DE102015007575A1

DE102015007575A1 - Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes eines metallischen Fügepartners und eines Kunststoff-Faser-Verbundes

Info

Publication number: DE102015007575A1
Application number: DE102015007575.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Gaugler; Holger Klink; Fred Eggers; Kim Kose; Stephan Ohnimus; Michael Minkow; Leo Hoffmann; Gerardus Johannes Cornelis Doggen
Original assignee: Neue Mat Fuerth GmbH; BASF SE; Audi AG; Daimler AG; Neue Materialien Fuerth GmbH; Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH; SABIC Innovative Plastics IP BV
Current assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fur Fortgeschri De; Neue Materialien Fuerth De GmbH; BASF SE; Audi AG; SABIC Global Technologies BV
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2016-12-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes von metallischen Fügepartnern und Kunststofffasermatten, wobei zumindest Abschnitte der Oberfläche eines metallischen Fügepartners unter Bildung von Hinterschnitten in der Oberfläche des letzteren mittels elektromagnetischer Strahlung aufgeraut und strukturiert werden, die aufgerauten und strukturierten Abschnitte dann relativ zu einem aus Kurzfasern gebildeten Fasergewebe oder Fasergelege eines Kunststoffmatten-Halbzeugs positioniert werden, ein duroplastisches Matrixsystems in das Fasergewebe oder Fasergelege eingespritzt wird, zumindest die Abschnitten mit aufgerauter und strukturierter Oberfläche des metallischen Fügepartners und das Kunststoffmatten-Halbzeugs relativ gegeneinander gedrückt werden, dabei zumindest die Abschnitte der aufgerauten und strukturierten Oberfläche des metallischen Fügepartners in das duroplastische Matrixsystem eingedrückt und die Hinterschnitte der aufgerauten und strukturierten Oberfläche des metallischen Fügepartners mit dem duroplastischen Matrixmaterial ausgefüllt werden und anschließend das duroplastische Matrixsystems des Kunststoffmatten-Halbzeugs durch dessen Erwärmung unter Bildung des Werkstoffverbundes ausgehärtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes eines metallischen Fügepartners und eines Kunststoff-Faser-Verbundes.
Metalle und Kunststoff-Faser-Verbunde werden üblicherweise durch klebtechnische Verfahren oder durch Schrauben, Nieten und dgl. gefügt.
Gegenwärtig wird zuerst das Fasergewebe, Gelege, Geflecht, Gestrickt (Gewirke), der Faserfilz, das Vlies, die Fasermatte oder die Wirrfasermatte mit dem Matrixmaterial getränkt und in die gewünschte Form gebracht. Danach kann der ausgehärtete Kunststoff-Faser-Verbund mit dem metallischen Bauteil gefügt werden.
Aus der DE 10 2007 023 418 B4 ist es bekannt, zur Verbesserung der Haftung von Spritzschichten, die auf Bauteiloberflächen, insbesondere aus Metall, Kunststoff oder Keramik thermisch aufgetragen werden sollen, die Bauteiloberflächen unter Bildung von mikroskopischen Hinterschnitten aufzurauen, indem in die Oberfläche mittels gepulster Laserstrahlen mit Neigungswinkeln im Bereich von 20° bis 80° schräg verlaufende Formtaschen eingebracht werden, die so dimensioniert sind, dass mindestens eine der Kanten der Formtaschen einen Hinterschnitt in Bezug zur Metalloberfläche bildet. Hierbei wird die Oberfläche zumindest bereichsweise mehrfach mit gepulsten Laserstrahlen behandelt, die andere Richtungswinkel, Neigungswinkel und/oder andere Laserenergien aufweisen. Als vorteilhaft für die Qualität der Beschichtung wird benannt, dass der Spritzstrahl mit derselben Neigung wie die Formtaschen über die Oberfläche zu führen ist. Hierzu sollen die Formtaschen gleichsinnig parallel mit lediglich einer in Bezug auf die Oberfläche hinterschnittenen Kante ausgebildet sein. Ein passender, geeigneter Winkel des Spritzstrahls muss daher umso genauer definiert werden, je tiefer die Formtaschen sind. Die Toleranzen der Winkeleinstellung nehmen entsprechend ab. Ein nicht geeignet gewählter Spritzstrahl kann daher zur unvollständigen Füllung der Formtaschen führen, was die Haftungsfestigkeit der Spritzschicht negativ beeinflusst bzw. verringert.
Auch aus der DE 10 2006 004 769 A1 geht zudem ein Verfahren zum Aufrauen von Metalloberflächen zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten als bekannt hervor. Hierbei werden in einem ersten Verfahrensschritt in einer materialabhebenden oder materialabtragenden Behandlung Ausnehmungen oder Vertiefungen in die Oberfläche eingebracht, so dass das überstehende Metall der Oberfläche erhabene Mikrostrukturen, insbesondere Vorsprünge, Rillen, Ausstülpungen oder Ausbuchtungen, bildet, wobei diese Mikrostrukturen in mindestens einem zweiten Verfahrensschritt in der Weise verformend und/oder brechend nachbearbeitet werden, dass ein wesentlicher Anteil der Strukturen Hinterschnitte bezüglich der Oberfläche ausbildet.
Aus der JP 2014-051041 A ist ferner ein Verfahren zur Haftverbesserung einer Metalloberfläche und mindestens einer Kunststoffkomponente bekannt, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt in die Metalloberfläche zu deren Aufrauhung mittels Kurzpulslaserstrahlung makroskopische und/oder mikroskopische hinterschnittartige Schlitze eingebracht werden, deren konkavartiger Öffnungsbereich in der Draufsicht sowie deren Längsschnitt jeweils eine sich wiederholende, geometrisch genau definierte Form aufweisen sollen. Hierbei werden für den Öffnungsbereich der in die Metalloberfläche einzubringenden Schlitze in dessen Draufsicht definierte, sich stets wiederholende Formen wie Kreisform, Form eines Blattes eines Gingkobaums, Bumerangform, Ellipsenform, Quadratform, Polygonform oder dgl., sowie für den Längsschnitt der Schlitze Dreiecksform, Vierecksform oder Trapezform vorgegeben. In einem zweiten Verfahrensschritt werden dann in einem Spritzgussprozess die in der Metalloberfläche derart genau ausgeformten Schlitze mit der mindestens einen Kunststoffkomponente zumindest teilweise so gerillt, dass eine verbesserte Haftung zwischen letzterer und den Schlitzen in der Metalloberfläche erreicht wird.
Aus der DE 10 2008 040 782 A1 geht schließlich ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbundes als bekannt hervor, bei dem mindestens ein erstes Bauteil mit einer ersten Kontaktoberfläche und mindestens ein zweites Bauteil mit einer an der ersten Kontaktoberfläche anliegenden zweiten Kontaktoberfläche vorgesehen ist, wobei auf der ersten Kontaktoberfläche des ersten Bauteils mittels eines Lasers eine Oberflächenstruktur derart erzeugt wird, dass diese eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist. Nach der Oberflächenstrukturierung der ersten Kontaktoberfläche des ersten Bauteils wird dieses mit dem zweiten Bauteil, das bevorzugt aus Kunststoffmaterial, insbesondere aus einem thermoplastischen Material ausgebildet ist, formschlüssig verbunden, indem ein Umspritzen des ersten Bauteils zumindest abschnittweises mit dem zweiten Bauteil erfolgt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem ein verzugsarmer, belastbarer und robuster Werkstoffverbund von zumindest Abschnitten eines metallischen Bauteils und eines Kunststoff-Faser-Verbundes gewährleistet wird, der unkritisch bezüglich der Oberflächenreinheit des Metalls vor der weiteren Verarbeitung ist und stabil bei Temperaturschwankungen sowie unter korrosiven Umweltbedingungen bleibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß jeweils durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1, 3 oder 6 gelöst.
So wird zum einen erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes eines metallischen Fügepartners (Einlegers) und eines Kunststoff-Faser-Verbundes zur Verfügung gestellt mit den aufeinander folgenden Verfahrensschritten:
Aufrauen und/oder Strukturieren der Oberfläche zumindest von Abschnitten des metallischen Fügepartners mittels Kurzpulslaserstrahlung, wobei mikroskopische und/oder makroskopische Hinterschnitte in der Metalloberfläche gebildet werden,
Formen eines thermoplastischen Kunststoff-Faser-Verbund-Halbzeugs (Prepregs) aus einem Fasergebilde mit Lang- oder Endlosfasern und einem thermoplastischen Kunststoffmatrixsystem bei Erwärmung des letzteren,
während des Formprozesses Positionieren des metallischen Fügepartners und des erwärmten thermoplastischen Kunststoff-Faser-Verbund-Halbzeugs (Prepregs) relativ zueinander und relatives Gegeneinanderdrücken zumindest der Abschnitte mit aufgerauter und/oder strukturierter Oberfläche des metallischen Fügepartners und des erwärmten thermoplastischen Kunststoff-Faserverbund-Halbzeugs (Prepregs), wobei zumindest die Abschnitte mit aufgerauter und/oder strukturierter Oberfläche des metallischen Fügepartners in das thermoplastische Kunststoffmatrixsystem eingedrückt und die Hinterschnitte des metallischen Fügepartners mit Material des Kunststoffmatrixsystems gefüllt werden, und
Abkühlen und damit Erstarren des Kunststoffmatrixsystems des thermoplastischen Kunststoff-Faser-Verbund-Halbzeugs (Prepregs), wobei der Werkstoffverbund aus dem metallischen Fügepartner und der verstärkten Kunststoffkomponente gebildet wird.
Bevorzugt werden als Halbzeug (Prepreg) aus thermoplastischen Kunststoff-Faser-Verbund sogenannte „Organobleche” mit einem Fasergewebe oder Fasergelege aus Glas- oder Kohlenstofffasern oder auch nicht gewebte Faserwerkstoffe wie Glasfasermatten oder Vlieswerkstoffe bereit gestellt, die jeweils in dem thermoplastischen Matrixsystem eingebettet werden.
Zum anderen wird die Aufgabe der Erfindung erfindungsgemäß ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes eines metallischen Fügepartners (Einlegers) und eines Kunststoff-Faser-Verbundes mit den aufeinander folgenden Verfahrensschritten:
Aufrauen und/oder Strukturieren der Oberfläche zumindest von Abschnitten eines metallischen Fügepartners mittels Kurzpulslaserstrahlung, wobei mikroskopische und/oder makroskopische Hinterschnitte in der Metalloberfläche gebildet werden,
Bereitstellen eines Faserhalbzeugs bestehend aus einem Gewebe, Gelege, Geflecht, Gestricke (Gewirke), einer Matte oder verfilzten Fasern,
Positionieren zumindest der aufgerauten und/oder strukturierten Abschnitte des metallischen Fügepartners relativ zu dem bereit gestellten Faserhalbzeug,
Einspritzen eines duroplastischen Matrixsystems in das Faserhalbzeug,
relatives Gegeneinanderdrücken zumindest der Abschnitten mit aufgerauter und/oder strukturierter Oberfläche des metallischen Fügepartners und des in dem duroplastischen Matrixmaterial eingebetteten Faserhalbzeugs, wobei zumindest die Abschnitte der aufgerauten und/oder strukturierten Oberfläche des metallischen Fügepartners in das duroplastische Matrixsystem eingedrückt werden und dabei das duroplastische Matrixmaterial die Hinterschnitte der aufgerauten und/oder strukturierten Oberfläche des metallischen Fügepartners füllt, und
Erwärmen des duroplastischen Matrixsystems zu dessen Aushärtung, wobei der Werkstoffverbund aus dem Kunststoff-Faser-Verbund und dem metallischen Fügepartner gebildet wird.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren als RTM(Resin Transfer Molding)-Verfahren durchgeführt, wobei das Bereitstellen des Faserhalbzeugs in dem Formnest eines geöffneten evakuierbaren Formwerkzeugs erfolgt, in das der metallischen Fügepartners so eingelegt wird, dass zumindest die aufgerauten und/oder strukturierten Abschnitte der Metalloberfläche mit dem Faserhalbzeug in Kontakt gebracht werden, worauf das Formwerkzeug geschlossen und anschließend evakuiert wird, dann das duroplastische oder elastomere Matrixmaterial als Formmasse in das geschlossene Formwerkzeug injiziert und dabei als duroplastisches oder elastomeres Matrixsystem in das Faserhalbzeug eingebracht wird, wobei ein Füllen der Hinterschnitte der mit dem Faserhalbzeug in Kontakt befindlichen aufgerauten und/oder strukturierten Oberfläche des metallischen Fügepartners mit dem duroplastischen oder elastomeren Matrixmaterial erfolgt, worauf das Matrixmaterial zur Aushärtung erwärmt wird, wobei der metallische Einleger in den erzeugte Kunststoff-Faser-Verbund fest eingebunden und dessen Werkstoffverbund mit dem metallischen Fügepartner hergestellt wird.
Als Kunststoffformmasse können Duroplaste wie z. B. Formaldehydharze (PF, MF und dgl.) oder Reaktionsharze (UP, EP) und andere mit und ohne Füllstoffpartikeln oder Elastomere verwendet werden.
Außerdem wird die Aufgabe der Erfindung auch erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes eines metallischen Fügepartners (Einlegers) und eines Kunststoff-Faser-Verbundes mit den aufeinander folgenden Verfahrensschritten:
Aufrauen und/oder Strukturieren der Oberfläche zumindest von Abschnitten eines metallischen Fügepartners mittels Kurzpulslaserstrahlung, wobei mikroskopische und/oder makroskopische Hinterschnitte in der Metalloberfläche gebildet werden,
Formen eines Faser-Matrix-Gemisches auf duroplastischer Basis wie eines SMC (Sheet Molding Compound) oder eines BMC (Bulk Molding Compound) in einem Werkzeug zu einem Fasermatten-Polymer-Halbzeug und Bereitstellen des letzteren,
Positionieren zumindest der aufgerauten und/oder strukturierten Abschnitte des metallischen Fügepartners relativ zu dem bereit gestellten SMC- oder BMC-Fasermatten-Polymer-Halbzeug,
relatives Gegeneinanderdrücken und Vibrieren zueinander zumindest der Abschnitte mit aufgerauter und/oder strukturierter Oberfläche des metallischen Fügepartners und des bereit gestellten SMC- oder BMC-Fasermatten-Polymer-Halbzeugs, wobei in das duroplastische Matrixsystem des letzteren zumindest die Abschnitte mit aufgerauter und/oder strukturierter Oberfläche des metallischen Fügepartners eingedrückt und die Hinterschnitte des metallischen Fügepartners mit dem duroplastischen Matrixmaterial gefüllt werden, und
Erwärmen des duroplastischen Matrixsystems zu dessen Aushärtung, wobei der Werkstoffverbund aus dem Kunststoff-Faser-Verbund und dem metallischen Fügepartner gebildet wird.
Die Vibration zumindest der Abschnitte mit aufgerauter und/oder strukturierter Oberfläche des metallischen Fügepartners und des bereit gestellten SMC- oder BMC-Fasermatten-Polymer-Halbzeugs relativ zueinander sorgt für eine Verhakung des Gewebes oder Geleges in den Mikrohaken nach dem Prinzip eines Klettverschlusses.
Durch die Laserstrukturierung des metallischen Fügepartners wird das Metall geeignet aktiviert, so dass überraschend ein zusätzlicher lokaler Effekt bei der Erwärmung des duroplastischen Matrixsystems zu dessen Aushärtung auftritt. Die gute Wärmeleitfähigkeit des metallischen Fügepartners ermöglicht an der Oberfläche eine schnelle Temperaturführung und damit die lokale Reaktion zur Ausbildung der duroplastischen Festphase.
Der metallische Fügepartner kann aus Stahl, Kupfer, Kupferlegierungen oder Leichtmetall bestehend gewählt werden.
Bevorzugt erfolgt die Strukturierung zumindest der Abschnitte der Oberfläche des metallischen Fügepartners mittels der Kurzpulslaserstrahlung stochastisch willkürlich, indem die Metallschmelze unkontrolliert aufgeworfen wird.
Bevorzugt findet zur Erzeugung der makroskopischen Hinterschnitte der Metalloberfläche mittels der Kurzpulslaserstrahlung ein Scanner mit angepasster Brennweite der Scanneroptik und Strahlführung Verwendung. Der Scanner und die aufzurauende Metalloberfläche können relativ zueinander mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit kontinuierlich bewegt werden, wobei die Bewegung des Scanners mit einer Achsbewegung eines Roboters oder des Achssystems bzw. eines Koordinatensystems des zu bearbeitenden Objektes überlagert wird, so dass die Scanneroptik den Laserstrahl in einer Endlosschleife über die Metalloberfläche in seinem Arbeitsfeld führt und auf der gesamten Metalloberfläche eine gleichmäßige Aufrauhung und/oder Strukturierung bei fortlaufender Relativbewegung erzeugt wird.
Vorzugsweise kann anschließend an die Aufrauhung und/oder Laserstrukturierung zumindest der Abschnitte der Oberfläche des metallischen Fügepartners vor und/oder während des Einspritzens des duroplastischen Matrixsystems in das Faserhalbzeug zumindest die aufgeraute und/oder strukturierte Oberfläche des Metalls auf eine Temperatur erwärmt werden, die in der Verarbeitung im Bereich von der Raumtemperatur bis über 100°C der Verarbeitungstemperatur des duroplastischen Matrixsystems liegt.
Bevorzugt liegt die Temperatur, auf die die aufgeraute Oberfläche des Metalls erwärmt wird, im Bereich von 100°C unter bis zur Verarbeitungstemperatur des duroplastischen Matrixsystems.
Die Erwärmung der aufgerauten Oberfläche des Metalls kann auf eine Temperatur erfolgen, die höher als die Glasübergangstemperatur des duroplastischen Materials ist.
Vorzugsweise wird die Temperatur, auf die zumindest die aufgeraute Oberfläche des Metalls erwärmt wird, in Abhängigkeit von Parametern wie Prozessdauer, Viskosität der Schmelze und Feinheit und Tiefe der Aufrauhung (Strukturierung) der Metalloberfläche gewählt.
Die Erwärmung des Metalls kann vorzugsweise induktiv erfolgen. Durch eine induktive Erwärmung der Metallseite des Werkstoffverbundes in dem Formnest des Formwerkzeuges kann die Temperatur sehr genau geregelt werden und eine gleichmäßige Erwärmung der Metallseite des Werkstoffverbundes zur Gewährleistung einer maximalen Prozessstabilität erreicht werden.
Die durch eine variable Temperierung zu erzielende Temperatur der Metallseite des Werkstoffverbundes ist von den Eigenschaften des gewählten duroplastischen oder thermoplastischen Matrixsystems abhängig. So kann bei der Verwendung des duroplastischen Matrixsystems die Erwärmung zumindest der aufgerauten Oberfläche des Metalls bevorzugt auf eine Temperatur erfolgen, die oberhalb der Glasübergangstemperatur des duroplastischen Matrixsystems und unterhalb des Maximums der Verarbeitungstemperatur des duroplastischen Matrixsystems bei dessen Einspritzen in das Faserhalbzeug liegt und die in Abhängigkeit von Prozessparametern wie Dauer des Einspritzvorgangs, Viskosität der Schmelze und Feinheit und die Tiefe der Aufrauhung und/oder Strukturierung der Metalloberfläche gewählt wird.
Durch den thermoplastischen Prozess ist beim erfindungsgemäßen Verfahren ein optimaler Verbund von Kunststoff und Metall infolge der Verkrallung des laserstrukturierten Materials mit dem durch lokalen Wärmeeintrag aufgeschmolzenen bzw. zähflüssigen Matrixmaterial gewährleistet.
Eine derartige Verkrallung der bevorzugt stochastisch willkürlich hergestellten Laserstrukturierung im Werkstoffverbund des Bauteilverbundes erweist sich bei großen Temperaturunterschieden insbesondere dadurch als vorteilhaft, dass keine großen Randspannungen erzeugt werden, sondern die entstehenden Kräfte über einen größeren Bereich verteilt werden und dadurch die Spannungen in Randbereichen geringer bleiben. Die stochastisch willkürliche Laserstrukturierung sichert den Werkstoffverbund geeignet gegen Belastungen aus allen Richtungen ab, da diese insgesamt in alle Richtungen wirken.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist der Einsatz von Klebstoffen vermeidbar, wodurch eine Emission von Lösungsmitteln vermieden wird. Ebenso wird eine nur punktuelle Verbindung mit entsprechend hohen Spannungsspitzen, wie sie beim Schrauben, Nieten oder ähnlichen Verbindungen auftreten, umgangen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für Anwendungen im Verkehrswesen geeignet.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In diesen sind:
1a eine schematische perspektivische Darstellung eines Kunststoff-Faser-Verbundes in Form eines Organbleches als flächiges Halbzeug.
1b eine schematisch perspektivische Darstellung eines Fügepartners aus Metall für die Herstellung eines Werkstoffverbundes mit dem flächigen Halbzeug gemäß 1a, wobei ein Abschnitt des metallischen Fügepartners eingerahmt und zudem eingerahmt in Vergrößerung gezeigt ist.
1c eine schematische perspektivische Darstellung einer zueinander Anordnung des metallischen Fügepartners und des flächigen Halbzeugs, die das Eindrücken der aufgerauten und strukturierten Oberfläche des metallischen Fügepartners in das erwärmte thermoplastische Matrixmaterial des flächigen Halbzeugs gemäß 1a verdeutlicht.
1d eine schematische Darstellung eines Querschnitts des hergestellten Werkstoffverbundes des metallischen Fügepartners und des thermoplastischen Kunststoff-Faser-Verbundes, wobei ein Abschnitt des Werkstoffverbundes eingerahmt und zudem eingerahmt in der Vergrößerung gezeigt ist.
2a eine schematische perspektivische Darstellung eines Kunststoff-Faser-Verbundes in Form eines SMC-Halbzeugs.
2b eine schematische perspektivische Darstellung des metallischen Fügepartners gemäß 1b, gesehen von unten, wobei ein Abschnitt des metallischen Fügepartners eingerahmt und zudem eingerahmt in der Vergrößerung gezeigt ist.
2c schematische perspektivische Darstellungen einer zueinander Anordnung des metallischen Fügepartners und des SMC-Halbzeugs, die das Eindrücken des metallischen Fügepartners in das kalte duroplastische Matrixsystem des SMC-Halbzeugs und das Aushärten durch Wärmezufuhr des letzteren verdeutlichen.
2d eine schematische perspektivische Darstellung des hergestellten Werkstoffverbundes des metallischen Fügepartners und der SMC-Halbszeugs, wobei ein Ausschnitt des Werkstoffverbundes eingerahmt und zudem eingerahmt in der Vergrößerung gezeigt ist.
3a eine schematische Darstellung eines Fasergebildes in Draufsicht, das bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als RTM-Verfahren verwendet wird.
3b eine schematische perspektivische Darstellung des metallischen Fügepartners in der Form eines metallischen Einlegers, wobei ein Ausschnitt des letzteren eingerahmt und zudem eingerahmt in der Vergrößerung gezeigt ist.
3c eine schematische perspektivische Darstellung eines geschlossenen Formwerkzeugs mit integrierter Ansicht eines Längsschnitts des geschlossenen Formwerkzeugs bei Herstellung des Werkstoffverbundes im RTM-Verfahren.
3d eine schematische perspektivische Darstellung des hergestellten Werkstoffverbundes des Kunststoff-Faser-Verbundes und des metallischen Einlegers, wobei ein Ausschnitt des Werkstoffverbundes eingerahmt und zudem eingerahmt in der Vergrößerung gezeigt ist.
Zum erfindungsgenmäßen Herstellen eines Werkstoffverbundes eines metallischen Fügepartners und eines Kunststoff-Faser-Verbundes werden, wie aus den 1a bis 1d und insbesondere aus den 1a und 1b hervorgeht, gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Kunststoff-Faser-Verbund 1 in Form eines sog. Organobleches, GMT oder mit Vlies verstärkten Thermoplasten und ein Metallbauteil 2 als metallischer Fügepartner bereitgestellt.
Bei dem Organoblech 1 handelt es sich um ein Fasergewebe oder Fasergelege aus Glas- oder Kohlenstofffasern, die in ein thermoplastisches Matrixsystem 3 eingebettet sind. Organobleche werden warmumgeformt, so dass sich das thermoplastische Matrixmaterial 3 dann in einem zähflüssigen Zustand befindet, wodurch eine Rissbildung vermieden werden kann.
Das Metallbauteil 2 wird, wie die Einrahmungen in 1b erkennen lassen, vor dem Fügeprozess zumindest in Abschnitten 5 der Metalloberfläche 4 mittels Kurzpulslaserstrahlung aufgeraut und strukturiert, wobei mikroskopische und/oder makroskopische Hinterschnitte 6 in der Metalloberfläche 4 gebildet werden, wie der eingerahmte Abschnitt 5 der Metalloberfläche 4 in der Vergrößerung der 1b zeigt. Das Strukturieren der Metalloberfläche 4 erfolgt bevorzugt mittels der Kurzpulslaserstrahlung stochastisch willkürlich, indem die Metallschmelze unkontrolliert aufgeworfen wird.
Wie aus 1c ersichtlich ist, werden dann das Metallbauteils 2 und das Organblech 1, an dessen Stelle auch GMT'S oder vliesverstärkte thermoplastische Werkstoffe verwendet werden können, relativ zueinander positioniert, worauf – wie in 1c durch den Pfeil F symbolisiert ist – zumindest die Abschnitte 5 mit aufgerauter und strukturierten Metalloberfläche 4 des Metallbauteils 2 in das erwärmte Matrixsystem 3 des Organobleches 1, d. h. des Fasergewebes oder Fasergeleges aus Glas- oder Kohlenstofffasern eingedrückt werden. Hierbei werden die Hinterschnitte 6 der aufgerauten und strukturierten Metalloberfläche 4 des Metallbauteils 2 mit dem thermoplastischen Matrixmaterial 3 des Organobleches 1 ausgefüllt (vgl. die Vergrößerung des eingerahmten Abschnittes des Werkstoffverbundes in 1d).
Wie die in 1c vorgesehenen Wellenlinien w symbolisieren, wird das thermoplastische Matrixsystem 3 des mit dem Metallbauteil 2 gefügten Organblechs 1 zur Formgebung erwärmt, um den aus 1d ersichtlichen Werkstoffverbund des Kunststoff-Faser-Verbundes in Form des Organblechs 1 und des Metallbauteils 2 zu bilden.
Aus den 2a bis 2d geht eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hervor, mit der ein Werkstoffverbund eines Kunststoff-Faser-Verbundes in Form eines SMC(SheetMoldingCompound)-Halbzeugs 7 und des Metallbauteils 2 als metallischer Fügepartner herzustellen ist.
2a zeigt das bereitgestellte SMC-Halbzeug 7, bestehend aus einem duroplastischen Matrixsystem 8 und einem aus Wirrfasern gebildeten Fasergewebe, während aus der 2b der metallische Fügepartner in Form des Metallbauteils 2 ersichtlich ist, das entsprechend der 1b zumindest in Abschnitten 4 der Metalloberfläche 4 mittels Laser bereits aufgeraut und strukturiert ist, wobei in der Metalloberfläche 4 die Hinterschnitte 3 gebildet worden sind, wie aus der vergrößerte Einrahmung in 2b hervorgeht.
Anschließend werden, wie aus der linken Hälfte der 2c zu entnehmen ist, das SMC-Halbzeug 7 und das Metallbauteil 2 so zueinander positioniert, dass letzteres mit der aufgerauten und strukturierten Metalloberfläche 4 durch eine in Richtung des Pfeils P auf das Metallbauteil 2 ausgeübte Druckkraft und bei gleichzeitig erzeugter Vibration des Metallbauteils 2 und der SMC-Halbzeugs 7 zueinander in das duroplastische Matrixsystem 8 des letzteren eingedrückt wird, wobei die Hinterschnitte 6 in der Metalloberfläche 4 mit dem duroplastischen Matrixmaterial 8 des SMC-Halbzeugs 7 ausgefüllt werden. Anschließend wird, wie die Wellenlinien w in der rechten Hälfte der 2c symbolisieren, das duroplastische Matrixsystem 8 des SMC-Halbzeugs 7 infolge dessen Erwärmung ausgehärtet. Hierbei wird der in der linken Hälfte der 2d dargestellte Werkstoffverbund des Kunststoff-Faser-Verbundes in Form des SMC-Halbzeugs 7 und des Metallbauteils 2 gebildet.
Wie aus der vergrößerten Einrahmung in 2d ersichtlich ist, die die völlige Ausfüllung der Hinterschnitte 6 der Metalloberfläche 4 des Metallbauteils 2 mit dem duroplastischen Matrixmaterial 8 des SMC-Halbzeugs 7 verdeutlicht, wird auf diese Weise ein optimaler Verbund von Kunststoff und Metall infolge der Verkrallung der laserstrukturierten Metalloberfläche 4 mit dem durch Wärmeeintrag ausgehärteten duroplastischen Matrixmaterial 8 gewährleistet.
Aus den 3a bis 3d geht weiterhin eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als RTM(Resin Transfer Molding)-Verfahren hervor, mit dem ein in 3a gezeigtes Metallteil 9, bei dem zumindest Abschnitte 4 dessen Metalloberfläche 11 mittels Laser aufgeraut und strukturiert worden und dabei Hinterschnitte 10 in der Metalloberfläche 11 des Metallteils 9 entstanden sind (vgl. die Einrahmungen in 3b), in ein in 3a dargestelltes Faserhalbzeug 12 eines Kunststoff-Faser-Verbundes eingebunden werden soll.
Zu diesem Zweck wird zunächst, wie der Pfeil G symbolisiert, das gemäß 3a bereit gestellte Faserhalbzeug 12 in ein offenes Formnest 14 eines in 3c dargestellten Formwerkzeugs 13 eingelegt. Dann wird das bereitgestellte Metallteil 9 (vgl. 3b und 3c) ebenfalls in das geöffnete Formwerkzeugs 13 eingebracht, wie der Pfeil H in 3c symbolisiert, und gegenüber dem in dem Formnest 14 befindlichen Faserhalbzeug 12 so positioniert, dass zumindest die aufgerauten und laserstrukturierten Abschnitten 4 der Metalloberfläche 11 des Metallteils 9 mit dem Faserhalbzeug 12 in Kontakt kommen.
Anschließend wird das Formwerkzeug 13 geschlossen und evakuiert. Dann wird durch Verteilerkanäle 15, wie die Pfeile I symbolisieren, duroplastisches oder elastomeres Matrixmaterial 16 als Formmasse in das Formnest 14 des Formwerkzeugs 13 eingespritzt und dabei in das in dem Formnest 14 befindliche Faserhalbzeug 12 unter Bildung eines Kunststoff-Faser-Verbundes eingebracht. Als Matrixmaterial 16 können hierbei Formaldehydharze und Reaktionsharze mit kleinen Füllpartikeln oder Elastomere verwendet werden.
Das duroplastische oder elastomere Matrixmaterial 16 füllt dabei die Hinterschnitte 11 in der mit dem Faserhalbzeug 12 in Kontakt befindlichen Metalloberfläche 11 des Metallteils 9 (vgl. 3d, rechte Hälfte) aus. Mittels Wärme (vgl. Wellenlinien w in 3c) und Druck wird dann das Matrixmaterial 16 des Faserhalbzeugs 12 ausgehärtet, wobei eine feste Einbindung des Metallteils 9 in den erzeugten Kunststoff-Faser-Verbund und zugleich dessen Werkstoffverbund mit Metallteil 9 als Fügepartner erreicht wird, wie 3d verdeutlicht.
Bezugszeichenliste

1: Kunststoff-Faser-Verbund, Organblech
2: Metallbauteil
3: thermoplastisches Matrixsystem
4: Metalloberfläche
5: Abschnitte der Metalloberfläche
6: Hinterschnitte
7: SMC-Halbzeug
8: Duroplastisches Matrixsystem
9: Metallteil
10: Metalloberfläche des Metallteils
11: Hinterschnitte der Metalloberfläche des Metallteils
12: Faserhalbzeug
13: Formwerkzeug
14: Formnest
15: Verteilerkanäle
16: Formmasse
17: Matrixmaterial des Faserhalbzeugs
Pfeil: F Druckausübung
Pfeil: G Einbringung des Faserhalbzeugs in ein Formnest
Pfeil: H Einbringung des Metallteils in das Formnest
Pfeil: I Einbringung der Formmasse
V: Vibration
W: Wärmeerzeugung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007023418 B4 [0004]
DE 102006004769 A1 [0005]
JP 2014-051041 A [0006]
DE 102008040782 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes eines metallischen Fügepartners und eines Kunststoff-Faser-Verbundes mit aufeinander folgenden Verfahrensschritten: Aufrauen und/oder Strukturieren der Oberfläche zumindest von Abschnitten des metallischen Fügepartners mittels Kurzpulslaserstrahlung, wobei mikroskopische und/oder makroskopische Hinterschnitte in der Metalloberfläche gebildet werden, Formen eines thermoplastischen Kunststoff-Faser-Verbund-Halbzeugs (Prepregs) aus einem Fasergebilde mit Lang- oder Endlosfasern und einem thermoplastischen Kunststoffmatrixsystem bei Erwärmung des letzteren, während des Formprozesses Positionieren des metallischen Fügepartners und des erwärmten thermoplastischen Kunststoff-Faser-Verbund-Halbzeugs (Prepregs) relativ zueinander und relatives Gegeneinanderdrücken zumindest der Abschnitte mit aufgerauter und/oder strukturierter Oberfläche des metallischen Fügepartners und des erwärmten thermoplastischen Kunststoff-Faser-Verbund-Halbzeugs (Prepregs), wobei zumindest die Abschnitte mit aufgerauter und/oder strukturierter Oberfläche des metallischen Fügepartners in das thermoplastische Kunststoffmatrixsystem eingedrückt und die Hinterschnitte des metallischen Fügepartners mit Material des Kunststoffmatrixsystems gefüllt werden, und Abkühlen und damit Erstarren des Kunststoffmatrixsystems des thermoplastischen Kunststoff-Faser-Verbund-Halbzeugs (Prepregs), wobei der Werkstoffverbund des metallischen Fügepartners und des Kunststoff-Faser-Verbundes gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastisches Kunststoff-Faser-Verbund-Halbzeug (Prepreg) Organobleche mit einem Fasergewebe oder Fasergelege aus Glas- oder Kohlenstofffasern oder nicht gewebte Faserwerkstoffe wie Glasfasermatten oder Vlieswerkstoffe, jeweils ebenfalls aus Glas- oder Kohlenstofffasern bestehend, bereitgestellt werden, die jeweils in dem thermoplastischen Matrixsystem eingebettet werden.
Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes eines metallischen Fügepartners (Einlegers) und eines Kunststoff-Faser-Verbundes mit aufeinander folgenden Verfahrensschritten: Aufrauen und/oder Strukturieren der Oberfläche zumindest von Abschnitten des metallischen Fügepartners mittels Kurzpulslaserstrahlung, wobei makroskopische Hinterschnitte in der Metalloberfläche gebildet werden, Bereitstellen eines Faserhalbzeugs bestehend aus einem Gewebe, Gelege, Geflecht, Gestricke (Gewirke), einer Matte oder verfilzten Fasern, Positionieren zumindest der aufgerauten und/oder strukturierten Abschnitte des metallischen Fügepartners relativ zu dem bereit gestellten Faserhalbzeug, Einspritzen eines duroplastischen Matrixsystems in das Faserhalbzeug, relatives Gegeneinanderdrücken zumindest der Abschnitten mit aufgerauter und/oder strukturierter Oberfläche des metallischen Fügepartners und des in dem duroplastischen Matrixmaterial eingebetteten Faserhalbzeugs, wobei zumindest die Abschnitte der aufgerauten und/oder strukturierten Oberfläche des metallischen Fügepartners in das duroplastische Matrixsystem eingedrückt werden und dabei das duroplastische Matrixmaterial die Hinterschnitte der aufgerauten und/oder strukturierten Oberfläche des metallischen Fügepartners füllt, und Erwärmen des duroplastischen Matrixsystems zu dessen Aushärtung, wobei der Werkstoffverbund aus dem Kunststoff-Faser-Verbund und dem metallischen Fügepartner gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Wege eines RTM(Resin Transfer Molding)-Verfahrens das Bereitstellen des Faserhalbzeugs in dem Formnest eines geöffneten evakuierbaren Formwerkzeugs erfolgt, in das dann der metallischen Fügepartner so eingelegt wird, dass zumindest die aufgerauten und/oder strukturierten Abschnitte der Metalloberfläche mit dem Faserhalbzeug in Kontakt gebracht werden, worauf das Formwerkzeug geschlossen und anschließend evakuiert wird, dann das duroplastische oder elastomere Matrixmaterial als Formmasse in das geschlossene Formwerkzeug injiziert und dabei als duroplastisches oder elastomeres Matrixsystem in das Faserhalbzeug eingebracht wird, wobei die Füllung der Hinterschnitte der mit dem Faserhalbzeug in Kontakt befindlichen aufgerauten und/oder strukturierten Oberfläche des metallischen Fügepartners mit dem duroplastischen oder elastomeren Matrixmaterial erfolgt, worauf das Matrixmaterial zur Aushärtung erwärmt wird, wobei der metallische Einleger in den erzeugte Kunststoff-Faser-Verbund fest eingebunden wird und dessen Werkstoffverbund mit dem metallischen Fügepartner hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoffformmasse Duroplaste wie Formaldehydharze (PF, MF und dgl.) oder Reaktionsharze (UP, EP) und andere mit und ohne Füllstoffpartikeln oder Elastomere verwendet werden.
Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes eines metallischen Fügepartners (Einlegers) und eines Kunststoff-Faser-Verbundes mit den aufeinander folgenden Verfahrensschritten: Aufrauen und/oder Strukturieren der Oberfläche zumindest von Abschnitten eines metallischen Fügepartners mittels Kurzpulslaserstrahlung, wobei mikroskopische und/oder makroskopische Hinterschnitte in der Metalloberfläche gebildet werden, Formen eines Faser-Matrix-Gemisches auf duroplastischer Basis wie eines SMC (Sheet Molding Compound) oder eines BMC (Bulk Molding Compound) in einem Werkzeug zu einem Fasermatten-Polymer Halbzeug und Bereitstellen des letzteren, Positionieren zumindest der aufgerauten und/oder strukturierten Abschnitte des metallischen Fügepartners relativ zu dem bereitgestellten SMC- oder BMC-Fasermatten-Polymer-Halbzeug, relatives Gegeneinanderdrücken und Vibrieren zueinander zumindest der Abschnitte mit aufgerauter und/oder strukturierter Oberfläche des metallischen Fügepartners und des bereit gestellten SMC- oder BMC-Fasermatten-Polymer-Halbzeugs, wobei in das duroplastische Matrixsystem des letzteren zumindest die Abschnitte mit aufgerauter und/oder strukturierter Oberfläche des metallischen Fügepartners eingedrückt und die Hinterschnitte des metallischen Fügepartners mit dem duroplastischen Matrixmaterial gefüllt werden, und Erwärmen des duroplastischen Matrixsystems zu dessen Aushärtung, wobei der Werkstoffverbund aus dem Kunststoff-Faser-Verbund und dem metallischen Fügepartner gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Fügepartner aus Stahl, Kupfer, Kupferlegierungen oder Leichtmetall bestehend gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung der Oberfläche zumindest der Abschnitte des metallischen Fügepartners mittels der Kurzpulslaserstrahlung stochastisch willkürlich erfolgt, indem die Metallschmelze unkontrolliert aufgeworfen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der mikroskopischen und/oder makroskopischen Hinterschnitte der Metalloberfläche mittels der Kurzpulslaserstrahlung ein Scanner mit angepasster Brennweite der Scanneroptik und Strahlführung Verwendung findet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner relativ zur aufzurauenden Metalloberfläche mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit kontinuierlich bewegt und seine Bewegung mit einer Achsbewegung eines Roboters überlagert wird, wobei die Scanneroptik gleichzeitig den Laserstrahl in einer Endlosschleife über die Metalloberfläche in seinem Arbeitsfeld führt und auf der gesamten Metalloberfläche eine gleichmäßiger Aufrauhung und/oder Strukturierung bei fortlaufender Relativbewegung endlos erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend an die Aufrauhung und/oder Strukturierung zumindest der Abschnitte der Metalloberfläche vor und/oder während des Einspritzens des duroplastischen Matrixsystems in das Faserhalbzeug zumindest die aufgeraute und/oder strukturierte Oberfläche des Metalls auf eine Temperatur erwärmt wird, die in der Verarbeitung im Bereich von der Raumtemperatur bis 100°C über der Verarbeitungstemperatur des duroplastischen Matrixsystems liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, auf die die aufgeraute Oberfläche des Metalls erwärmt wird, im Bereich von 100°C unter bis zur Verarbeitungstemperatur des duroplastischen Matrixsystems liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 4, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, auf die zumindest die aufgerauten Metalloberflächen des Metalls erwärmt werden, in Abhängigkeit von Prozessparametern wie Prozessdauer, Viskosität der Schmelze und Feinheit und die Tiefe der Aufrauhung (Strukturierung) der Metalloberflächen gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Metalls innerhalb des Formwerkzeugs erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Metalls außerhalb des Formwerkzeugs in einem Ofen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Metalls induktiv erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Metalls durch variable Temperierung erfolgt.