontaktfläche zur Befestigung der Kunststoffformteile bilden. Auch die haftungsvermittelnde Schicht kann in einem Arbeitsschritt mit 2-K- oder 3-K-Spritzverfahren herstellt werden, oder aber in mehreren Arbeitsschritten jede Kunststoffsubstrat-Komponente gesondert hergestellt, bzw. ergänzt werden. Zudem ist es möglich, die haftungsvermittelnde Schicht als Extrusionsfolie oder mit Hilfe einer Breitschlitzdüse vorab herzustellen oder nahezu zeitgleich mit dem Kontaktierungsvorgang zu erzeugen und auf der Oberfläche des Metallformteils anzuordnen.
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Die haftungsvermittelnde Schicht kann in einem gesonderten Arbeitsschritt bereichsweise oder vollflächig auf der Oberfläche des Metallformteils angeordnete werden.
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In vielen Fällen ist eine Erwärmung der haftungsvermittelnden Schicht notwendig, um das Aktivierungsmittel auf die Oberfläche des Metallformteils einwirken zu lassen. Bei einem Aktivierungsmittel auf Säure-Basis sind dabei üblicherweise Temperaturen im Bereich von 200 °C und höher erforderlich.
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Es ist ebenfalls denkbar und für einige Anwendungen vorteilhaft, dass das Kunststoffformteil zusammen mit der haftungsvermittelnden Schicht an die Oberfläche des Metallformteils gedrückt wird. Die haftungsvermittelnde Schicht kann beispielsweise eine Transfer-Folie sein. Die haftungsvermittelnde Schicht wird dabei lokal im Bereich der Kontaktfläche erwärmt und aus der Folienbahn ausgestanzt, bzw. herausgelöst. Auf diese Weise können sowohl die Anbringung der haftungsvermittelnden Schicht auf der Oberfläche des Metallformteils als auch die stoffschlüssige Verbindung des Kunststoffformteils mit der haftungsvermittelnden Schicht in einem einzigen Arbeitsvorgang durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass das Kunststoffformteil vor Beginn des Kontaktierungsvorgangs in den die Kontaktfläche umgebenden Bereich erwärmt wird. Der Wärmeeintrag kann mit möglichst einfachen und kostengünstigen Erwärmungsmethoden, wie beispielsweise durch Induktion, durch Konvektion oder durch Infrarot-Strahlung bewirkt werden. Da die Erwärmung auf den die Kontaktfläche umgebenden Bereich beschränkt sein kann, ist es ausreichend, dass eine geringe Wärmeenergie gezielt zugeführt wird.
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In gleicher Weise ist es möglich, dass das Metallformteil vor Beginn des Kontaktierungsvorgangs in dem die Kontaktfläche umgebenden Bereich erwärmt wird. Die kann dann im Hinblick auf die Verfahrensdauer vorteilhaft sein, wenn eine größere Anzahl einzelner Kunststoffformteile an einem einzigen Metallformteil festgelegt werden sollen und das Metallformteil vollflächig oder in mehreren Bereich erwärmt wird, um eine gleichzeitige Festlegung der mehreren Kunststoffformteile zu ermöglichen.
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Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass das Metallformteil auf eine Temperatur oberhalb der Grenztemperatur erwärmt wird, die haftungsvermittelnde Schicht auf der ebenen Oberfläche des erwärmten Metallformteils aufgebracht wird und während des Abkühlens des Metallformteils das Kunststoffformteil an die haftungsvermittelnde Schicht angedrückt wird. Ein derartiges Verfahren ist insbesondere dann vorteilhat, wenn für die Befestigung der haftungsvermittelnden Schicht auf der ebenen Oberfläche des Metallformteils und für die Aktivierung des Aktivierungsmittels eine höhere Temperatur als für die stoffflüssige Verbindung des Kunststoffformteils mit der haftungsvermittelnden Schicht erforderlich ist. Auf einen zusätzlichen Wärmeeintrag, bzw. eine gesonderte Erwärmung des Kunststoffformteils zur Herstellung der stoffflüssigen Verbindung mit der haftungsvermittelnden Schicht kann dann verzichtet werden.
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In Einzelfällen kann es zweckmäßig sein, dass das Kunststoffformteil auf eine Temperatur im Bereich der Grenztemperatur erwärmt wird, bevor das Kunststoffformteil an die haftungsvermittelnde Schicht angedrückt wird. Dadurch kann gegebenenfalls in kürzerer Zeit eine eventuell noch festere, noch zuverlässigere Festlegung des Kunststoffformteils an der haftungsvermittelnden Schicht bewirkt werden. Zudem ist der für die Erwärmung des Kunststoffformteils erforderliche Wärmeeintrag geringer, da die haftungsvermittelnde Schicht bereits erwärmt ist und Wärme während des Abkühlens an das Kunststoffformteil übertragen kann.
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Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil mit einem Metallformteil mit einer ebenen Oberfläche und mit einem mit dem Metallformteil verbundenen Kunststoffformteil.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen dem Kunststoffformteil und der ebenen Oberfläche des Metallformteils eine haftungsvermittelnde Schicht aus einem Kunststoffsubstrat mit einem Aktivierungsmittel angeordnet ist, und dass das Kunststoffformteil und die haftungsvermittelnde Schicht in einem Bereich eine Kontaktfläche miteinander verschmolzen sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die haftungsvermittelnde Schicht eine erste Lage aus dem Kunststoffsubstrat und eine zweite Lage aus dem Kunststoffsubstrat mit dem Aktivierungsmittel aufweist. Der Anteil des Kunststoffsubstrats mit dem darin enthaltenen oder eingebetteten Aktivierungsmittel kann dadurch unabhängig von einer Dicke der haftungsvermittelnden Schicht gering sein. Dies ist im Hinblick auf die wesentlich höheren Kosten eines derartigen Materials im Vergleich zu dem Kunststoffsubstrat ohne Aktivierungsmittel vorteilhaft.
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Nachfolgend wird der Erfindungsgedanke anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs zur Festlegung eines Kunststoffformteils an einer Oberfläche eines Metallformteils, wobei das Metallformteil in eine Werkzeugform eingebracht wird und das Kunststoffformteil an die Oberfläche des Metallformteils angespritzt wird.
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2 eine schematische Darstellung eines anderen Herstellungsverfahrens, bei dem das Metallformteil an eine einseitig offene Werkzeugform angedrückt und das Kunststoffformteil an die Oberfläche des Metallformteils angespritzt wird,
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3 eine schematische Darstellung eines wiederum anderen Herstellungsverfahrens, bei dem ein bereits hergestelltes Kunststoffformteil an die Oberfläche des Metallformteils angedrückt und dabei erwärmt wird,
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4 ein wiederum anderes Herstellungsverfahren, bei dem eine haftungsvermittelnde Schicht eine Transferfolie ist, die gleichzeitig und zusammen mit dem Kunststoffformteil auf die erwärmte Oberfläche des Metallformteils angedrückt wird,
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5 eine schematische Darstellung eines Bauteils, bei dem ein Kunststoffformteil auf einem Metallformteil festgelegt ist, und
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6 eine schematische Darstellung eines Bauteils gemäß 5, wobei die zwischen dem Kunststoffformteil und dem Metallformteil angeordnete haftungsvermittelnde Schicht anders ausgestaltet ist.
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Bei einem in 1 exemplarisch dargestellten Herstellungsverfahren wird ein Metallformteil 1, dessen eine Oberfläche 2 mit einer haftungsvermittelnden Schicht 3 überzogen ist, in eine Werkzeugform 4 eingebracht. Die haftungsvermittelnde Schicht 3 besteht aus einem Kunststoffsubstrat mit einem Aktivierungsmittel auf Säure-Basis. In einem vorausgegangenen Arbeitsschritt wurde das Metallformteil auf eine Temperatur von etwa 200 ° C erwärmt, so dass das Aktivierungsmittel aus der haftungsvermittelnden Schicht 3 in die Oberfläche 2 des Metallformteils 1 eingedrungen ist und eine zuverlässige und dauerhafte Verbindung der haftungsvermittelnden Schicht 3 mit dem Metallformteil 1 erzeugt hat.
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In der Werkzeugform 4 sind Heizvorrichtungen 5 angeordnet, mit deren Hilfe das Metallformteil 1 und die darauf befestigte haftungsvermittelnde Schicht 3 auf eine Grenztemperatur von etwa 150 °C bis 160 °C erwärmt wird. Anschließend wird mit einem geeigneten Kunststoffspritzvorgang eine Kunststoffschmelze in die Werkzeugform 4 eingebracht und ein Kunststoffformteil 6 hergestellt. Im Bereich einer Kontaktfläche 7 verschmilzt die durch den Kunststoff-Spritzvorgang in die Werkzeugform 4 eingebrachte Kunststoffschmelze vor dem Abkühlen und Erstarren mit der haftungsvermittelnden Schicht 3 und bildet eine feste und mechanisch belastbare stoffschlüssige Verbindung.
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Nach dem Abkühlen und Entformen kann das Metallformteil 1 mit dem angespritzten und darauf festgelegten Kunststoffformteil 6 entnommen werden.
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Bei einem ersten Ausführungsbeispiel zu diesem Verfahrensablauf wird ein Edelstahlblech mit einer Dicke von 0,8 mm mit einer haftungsvermittelnden Schicht 3 aus einem Polypropylensubstrat beschichtet und in die Werkzeugform 4 eingebracht. Die erwärmte Werkzeugform 4 überträgt Wärmeenergie, so dass das beschichtete Edelstahlblech und die haftungsvermittelnde Schicht 3 auf eine Grenztemperatur von etwa 155 °C und damit etwas unterhalb der Schmelztemperatur von Polypropylen im Bereich von 160–165 °C erwärmt werden. Anschließend wird das glasfaserverstärkte Kunststoffmaterial auf Polypropylen-Basis mit einer Massetemperatur von etwa 255 °C in die Werkzeugform 4 eingespritzt. Während ohne eine Vorwärmung der haftungsvermittelnden Schicht 3 keine stoffschlüssige Verbindung möglich wäre, reicht die Wärmeenergie der eingespritzten Kunststoffschmelze aus, um die vorgewärmte haftungsvermittelnde Schicht 3 im Bereich der Kontaktfläche anschmilzt und mit der eingespritzten Kunststoffschmelze verschmilzt, bevor diese abkühlt und das Kunststoffformteil 6 bildet.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Edelstahlblech mit 0,8 mm Dicke mit einer haftungsvermittelnden Schicht 3 aus einem Kunststoffsubstrat beschichtet, das ein Gemisch aus Polypropylen und Polyamid ist. Die Schmelztemperatur des Kunststoffgemischs der haftungsvermittelnden Schicht 3 ist auf Grund des Anteils von Polyamid etwas höher und im Bereich von etwa 190 °C. Das beschichtete Edelstahlblech wird auf etwa 175 °C vorgewärmt. Anschließend wird ein glasfaserverstärkte Kunststoffmaterial auf Polyamid-Basis mit einer Massetemperatur von etwa 270 °C in die Werkzeugform 4 eingespritzt, wobei die eingespritzte Kunststoffschmelze aus Polyamid vor dem Abkühlen die vorgewärmte haftungsvermittelnden Schicht 3 anschmilzt und eine stoffschlüssige Verbindung des gespritzten Kunststoffformteils 6 aus glasfaserverstärktem Polyamid und der haftungsvermittelnden Schicht 3 des Metallformteils 1 bildet.
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Bei dem in 2 schematisch dargestellten Herstellungsverfahren wird das Metallformteil 1 nicht vollständig in die Werkzeugform 4 eingebracht. Stattdessen weist die Werkzeugform 4 im Bereich der Kontaktfläche 7 eine Öffnung auf, an die das Metallformteil 1 angedrückt wird und dadurch die Werkzeugform 4 verschließt. Dabei wird das Metallformteil 1 so ausgerichtet und angeordnet, dass die Oberfläche 2 mit der haftungsvermittelnden Schicht 3 der Öffnung in der Werkzeugform 4 zugewandt ist. Durch einen ausreichend hohen Anpressdruck des Metallformteils 1 an die Werkzeugform 4 wird sichergestellt, dass bei einem anschließenden Kunststoff-Spritzvorgang kein Kunststoffmaterial aus der Werkzeugform 4 austreten kann.
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Bei dem in 2 dargestellten Herstellungsverfahren kühlt das für das Kunststoffformteil 6 verwendete Kunststoffmaterial während des Einspritzvorgangs nur langsam ab. Die eingespritzte Kunststoffschmelze bleibt ausreichend lange plastisch verformbar, um ohne eine zusätzliche Erwärmung des Metallformteils 1 die haftungsvermittelnde Schicht 3 im Bereich der Kontaktfläche 7 anzuschmelzen und eine stoffschlüssige Verbindung im Bereich der Kontaktfläche 7 herzustellen, bevor die Kunststoffschmelze endgültig erstarrt und das Kunststoffformteil 6 aus der Werkzeugform 4 entnommen werden kann.
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Die in 2 dargestellte Variante des Herstellungsverfahrens ohne vorausgehende Erwärmung des Metallformteils 1 mit der haftungsvermittelnden Schicht 3 setzt voraus, dass die in die Werkzeugform 4 eingespritzte Kunststoffschmelze ausreichend Wärmeenergie übertragen kann, um die haftungsvermittelnde Schicht 3 auf die Grenztemperatur und darüber hinaus zu erwärmen und dann im Bereich der Kontaktfläche 7 anzuschmelzen. Natürlich kann auch bei dieser Anordnung des Metallformteils 1 an und nicht in der Werkzeugform 4 eine Erwärmung des Metallformteils 1 mit der haftungsvermittelnden Schicht 3 vorab durchgeführt werden, falls dadurch die angestrebte stoffschlüssige Verbindung unterstützt oder erst ermöglicht wird.
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Bei dem in 3 und 4 exemplarisch dargestellten Herstellungsverfahren wird das Kunststoffformteil 6 in einem vorausgehenden Arbeitsschritt gesondert hergestellt. Bei dem in 3 gezeigten Herstellungsverfahren wird das bereits mit einer haftungsvermittelnden Schicht 3 überzogene Metallformteil 1 erwärmt und das Kunststoffformteil 6 an die haftungsvermittelnde Schicht 3 angepresst. Der mit der Heizvorrichtung 5 erzeugte Wärmeeintrag ist dabei ausreichend groß, um die haftungsvermittelnde Schicht 3 und das Kunststoffformteil 6 im Bereich der Kontaktfläche 7 auf oder etwas über die Grenztemperatur zu erwärmen, bei der ein die Kontaktfläche 7 umgebender Bereich plastisch verformbar wird und anschmilzt, um dadurch eine fest stoffflüssige Verbindung zwischen dem Kunststoffformteil 6 und der haftungsvermittelnden Schicht 3 zu erzeugen.
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Bei dem in 4 exemplarisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist die haftungsvermittelnde Schicht 3 eine Transfer-Folie, die gleichzeitig und zusammen mit dem Kunststoffformteil 6 an die Oberfläche 2 des Metallformteils 1 angepresst wird. Das Metallformteil 1 wurde dabei vorher mit der Heizvorrichtung 5 auf eine ausreichend hohe Temperatur erwärmt, so dass während des Kontaktierungsvorgangs, bzw. während des Anpressens des Kunststoffformteils 6 mit der haftungsvermittelnden Schicht 3 an die Oberfläche 2 des Metallformteils 1 ein ausreichender Wärmeübertrag stattfindet, um die haftungsvermittelnde Schicht 3 und das Kunststoffformteil 6 im Bereich der Kontaktfläche 7 auf die Grenztemperatur zu erwärmen und die stoffschlüssige Verbindung zu erzeugen. Sofern die mit der Heizvorrichtung 5 an der Oberfläche 2 des Metallformteils 1 erzeugte Temperatur nicht ausreichen sollte, um gleichzeitig auch das Aktivierungsmittel in der haftungsvermittelnden Schicht 3 zu aktivieren und eine dauerhafte Festlegung der haftungsvermittelnden Schicht 3 auf dem Metallformteil 1 zu bewirken, kann in einem anschließenden Verfahrensschritt eine erneute und gegebenenfalls kurzzeitig stärkere Erwärmung des Metallformteils 1 durchgeführt werden, um das Aktivierungsmittel zu aktivieren.
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In den 5 und 6 wird jeweils exemplarisch ein Bauteil 8 gezeigt, bei dem das Metallformteil 1 mit dem Kunststoffformteil 6 verbunden ist. In einem die Kontaktfläche 7 umgebenden Bereich 9 sind das Kunststoffformteil 6 und die haftungsvermittelnde Schicht 3 miteinander verschmolzen und bilden dadurch eine feste und mechanisch belastbare stoffflüssige Verbindung.
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Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Kunststoffformteil 6 drei Bereiche 10, 11 und 12 auf, die jeweils aus einem unterschiedlichen Kunststoffmaterial hergestellt sind. Auch die haftungsvermittelnde Schicht 3 weist eine erste, dickere Lage 13 aus einem Kunststoffsubstrat und eine zweite dünne Lage 14 aus dem Kunststoffsubstrat mit einem Aktivierungsmittel auf. Da das Aktivierungsmittel vergleichsweise kostenintensiv ist, können auf diese Weise Materialkosten für die Herstellung der haftungsvermittelnden Schicht 3 eingespart werden. Zudem kann das für die erste Lage 13 verwendete Kunststoffsubstrat optimal an das für den die Kontaktfläche 7 angrenzenden Bereich 12 des Kunststoffformteils 6 verwendete Kunststoffmaterial angepasst werden, um eine möglichst zuverlässige und hochfeste stoffflüssige Verbindung zu begünstigen.
