DE102015007575A1 - Method for producing a composite material of a metallic joining partner and a plastic-fiber composite - Google Patents

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Fred Eggers
Kim Kose
Stephan Ohnimus
Michael Minkow
Leo Hoffmann
Gerardus Johannes Cornelis Doggen
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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.The invention relates to a method for producing a composite material of metallic joining partners and plastic fiber mats, wherein at least portions of the surface of a metallic joining partner are roughened to form undercuts in the surface of the latter by means of electromagnetic radiation and structured, the roughened and structured portions then relative to a Short fibers formed fiber fabric or fiber fabric of a plastic mat semi-finished be positioned, a thermoset matrix system is injected into the fiber fabric or fiber fabric, at least the sections with roughened and structured surface of the metallic joining partner and the plastic mat semi-finished pressed relative to each other, at least the portions of the roughened and structured surface of the metallic joining partner pressed into the thermosetting matrix system and the undercuts of the roughened and stru kturierten surface of the metallic joining partner are filled with the thermosetting matrix material and then the thermoset matrix system of the plastic mat semifinished product is cured by heating it to form the composite material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffverbundes eines metallischen Fügepartners und eines Kunststoff-Faser-Verbundes.The invention relates to a method for producing a composite material of a metallic joining partner and a plastic-fiber composite.

Metalle und Kunststoff-Faser-Verbunde werden üblicherweise durch klebtechnische Verfahren oder durch Schrauben, Nieten und dgl. gefügt.Metals and plastic-fiber composites are usually joined by adhesive techniques or by screws, rivets and the like.

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.At present, first the fiber fabric, scrim, braid, knitted fabric, fiber felt, nonwoven fabric, fiber mat or random fiber mat is impregnated with the matrix material and formed into the desired shape. Thereafter, the cured plastic fiber composite can be joined with the metallic component.

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.From the DE 10 2007 023 418 B4 It is known, for improving the adhesion of sprayed coatings, which are to be thermally applied to component surfaces, in particular of metal, plastic or ceramic roughen the component surfaces to form microscopic undercuts by entering the surface by means of pulsed laser beams with tilt angles in the range of 20 ° up to 80 ° inclined forming pockets are introduced, which are dimensioned so that at least one of the edges of the form pockets forms an undercut with respect to the metal surface. Here, the surface is at least partially treated repeatedly with pulsed laser beams having different directional angles, inclination angles and / or other laser energies. It is said to be advantageous for the quality of the coating that the spray jet is to be guided over the surface with the same inclination as the molding pockets. For this purpose, the mold pockets should be formed in the same direction parallel with only one with respect to the surface undercut edge. An appropriate, suitable angle of the spray jet must therefore be defined the more accurate, the deeper the molding pockets are. The tolerances of the angle setting decrease accordingly. An unsuitable spray jet can therefore lead to incomplete filling of the molded bags, which negatively influences or reduces the adhesion strength of the sprayed layer.

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.Also from the DE 10 2006 004 769 A1 In addition, a method for roughening metal surfaces to improve the adhesion of thermally sprayed thereon layers is known as known. In a first method step, recesses or depressions are introduced into the surface in a material-removing or material-removing treatment, so that the protruding metal forms raised microstructures, in particular projections, grooves, protuberances or protrusions, these microstructures being formed in at least one second method step the manner of deforming and / or refractive be post-processed that a substantial proportion of the structures forms undercuts with respect to the surface.

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.From the JP 2014-051041 A Furthermore, a method for improving the adhesion of a metal surface and at least one plastic component is known, in which macroscopic and / or microscopic undercut-like slots are introduced in a first process step into the metal surface for roughening by means of short pulse laser radiation, the concave opening region in plan view and their longitudinal section each one should have repetitive, geometrically well-defined shape. Here, for the opening area of the slots to be introduced into the metal surface defined in the plan view, always repeating shapes such as circular shape, shape of a leaf of a gingko tree, boomerang shape, ellipse shape, square shape, polygonal shape or the like., And for the longitudinal section of the slots triangular shape, square shape or Trapezoidal shape specified. In a second process step, the slots formed in the metal surface with the at least one plastic component are then at least partially grooved in an injection molding process in such a way that improved adhesion between the latter and the slots in the metal surface is achieved.

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.From the DE 10 2008 040 782 A1 Finally, a method for producing a composite component is known to be known, in which at least a first component with a first contact surface and at least a second component is provided with a voltage applied to the first contact surface second contact surface, wherein on the first contact surface of the first component by means of a laser a surface structure is produced such that it has a microstructure superposed by a nanostructure. After the surface structuring of the first contact surface of the first component, it is positively connected to the second component, which is preferably made of plastic material, in particular of a thermoplastic material, by encapsulating the first component at least in sections with the second component.

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.The present invention has the object to provide a method of the type mentioned, with a low-distortion, resilient and robust material composite of at least sections of a metallic component and a plastic-fiber composite is ensured, which is not critical with respect to the surface purity of the metal before further processing is and stable remains with temperature fluctuations as well as under corrosive environmental conditions.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß jeweils durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1, 3 oder 6 gelöst.This object is achieved in each case by the features of independent claim 1, 3 or 6.

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.Thus, on the one hand, according to the invention, a method for producing a material composite of a metallic joining partner (insert) and of a plastic-fiber composite is made available with the successive method steps:
Roughening and / or structuring of the surface of at least portions of the metallic joining partner by means of short pulse laser radiation, wherein microscopic and / or macroscopic undercuts are formed in the metal surface,
Forming a thermoplastic synthetic fiber-composite semifinished product (prepreg) from a fiber structure with long or continuous fibers and a thermoplastic matrix polymer system when heating the latter,
during the molding process positioning of the metallic joining partner and the heated thermoplastic-fiber composite semifinished product (prepregs) relative to each other and relative pressing against each other at least the sections with roughened and / or structured surface of the metallic joining partner and the heated thermoplastic resin composite semifinished product (prepreg ), wherein at least the sections with roughened and / or structured surface of the metallic joining partner are pressed into the thermoplastic matrix system and the undercuts of the metallic joining partner are filled with material of the plastic matrix system, and
Cooling and thus solidification of the plastic matrix system of the thermoplastic-fiber composite semifinished product (prepreg), wherein the composite material is formed from the metallic joining partner and the reinforced plastic component.

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.As semi-finished products (prepreg) of thermoplastic-fiber-fiber composite it is preferred to provide so-called "organic sheets" with a fiber fabric or fiber covering of glass or carbon fibers or also non-woven fiber materials such as glass fiber mats or nonwoven materials, which are each embedded in the thermoplastic matrix system.

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.On the other hand, the object of the invention is also achieved by a method for producing a composite material of a metallic joining partner (insert) and a plastic-fiber composite with the successive process steps:
Roughening and / or structuring the surface of at least portions of a metallic joining partner by means of short pulse laser radiation, wherein microscopic and / or macroscopic undercuts are formed in the metal surface,
Providing a semifinished fiber product consisting of a woven, scrim, braid, knitted fabric, a mat or felted fibers,
Positioning at least the roughened and / or structured sections of the metallic joining partner relative to the ready-made semi-finished fiber product,
Injecting a thermosetting matrix system into the semifinished fiber product,
relative pressing against each other at least of the sections with roughened and / or structured surface of the metallic joining partner and embedded in the thermosetting matrix material semi-finished fiber, wherein at least the portions of the roughened and / or structured surface of the metallic joining partner are pressed into the thermosetting matrix system and the thermosetting matrix material Undercuts filled the roughened and / or textured surface of the metallic joining partner, and
Heating the thermosetting matrix system to its curing, wherein the composite material is formed from the plastic-fiber composite and the metallic joining partner.

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.Preferably, the inventive method is carried out as RTM (Resin Transfer Molding) method, wherein the provision of the semi-finished fiber in the mold cavity of an open evakuierbaren mold takes place, in which the metallic joining partner is inserted so that at least the roughened and / or structured portions of the metal surface are brought into contact with the semifinished fiber product, whereupon the mold is closed and then evacuated, then the thermosetting or elastomeric matrix material is injected as a molding compound into the closed mold and thereby introduced as thermoset or elastomeric matrix system in the semifinished fiber product, wherein a filling of the undercuts with The roughened and / or structured surface of the metallic joining partner which is in contact with the semifinished fiber product is carried out with the thermosetting or elastomeric matrix material, whereupon the matrix material is heated to harden, wherein the meta llische depositors are firmly integrated into the plastic-fiber composite produced and whose material composite is produced with the metallic joining partner.

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.As plastic molding compound thermosets such. As formaldehyde resins (PF, MF and the like.) Or reaction resins (UP, EP) and others are used with and without filler particles or elastomers.

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.In addition, the object of the invention is also achieved according to the invention by a method for producing a composite material of a metallic joining partner (insert) and a plastic-fiber composite with the successive process steps:
Roughening and / or structuring the surface of at least portions of a metallic joining partner by means of short pulse laser radiation, wherein microscopic and / or macroscopic undercuts are formed in the metal surface,
Forming a thermoset-based fiber matrix mixture such as a SMC (Sheet Molding Compound) or a BMC (Bulk Molding Compound) in a tool to a fiber mat polymer semifinished product and providing the latter,
Positioning at least the roughened and / or structured portions of the metallic joining partner relative to the provided SMC or BMC fiber mat polymer semi-finished product,
relative pressing against each other and vibrating at least the sections with roughened and / or structured surface of the metallic joining partner and the provided SMC or BMC-fiber mat polymer semifinished product, wherein in the thermosetting matrix system of the latter at least the sections with roughened and / or structured surface pressed the metallic joining partner and the undercuts of the metallic joining partner are filled with the thermosetting matrix material, and
Heating the thermosetting matrix system to its curing, wherein the composite material is formed from the plastic-fiber composite and the metallic joining partner.

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.The vibration of at least the portions with roughened and / or structured surface of the metallic joining partner and the provided SMC or BMC-fiber mat polymer semifinished product relative to one another ensures a hooking of the fabric or jaw in the hooks according to the principle of a hook and loop fastener.

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.Due to the laser structuring of the metallic joining partner, the metal is suitably activated, so that, unexpectedly, an additional local effect occurs when the thermosetting matrix system is heated to harden it. The good thermal conductivity of the metallic joining partner allows a fast temperature control on the surface and thus the local reaction to form the thermoset solid phase.

Der metallische Fügepartner kann aus Stahl, Kupfer, Kupferlegierungen oder Leichtmetall bestehend gewählt werden.The metallic joining partner can be selected from steel, copper, copper alloys or light metal.

Bevorzugt erfolgt die Strukturierung zumindest der Abschnitte der Oberfläche des metallischen Fügepartners mittels der Kurzpulslaserstrahlung stochastisch willkürlich, indem die Metallschmelze unkontrolliert aufgeworfen wird.The patterning of at least the sections of the surface of the metallic joining partner by means of the short-pulse laser radiation preferably takes place stochastically arbitrarily by the metal melt being uncontrolled.

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.For producing the macroscopic undercuts of the metal surface by means of the short-pulse laser radiation, a scanner with adapted focal length of the scanner optics and beam guidance is preferably used. The scanner and the metal surface to be roughened can be moved continuously relative to one another at a predetermined speed, wherein the movement of the scanner is superimposed on an axis movement of a robot or of the axis system or of a coordinate system of the object to be processed, so that the scanner optics superimpose the laser beam in an endless loop leads over the metal surface in his field and on the entire metal surface uniform roughening and / or structuring is generated with continuous relative movement.

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.After the roughening and / or laser structuring of at least the sections of the surface of the metallic joining partner, at least the roughened and / or structured surface of the metal can be heated to a temperature before and / or during the injection of the thermosetting matrix system into the semi-finished fiber product Processing in the range of room temperature to over 100 ° C the processing temperature of the thermosetting matrix system is.

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.Preferably, the temperature to which the roughened surface of the metal is heated is in the range of 100 ° C below to the processing temperature of the thermoset matrix system.

Die Erwärmung der aufgerauten Oberfläche des Metalls kann auf eine Temperatur erfolgen, die höher als die Glasübergangstemperatur des duroplastischen Materials ist.The heating of the roughened surface of the metal may be to a temperature higher than the glass transition temperature of the thermoset material.

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.Preferably, the temperature to which at least the roughened surface of the metal is heated, depending on parameters such as process duration, viscosity of the melt and fineness and depth of the roughening (structuring) of the metal surface is selected.

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.The heating of the metal can preferably be carried out inductively. By inductive heating of the metal side of the composite material in the mold cavity of the mold, the temperature can be controlled very accurately and a uniform heating of the metal side of the composite material to ensure maximum process stability can be achieved.

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.The temperature to be achieved by a variable temperature of the metal side of the composite material depends on the properties of the selected thermoset or thermoplastic matrix system. Thus, when using the thermosetting matrix system, the heating at least the roughened surface of the metal preferably to a temperature which is above the glass transition temperature of the thermosetting matrix system and below the maximum of the processing temperature of the thermosetting matrix system when it is injected into the semifinished fiber and depending on process parameters such as duration of the injection process, viscosity of the melt and Fineness and depth of roughening and / or structuring of the metal surface is chosen.

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.Due to the thermoplastic process, in the process according to the invention, an optimum combination of plastic and metal is ensured as a result of the clawing of the laser-structured material with the matrix material melted or viscous due to local heat input.

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.Such a clawing of the preferably stochastically arbitrarily produced laser structuring in the material composite of the component assembly proves to be advantageous in large temperature differences in particular in that no large edge stresses are generated, but the resulting forces are distributed over a larger area and thus the stresses in edge regions remain lower. The stochastic arbitrary laser structuring secures the composite materials suitably against loads from all directions, as they act in total in all directions.

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.By the method according to the invention the use of adhesives can be avoided, whereby an emission of solvents is avoided. Likewise, only a selective connection with correspondingly high voltage peaks, as they occur in screws, rivets or similar compounds bypassed.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für Anwendungen im Verkehrswesen geeignet.The method according to the invention is particularly suitable for applications in the transport sector.

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In diesen sind:The present invention will now be explained with reference to the drawings. In these are:

1a eine schematische perspektivische Darstellung eines Kunststoff-Faser-Verbundes in Form eines Organbleches als flächiges Halbzeug. 1a a schematic perspective view of a plastic-fiber composite in the form of an organ sheet as a flat semi-finished product.

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. 1b a schematic perspective view of a joining partner made of metal for the production of a composite material with the sheet semi-finished according to 1a , wherein a portion of the metallic joining partner is framed and also shown framed in enlargement.

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. 1c a schematic perspective view of an arrangement of the metallic joining partner and the flat semi-finished product, the impressions of the roughened and textured surface of the metallic joining partner in the heated thermoplastic matrix material of the sheet semifinished product according to 1a clarified.

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. 1d a schematic representation of a cross section of the composite material produced by the metallic joining partner and the thermoplastic plastic-fiber composite, wherein a portion of the composite material is framed and also shown framed in the enlargement.

2a eine schematische perspektivische Darstellung eines Kunststoff-Faser-Verbundes in Form eines SMC-Halbzeugs. 2a a schematic perspective view of a plastic-fiber composite in the form of an SMC semi-finished product.

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. 2 B a schematic perspective view of the metallic joining partner according to 1b , seen from below, wherein a portion of the metallic joining partner is framed and also shown framed in the enlargement.

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. 2c schematic perspective views of a mutual arrangement of the metallic joining partner and the SMC semi-finished, which illustrate the impressions of the metallic joining partner in the cold thermosetting matrix system of the SMC semifinished product and the curing by supplying heat of the latter.

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. 2d a schematic perspective view of the produced material composite of the metallic joining partner and the SMC semi-finished, wherein a section of the composite material is framed and also framed in the enlargement shown.

3a eine schematische Darstellung eines Fasergebildes in Draufsicht, das bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens als RTM-Verfahren verwendet wird. 3a a schematic representation of a fiber structure in plan view, which is used in the embodiment of the method according to the invention as RTM method.

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. 3b a schematic perspective view of the metallic joining partner in the form of a metallic insert, wherein a section of the latter is framed and also framed in the enlargement shown.

3c eine schematische perspektivische Darstellung eines geschlossenen Formwerkzeugs mit integrierter Ansicht eines Längsschnitts des geschlossenen Formwerkzeugs bei Herstellung des Werkstoffverbundes im RTM-Verfahren. 3c a schematic perspective view of a closed mold with an integrated view of a longitudinal section of the closed mold when producing the composite materials in the RTM process.

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. 3d a schematic perspective view of the produced composite material of the plastic-fiber composite and the metallic insert, wherein a section of the composite material is framed and also framed in the enlargement shown.

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. For erfindungsgenmäßen producing a composite material of a metallic joining partner and a plastic-fiber composite are, as from the 1a to 1d and in particular from the 1a and 1b shows, according to a first embodiment of the method according to the invention, a plastic-fiber composite 1 in the form of a so-called organo sheet, GMT or nonwoven reinforced thermoplastics and a metal component 2 provided as a metallic joining partner.

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.In the organic sheet 1 is a fiber fabric or fiber fabric made of glass or carbon fibers, in a thermoplastic matrix system 3 are embedded. Organic sheets are hot worked so that the thermoplastic matrix material 3 then in a viscous state, whereby a cracking can be avoided.

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.The metal component 2 is how the framing in 1b be recognized, at least in sections before the joining process 5 the metal surface 4 roughened and structured by means of short pulse laser radiation, with microscopic and / or macroscopic undercuts 6 in the metal surface 4 be formed as the framed section 5 the metal surface 4 in the enlargement of the 1b shows. The structuring of the metal surface 4 is preferably randomly by means of short-pulse laser radiation randomly by the molten metal is raised uncontrollably.

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).How out 1c can be seen, then the metal component 2 and the organ sheet 1 , in its place also GMT's or non-woven reinforced thermoplastic materials can be used, positioned relative to each other, whereupon - as in 1c symbolized by the arrow F - at least the sections 5 with roughened and textured metal surface 4 of the metal component 2 into the heated matrix system 3 of organic sheet 1 , ie the fiber fabric or fiber fabric of glass or carbon fibers are pressed. Here are the undercuts 6 the roughened and textured metal surface 4 of the metal component 2 with the thermoplastic matrix material 3 of organic sheet 1 filled in (see the enlargement of the framed section of the composite material 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.Like the in 1c intended wavy lines w, is the thermoplastic matrix system 3 of the metal component 2 assembled organ sheet 1 warmed to the shape for shaping 1d apparent composite material of the plastic-fiber composite in the form of the organ sheet 1 and the metal component 2 to build.

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.From the 2a to 2d shows another embodiment of the method according to the invention, with which a composite material of a plastic-fiber composite in the form of an SMC (SheetMoldingCompound) Halbzeugs 7 and the metal component 2 is to produce as a metallic joining partner.

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. 2a shows the provided SMC semi-finished product 7 , consisting of a thermosetting matrix system 8th and a fiber web formed from random fibers, while from the 2 B the metallic joining partner in the form of the metal component 2 it can be seen that according to the 1b at least in sections 4 the metal surface 4 already roughened and structured by laser, being in the metal surface 4 the undercuts 3 have been formed as from the enlarged framing in 2 B evident.

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.Then, as seen from the left half of 2c it can be seen, the SMC semi-finished product 7 and the metal part 2 positioned to each other so that the latter with the roughened and textured metal surface 4 by one in the direction of the arrow P on the metal component 2 applied compressive force and at the same time generated vibration of the metal component 2 and the SMC semi-finished product 7 to each other in the thermosetting matrix system 8th the latter is indented, the undercuts 6 in the metal surface 4 with the thermosetting matrix material 8th of the SMC semi-finished product 7 fill out. Then, as the wavy lines w in the right half of 2c symbolize the thermosetting matrix system 8th of the SMC semi-finished product 7 cured as a result of this heating. Here, in the left half of the 2d shown composite material of the plastic-fiber composite in the form of SMC semifinished product 7 and the metal component 2 educated.

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.As from the enlarged framing in 2d It can be seen that the complete filling of the undercuts 6 the metal surface 4 of the metal component 2 with the thermosetting matrix material 8th of the SMC semi-finished product 7 clarifies, in this way an optimal combination of plastic and metal due to the cleavage of the laser-structured metal surface 4 with the heat-cured thermosetting matrix material 8th guaranteed.

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.From the 3a to 3d Furthermore, an embodiment of the method according to the invention as RTM (Resin Transfer Molding) method shows, with a in 3a shown metal part 9 in which at least sections 4 its metal surface 11 roughened by laser and structured and thereby undercuts 10 in the metal surface 11 of the metal part 9 have arisen (see the framing in 3b ), in an in 3a illustrated Semi-finished fiber 12 a plastic-fiber composite is to be integrated.

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.For this purpose, first, as the arrow G symbolizes, according to 3a provided semi-finished fiber 12 into an open mold nest fourteen one in 3c illustrated mold 13 inserted. Then the provided metal part 9 (see. 3b and 3c ) also in the opened mold 13 introduced, as the arrow H in 3c symbolizes, and opposite to that in the mold nest fourteen located semi-finished fiber 12 positioned so that at least the roughened and laser structured sections 4 the metal surface 11 of the metal part 9 with the semifinished fiber product 12 get in touch.

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.Subsequently, the mold 13 closed and evacuated. Then it goes through distribution channels 15 , as the arrows symbolize, thermosetting or elastomeric matrix material 16 as a molding material in the mold cavity fourteen of the mold 13 injected and while in the mold cavity fourteen Semi-finished fiber 12 introduced to form a plastic-fiber composite. As matrix material 16 In this case, formaldehyde resins and reaction resins with small filler particles or elastomers can be used.

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.The thermosetting or elastomeric matrix material 16 fills the undercuts 11 in the with the semi-finished fiber 12 in contact metal surface 11 of the metal part 9 (see. 3d , right half) off. By means of heat (see wavy lines w in 3c ) and pressure then becomes the matrix material 16 of the semifinished fiber product 12 Hardened, with a firm involvement of the metal part 9 in the produced plastic-fiber composite and at the same time its composite material with metal part 9 is achieved as a joining partner, such as 3d clarified.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Kunststoff-Faser-Verbund, OrganblechPlastic fiber composite, organ sheet
22
Metallbauteilmetal component
33
thermoplastisches Matrixsystemthermoplastic matrix system
44
Metalloberflächemetal surface
55
Abschnitte der MetalloberflächeSections of the metal surface
66
Hinterschnitteundercuts
77
SMC-HalbzeugSMC semifinished
88th
Duroplastisches MatrixsystemThermoset matrix system
99
Metallteilmetal part
1010
Metalloberfläche des MetallteilsMetal surface of the metal part
1111
Hinterschnitte der Metalloberfläche des MetallteilsUndercuts of the metal surface of the metal part
1212
FaserhalbzeugSemi-finished fiber
1313
Formwerkzeugmold
1414
Formnestcavity
1515
Verteilerkanäledistribution channels
1616
Formmassemolding compound
1717
Matrixmaterial des FaserhalbzeugsMatrix material of the semifinished fiber product
Pfeilarrow
F DruckausübungF pressure exercise
Pfeilarrow
G Einbringung des Faserhalbzeugs in ein FormnestG introduction of the semifinished fiber product into a mold cavity
Pfeilarrow
H Einbringung des Metallteils in das FormnestH introduction of the metal part in the mold cavity
Pfeilarrow
I Einbringung der FormmasseI introduction of the molding material
VV
Vibrationvibration
WW
Wärmeerzeugungheat generation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Claims (17)

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.Method for producing a material composite of a metallic joining partner and a plastic-fiber composite with successive method steps: Roughening and / or structuring of the surface of at least portions of the metallic joining partner by means of short pulse laser radiation, wherein microscopic and / or macroscopic undercuts are formed in the metal surface, Forming a thermoplastic synthetic fiber-composite semifinished product (prepreg) from a fiber structure with long or continuous fibers and a thermoplastic matrix polymer system when heating the latter, during the molding process positioning of the metallic joining partner and the heated thermoplastic-fiber composite composite (prepreg) relative to each other and relative pressing against each other at least of the sections with roughened and / or structured surface of the metallic joining partner and the heated thermoplastic-fiber composite semifinished product (prepreg), wherein at least the portions with roughened and / or structured surface of the metallic joining partner pressed into the thermoplastic resin matrix system and the undercuts of the metallic joining partner are filled with material of the plastic matrix system, and Cooling and thus solidification of the plastic matrix system of the thermoplastic-fiber composite semifinished product (prepreg), wherein the composite material of the metallic joining partner and the plastic-fiber composite is formed. 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.A method according to claim 1, characterized in that as thermoplastic-fiber-composite semi-finished product (prepreg) organo sheets with a fiber fabric or fiber fabric of glass or carbon fibers or non-woven fiber materials such as glass fiber mats or nonwoven materials, each also made of glass or carbon fibers, are provided, which are each embedded in the thermoplastic matrix system. 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.Method for producing a material composite of a metallic joining partner (insert) and a plastic-fiber composite with successive method steps: Roughening and / or structuring the surface of at least portions of the metallic joining partner by means of short pulse laser radiation, wherein macroscopic undercuts are formed in the metal surface, Providing a semifinished fiber product consisting of a woven, scrim, braid, knitted fabric, a mat or felted fibers, Positioning at least the roughened and / or structured sections of the metallic joining partner relative to the ready-made semi-finished fiber product, Injecting a thermosetting matrix system into the semifinished fiber product, relative pressing against each other at least of the sections with roughened and / or structured surface of the metallic joining partner and embedded in the thermosetting matrix material semi-finished fiber, wherein at least the portions of the roughened and / or structured surface of the metallic joining partner are pressed into the thermosetting matrix system and the thermosetting matrix material Undercuts filled the roughened and / or textured surface of the metallic joining partner, and Heating the thermosetting matrix system to its curing, wherein the composite material is formed from the plastic-fiber composite and the metallic joining partner. 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.A method according to claim 3, characterized in that by means of a RTM (Resin Transfer Molding) method, the provision of the semi-finished fiber in the mold cavity of an open evakuierbaren mold takes place, in which then the metallic joining partner is inserted so that at least the roughened and / or structured sections of the metal surface are brought into contact with the semifinished fiber, whereupon the mold is closed and then evacuated, then the thermosetting or elastomeric matrix material is injected as a molding compound in the closed mold and thereby introduced as thermoset or elastomeric matrix system in the semifinished fiber product, wherein the filling the undercuts of the roughened and / or structured surface of the metallic joining partner in contact with the semifinished fiber article take place with the thermosetting or elastomeric matrix material, whereupon the matrix material is heated to harden, the meta llische depositor is firmly integrated into the plastic-fiber composite produced and the composite material is made with the metallic joining partner. 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.A method according to claim 4, characterized in that as plastic molding compound thermosets such as formaldehyde resins (PF, MF and the like.) Or reaction resins (UP, EP) and others are used with and without filler particles or elastomers. 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.Process for producing a material composite of a metallic joining partner (insert) and a plastic-fiber composite with the successive process steps: roughening and / or structuring of the surface of at least sections of a metallic joining partner by means of short pulse laser radiation, wherein forming microscopic and / or macroscopic undercuts in the metal surface, forming a thermoset-based fiber matrix mixture such as a SMC (Sheet Molding Compound) or a BMC (Bulk Molding Compound) in a tool to a fiber mat polymer semifinished product and providing the the latter, positioning at least the roughened and / or structured portions of the metallic joining partner relative to the provided SMC or BMC-fiber mat-polymer semi-finished, relative pressing against each other and vibrating at least the portions with roughened and / or textured surface of the metallic joining partner and the ready Asked SMC or BMC-fiber mat polymer semi-finished, wherein pressed into the thermosetting matrix system of the latter at least the sections with roughened and / or structured surface of the metallic joining partner and the undercuts of the metallic joining partner with the thermosetting mat Rixmaterial be filled, and heating the thermosetting matrix system to its curing, wherein the composite material of the plastic-fiber composite and the metallic joining partner is formed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Fügepartner aus Stahl, Kupfer, Kupferlegierungen oder Leichtmetall bestehend gewählt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic joining partner is selected from steel, copper, copper alloys or light metal. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the structuring of the surface of at least the portions of the metallic joining partner by means of the short-pulse laser radiation is stochastically arbitrary by the molten metal is uncontrollably raised. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for the generation of the microscopic and / or macroscopic undercuts of the metal surface by means of the short-pulse laser radiation, a scanner with adapted focal length of the scanner optics and beam guidance is used. 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.A method according to claim 9, characterized in that the scanner is continuously moved relative to the surface to be roughened metal at a predetermined speed and its movement is superimposed with an axis movement of a robot, the scanner optics simultaneously leads the laser beam in an endless loop on the metal surface in his field and on the entire metal surface a uniform roughening and / or structuring is generated endlessly with continuous relative movement. 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.Method according to one of claims 3 or 4, characterized in that following the roughening and / or structuring of at least the portions of the metal surface before and / or during injection of the thermosetting matrix system in the semi-finished fiber at least the roughened and / or structured surface of the metal a temperature is heated, which lies in the processing in the range of room temperature to 100 ° C above the processing temperature of the thermosetting matrix system. 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.Method according to one of claims 3, 4 or 11, characterized in that the temperature at which the roughened surface of the metal is heated in the range of 100 ° C below to the processing temperature of the thermosetting matrix system. 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.Method according to one of claims 3, 4, 11 or 12, characterized in that the temperature to which at least the roughened metal surfaces of the metal are heated, depending on process parameters such as process duration, viscosity of the melt and fineness and the depth of the roughening (structuring ) of the metal surfaces is selected. Verfahren nach einem der Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Metalls innerhalb des Formwerkzeugs erfolgt.Method according to one of claims 11-13, characterized in that the heating of the metal takes place within the mold. Verfahren nach einem der Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Metalls außerhalb des Formwerkzeugs in einem Ofen erfolgt.Method according to one of claims 11-13, characterized in that the heating of the metal takes place outside of the mold in an oven. Verfahren nach einem der Ansprüche 11–15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Metalls induktiv erfolgt.Method according to one of claims 11-15, characterized in that the heating of the metal takes place inductively. Verfahren nach einem der Ansprüche 11–15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Metalls durch variable Temperierung erfolgt.Method according to one of claims 11-15, characterized in that the heating of the metal is effected by variable temperature.
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