DE102014225757A1

DE102014225757A1 - Verfahren zur Herstellung einer dichten Verbindung zwischen einem metallischen Bauteil und einer Kunststoffumhüllung mittels einer Zwischenschicht

Info

Publication number: DE102014225757A1
Application number: DE102014225757.3A
Authority: DE
Inventors: Ulf Steinecke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2016-06-16
Also published as: CN105835303A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer dichten Verbindung zwischen einem metallischen Bauteil und einer Kunststoffumhüllung mittels einer Zwischenschicht vorgeschlagen, wobei in einem ersten Verfahrensschritt die Zwischenschicht um das metallische Bauteil spritzgegossen wird, wobei in einem zweiten dem ersten Verfahrensschritt nachfolgenden Verfahrensschritt um die Zwischenschicht die Kunststoffumhüllung spritzgegossen wird, wobei im zweiten Verfahrensschritt ein Anschmelzen der Zwischenschicht an der Grenzfläche zwischen der Kunststoffumhüllung und der Zwischenschicht auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass erst im zweiten Verfahrensschritt ein Anschmelzen der Zwischenschicht an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Bauteil und der Zwischenschicht auftritt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer dichten Verbindung zwischen einem metallischen Bauteil und einer Kunststoffumhüllung mittels einer Zwischenschicht nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
Derartige Verfahren sind allgemein bekannt. Beim Umspritzen eines metallischen Bauteils mit einer Kunststoffumhüllung, können beim Abkühlen der Kunststoffumhüllung nach der Entformung durch Schwindung hervorgerufene Spalte entstehen, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des metallischem Bauteils und der Kunststoffumhüllung weiter verstärkt werden können. Die durch Schwindung hervorgerufenen Spalte können die Dichtigkeit der Verbindung zwischen metallischem Bauteil und Kunststoffumhüllung beeinträchtigen. Des Weiteren können Dichtmassen wie beispielsweise Silikone eingesetzt werden, um eine dichte Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil und der Kunststoffumhüllung zu erzielen. Eine weitere Möglichkeit der nachträglichen Abdichtung besteht in der Montage von Dichtungselementen beispielsweise O-Ringen. Aus der Druckschrift DE 100 41 812 A1 geht zwar eine Leiterbahn mit einem Gehäuse hervor, wobei die dichte Verbindung zwischen der Leiterbahn und dem Gehäuse durch einen durch das Erstarren des Gehäuses hervorgerufenen hydrostatischen Druck auf das Abdichtelement besteht. Es wird jedoch kein Verfahren zur Herstellung einer dichten Verbindung zwischen einem metallischen Bauteil und einer Kunststoffumhüllung ohne aufwendige nachträgliche Montageschritte zur Abdichtung oder weitere Nachbehandlungsschritte, das die gewünschten Dichtungseigenschaften besitzt, offenbart.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer dichten Verbindung zwischen einem metallischen Bauteil und einer Kunststoffumhüllung mittels einer Zwischenschicht gemäß den nebengeordneten Ansprüchen, hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine dichte Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil und der Kunststoffumhüllung, die die gewünschten Dichtigkeitsanforderungen erfüllt, ohne aufwendige nachträgliche Montageschritte zur Abdichtung oder weitere Nachbehandlungsschritte hergestellt wird. Vorzugsweise beinhalten die Dichtheitsanforderungen die Dichtigkeit gegen das Eindringen von Getriebeöl. Das heißt die Leckrate liegt unterhalb von 1·10^–05 mbar·l/s nach 500 Temperaturschockwechseln von –40°C bis +150°C bei einem Differenzdruck von 1 bar. Dies wird dadurch erreicht, dass erst im zweiten Verfahrensschritt, beim Spritzgießen der Kunststoffumhüllung, ein Anschmelzen der Zwischenschicht an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Bauteil und der Zwischenschicht auftritt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer dichten Verbindung zwischen einem metallischen Bauteil und einer Kunststoffumhüllung mittels einer Zwischenschicht ermöglicht in vorteilhafter Weise die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil und der Zwischenschicht ohne aufwendige nachträgliche Montageschritte zur Abdichtung. Die Herstellungskosten sind somit deutlich reduzierbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die dichte Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil und der Kunststoffumhüllung durch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Zwischenschicht und dem metallischen Bauteil und durch Bildung einer Verbindungsgrenzschicht zwischen der Kunststoffumhüllung und der Zwischenschicht erst im zweiten Verfahrensschritt entsteht. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Verbindung hergestellt werden, die hohe Dichtigkeitsanforderungen in einer Lebensdauer stabilen Art und Weise erfüllt, obwohl im ersten Verfahrensschritt eine nichtstoffschlüssige Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil und der Zwischenschicht oder eine in Teilbereichen stoffschlüssige Verbindung an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Bauteil und der Zwischenschicht entsteht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt eine hochviskose Außenhaut der Zwischenschicht auf dem metallischen Bauteil entsteht, wobei zunächst eine nichtstoffschlüssige Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil und der Zwischenschicht entsteht. Alternativ kann eine in Teilbereichen stoffschlüssige Verbindung an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Bauteil und der Zwischenschicht entstehen, wobei die Verbindung zumindest nicht an jeder Stelle rund um die Trennebene stoffschlüssig ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass im ersten Verfahrensschritt weniger Randbedingungen erfüllt werden müssen und die Vorgaben für die Prozessparameter weniger strikt sind.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Trennebene durch das metallische Bauteil verläuft, wobei die Trennebene zwei verschiedene Bereiche voneinander abgrenzt, wobei im ersten Verfahrensschritt die Zwischenschicht so spritzgegossen wird, dass die Zwischenschicht in der Trennebene den gesamten Umfang des metallischen Bauteils umschließt, wobei im zweiten Verfahrensschritt die Kunststoffumhüllung so spritzgegossen wird, dass die Kunststoffumhüllung die Zwischenschicht vollständig umschließt. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass das metallische Bauteil von einem Bereich in einen anderen Bereich hindurchgeführt werden kann, wobei es an der Trennebene abgedichtet ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Verarbeitungstemperatur der Kunststoffumhüllung größer ist als die Schmelztemperatur der Zwischenschicht. Durch eine geeignete Wahl der Materialien für die Kunststoffumhüllung und die Zwischenschicht in Bezug auf die Verarbeitungstemperatur der Kunststoffumhüllung und die Schmelztemperatur der Zwischenschicht wird die Herstellung einer dichten Verbindung zwischen dem metallischem Bauteil und der Kunststoffumhüllung vorteilhaft ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass es sich bei der Zwischenschicht um ein thermoplastisches Elastomer, besonders bevorzugt um ein thermoplastisches Elastomer auf Polyurethan Basis, handelt. Durch die Verwendung eines thermoplastischen Elastomers als Zwischenschicht wird vorteilhaft ermöglicht, dass die Zwischenschicht unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen metallischem Bauteil und der Kunststoffumhüllung ausgleicht und damit die Ausbildung von durch Schwindung hervorgerufenen Spalten verhindert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kunststoffumhüllung aus einem Thermoplasten besteht, besonders bevorzugt aus Polyamid 66 besteht. Hierbei ist der Thermoplast so zu wählen, dass der Thermoplast mit dem Material der Zwischenschicht eine Verbindungsgrenzschicht bildet.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung mit metallischem Bauteil, wobei eine Trennebene durch das metallische Bauteil verläuft, wobei die Trennebene zwei verschiedene Bereiche voneinander abgrenzt, wobei eine Zwischenschicht in der Trennebene den gesamten Umfang des metallischen Bauteils umschließt, wobei eine Kunststoffumhüllung die Zwischenschicht vollständig umschließt, wobei erst beim Spritzgießen der Kunststoffumhüllung ein Anschmelzen der Zwischenschicht an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Bauteil und der Zwischenschicht auftritt. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass eine dichte Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil und der Kunststoffumhüllung, die über die gewünschten Dichtigkeitseigenschaften verfügt, ohne aufwendige nachträgliche Montageschritte zur Abdichtung oder weitere Nachbehandlungsschritte hergestellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass es sich bei der Vorrichtung:

– um einen Steckverbinder besonders bevorzugt einen niederpoligen oder hochpoligen Steckverbinder handelt, oder
– um einen Sensor handelt, oder
– um ein Gehäuse mit angespritztem Stecker handelt, oder
– um ein Bauteil mit durchgeführten Leiterbahnen handelt, oder
– um ein Einspritzventil handelt.

Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass ein metallisches Bauteil zur Aufnahme elektrischer Komponenten, das eine dichte Verbindung mit einer Kunststoffumhüllung aufweist, ausgebildet werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein metallisches nach einem ersten Verfahrensschritt und nach einem zweiten Verfahrensschritt gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine hochviskose Außenhaut der Zwischenschicht, die im ersten Verfahrensschritt auf dem metallischen Bauteil entsteht, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Zwischenschicht und dem metallischen Bauteil und eine Verbindungsgrenzschicht zwischen der Kunststoffumhüllung und der Zwischenschicht, durch die erst im zweiten Verfahrensschritt eine dichte Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil und der Kunststoffumhüllung entsteht.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist im unteren Teil der Figur ein metallisches Bauteil 1 dargestellt, das eine dichte Verbindung mit einer Kunststoffumhüllung 3 aufweist. Bei dem metallisches Bauteil 1 handelt es sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform um ein Stanzgitter, gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen handelt es sich um ein hohles und/oder rundes metallisches Bauteil. Durch das metallische Bauteil 1 verläuft eine Trennebene, wobei die Trennebene zwei verschiedene Bereiche voneinander abgrenzt. Im ersten Verfahrensschritt wird die Zwischenschicht 2 so spritzgegossen, dass die Zwischenschicht 2 in der Trennebene den gesamten Umfang des metallischen Bauteils 1 umschließt und im zweiten Verfahrensschritt die Kunststoffumhüllung 3 so spritzgegossen wird, dass die Kunststoffumhüllung 3 die Zwischenschicht 2 vollständig umschließt.
Im oberen Teil der 1 und in 2 ist das metallische Bauteil 1 nach dem Spritzgießen der Zwischenschicht 2 im ersten Verfahrensschritt dargestellt. Die hohe thermische Leitfähigkeit des metallischen Bauteils 1 führt zu einer hohen Abkühlrate der Zwischenschicht im ersten Verfahrensschritt, wodurch sich eine hochviskose Außenhaut 4 der Zwischenschicht 2 auf dem metallischen Bauteil 1 bildet und somit eine nichtstoffschlüssige Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil 1 und der Zwischenschicht 2 entsteht oder eine in Teilbereichen stoffschlüssige Verbindung an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Bauteil 1 und der Zwischenschicht 2 entsteht, wobei die Verbindung zumindest nicht an jeder Stelle rund um die Trennebene stoffschlüssig ist.
In 1 unten und in 3 ist das metallische Bauteil 1 nach dem Spritzgießen der Kunststoffumhüllung 3 um die Zwischenschicht 2 im dem ersten Verfahrensschritt nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt dargestellt. Durch die Wärmeübertragung beim Spritzgießen der Kunststoffumhüllung 3 tritt im zweiten Verfahrensschritt sowohl ein Anschmelzen der Zwischenschicht 2 an der Grenzfläche zwischen der Kunststoffumhüllung 3 und der Zwischenschicht 2 als auch ein Anschmelzen der Zwischenschicht 2 an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Bauteil 1 und der Zwischenschicht 2 auf. Dadurch wird sichergestellt, dass im zweiten Verfahrensschritt die dichte Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil 1 und der Kunststoffumhüllung 3 durch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Zwischenschicht 2 und dem metallischen Bauteil 1 und durch Bildung einer Verbindungsgrenzschicht zwischen der Kunststoffumhüllung 3 und der Zwischenschicht 2 entsteht. Nach dem Spritzgießen im zweiten Verfahrensschritt ist das metallische Bauteil 1 direkt bereit für die Verwendung. Weitere Nachbehandlungsschritte sind nicht erforderlich.
Die dichte Verbindung entsteht durch geeignete Wahl der Materialien für Zwischenschicht 2 und Kunststoffumhüllung 3 und die geeignete Wahl der Parameter für den ersten und zweiten Verfahrensschritt ohne weitere Nachbehandlungsschritte. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Zwischenschicht 2 aus einem thermoplastischen Elastomer besonders bevorzugt ein thermoplastisches Elastomer auf Polyurethan Basis. Die Zwischenschicht 2 ist aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften in der Lage, unterschiedliche Ausdehnungen zwischen dem metallischen Bauteil 1 und der Kunststoffumhüllung 3 auszugleichen und damit die Ausbildung von durch Schwindung hervorgerufenen Spalten zu verhindern. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Zwischenschicht eine Dicke unterhalb eines Millimeters und die Breite von 2 mm bis 4 mm ausweisen.
Die Verarbeitungstemperatur der Kunststoffumhüllung 3 muss größer sein als die Schmelztemperatur der Zwischenschicht 2, um ein Anschmelzen der Zwischenschicht 2 an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Bauteil 1 und der Zwischenschicht 2 und damit verbunden eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil 1 und der Zwischenschicht 2 zu gewährleisten. Die Verarbeitungstemperatur der Kunststoffumhüllung 3 bei Verwendung von Polyamid 66 als Kunststoffumhüllung 3 liegt beispielsweise bei 300 °C. Die Schmelztemperatur der Zwischenschicht liegt beispielsweise bei 190 °C bei Verwendung eines thermoplastischen Elastomers auf Polyurethan Basis (TPE-U). Die Dicke der Kunststoffumhüllung 3 ist so groß, dass die Wärmeübertragung beim Spritzgießen der Kunststoffumhüllung im zweiten Verfahrensschritt ausreicht, um die Zwischenschicht anzuschmelzen. Die Wärmeübertragung erfolgt hauptsächlich über die Kontaktfläche Kunststoffumhüllung 3 und Zwischenschicht 2 und/ oder über die gute Wärmeleitfähigkeit des metallischen Bauteils 1.
Die Zwischenschicht 2 und die Kunststoffumhüllung 3 bilden beim Spritzgießen im zweiten Verfahrensschritt kurzfristig eine schmelzflüssige Phase aus. Die Materialien für die Zwischenschicht 2 und die Kunststoffumhüllung 3 sind so zu wählen, dass sie chemisch verträglich sind und eine Verbindungsgrenzschicht zwischen der Zwischenschicht 2 und der Kunststoffumhüllung 3 ausbilden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Verarbeitung in zwei-Komponenten Spritzwerkzeugen, wodurch die Kunststoffumhüllung 3 unmittelbar nach dem Spritzgießen der Zwischenschicht 2 spritzgegossen werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10041812 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer dichten Verbindung zwischen einem metallischen Bauteil (1) und einer Kunststoffumhüllung (3) mittels einer Zwischenschicht (2), wobei in einem ersten Verfahrensschritt die Zwischenschicht (2) um das metallische Bauteil (1) spritzgegossen wird, wobei in einem zweiten dem ersten Verfahrensschritt nachfolgenden Verfahrensschritt um die Zwischenschicht (2) die Kunststoffumhüllung (3) spritzgegossen wird, wobei im zweiten Verfahrensschritt ein Anschmelzen der Zwischenschicht (2) an der Grenzfläche zwischen der Kunststoffumhüllung (3) und der Zwischenschicht (2) auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass erst im zweiten Verfahrensschritt ein Anschmelzen der Zwischenschicht (2) an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Bauteil (1) und der Zwischenschicht (2) auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dichte Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil (1) und der Kunststoffumhüllung (3) durch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Zwischenschicht (2) und dem metallischen Bauteil (1) und durch Bildung einer Verbindungsgrenzschicht zwischen der Kunststoffumhüllung (3) und der Zwischenschicht (2) erst im zweiten Verfahrensschritt entsteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt eine hochviskose Außenhaut (4) der Zwischenschicht (2) auf dem metallischen Bauteil (1) entsteht, wobei zunächst eine nichtstoffschlüssige Verbindung zwischen dem metallischen Bauteil (1) und der Zwischenschicht (2) entsteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennebene durch das metallische Bauteil (1) verläuft, wobei die Trennebene zwei verschiedene Bereiche voneinander abgrenzt, wobei im ersten Verfahrensschritt die Zwischenschicht (2) so spritzgegossen wird, dass die Zwischenschicht (2) in der Trennebene den gesamten Umfang des metallischen Bauteils (1) umschließt, wobei im zweiten Verfahrensschritt die Kunststoffumhüllung (3) so spritzgegossen wird, dass die Kunststoffumhüllung (3) die Zwischenschicht (2) vollständig umschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungstemperatur der Kunststoffumhüllung (3) größer ist als die Schmelztemperatur der Zwischenschicht (2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zwischenschicht (2) um ein thermoplastisches Elastomer, besonders bevorzugt um ein thermoplastisches Elastomer auf Polyurethan Basis, handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffumhüllung (3) aus einem Thermoplasten besteht, besonders bevorzugt aus Polyamid 66 besteht.
Vorrichtung mit metallischem Bauteil (1), wobei eine Trennebene durch das metallische Bauteil (1) verläuft, wobei die Trennebene zwei verschiedene Bereiche voneinander abgrenzt, wobei eine Zwischenschicht (2) in der Trennebene den gesamten Umfang des metallischen Bauteils (1) umschließt, wobei eine Kunststoffumhüllung (3) die Zwischenschicht (2) vollständig umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass erst beim Spritzgießen der Kunststoffumhüllung (3) ein Anschmelzen der Zwischenschicht (2) an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Bauteil (1) und der Zwischenschicht (2) auftritt.
Vorrichtung mit metallischem Bauteil (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung (1): – um einen Steckverbinder besonders bevorzugt einen niederpoligen oder hochpoligen Steckverbinder handelt, oder – um einen Sensor handelt, oder – um ein Gehäuse mit angespritztem Stecker handelt, oder – um ein Bauteil mit durchgeführten Leiterbahnen handelt, oder – um ein Einspritzventil handelt.