DE102015202120A1

DE102015202120A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Metall-Hybridbauteil

Info

Publication number: DE102015202120A1
Application number: DE102015202120.3A
Authority: DE
Inventors: Anselm Tobias Bochtler; Christian Knappe
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Metall-Hybridbauteil sowie ein dazugehöriger Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Metall-Hybridbauteils. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte: (i) Bereitstellen eines Faserverbundhalbzeugs auf Basis von Polyamid; (ii) Bereitstellen eines metallischen Grundkörpers; (iii) Trocknen einer Fügefläche des Faserverbundhalbzeugs durch IR-Bestrahlung oder Behandlung mit einem Atmosphärendruckplasma; (iv) unmittelbar im Anschluss an Schritt (iii), Auftragen eines Klebstoffs auf die Fügefläche; und (v) stoffschlüssiges Fügen von Faserverbundhalbzeug und metallischem Grundkörper.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Metall-Hybridbauteils.
Auf vielen Gebieten der Technik werden mittlerweile Faserverbundwerkstoffe zur Verbesserung der Bauteileigenschaften und insbesondere Gewichtsreduzierung eingesetzt. Der Faserverbundwerkstoff weist dabei zumindest zwei Hauptkomponenten auf, nämlich eine Matrix und in diese Matrix eingebettete, der Verstärkung dienende Fasern. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind lediglich Faserverbundwerkstoffe mit polymerer Matrix von Interesse. Die Kombination derartiger Faserverbundwerkstoffe mit weiteren Materialien, insbesondere Metallen, ist im Fahrzeugbau ein Ansatzpunkt der Entwicklung neuer Leichtbautechnologien. Dabei entsteht das besondere Problem der hinreichenden Anbindung des Faserverbundwerkstoffs an das Metall. Die Herstellung eines Kunststoff-Metall-Hybridbauteils aus einem metallischen Grundkörper und einem mit dem Grundkörper verbundenen Faserverbundhalbzeug aus einem Faserverbundwerkstoff mit polymerer Matrix bedarf demnach der Entwicklung spezifischer Fügeverfahren.
Gängige Fügeverfahren umfassen beispielsweise das mechanische Fügen von Faserverbundhalbzeug und metallischen Bauteilen mit Nieten, durch Kragenfügen oder Bolzensetzen. Weiterhin kann die Verbindung zwischen Faserverbundhalbzeug und metallischen Bauteil auch über ein Klebeverfahren erfolgen. Auch die vorliegende Erfindung betrifft derartige Klebeverfahren. Beim herkömmlichen Klebeverfahren wird in einem Arbeitsschritt ein Klebstoff auf die Fügefläche des Faserverbundhalbzeugs beziehungsweise metallischen Grundkörpers aufgetragen und ausgehärtet. Die Materialeigenschaften des Klebstoffs sollten so beschaffen sein, dass er einerseits zum Faserverbundwerkstoff und andererseits zum metallischen Bauteil eine hinreichend hohe Haftkraft entwickelt. Darüber hinaus sollte der Klebstoff auch in seinem sonstigen mechanischen Verhalten so ausgelegt sein, dass die Vorteile des Verbunds auch tatsächlich zum Tragen kommen können. Mittlerweile wurden spezielle Schmelzklebstoffe entwickelt, die eine Anbindung von Metallen an Polymeren erlauben. Beispielsweise beschreibt EP 2 435 246 B1 einen solchen Schmelzklebstoff auf Copolyamid-Basis, der eine stoffschlüssige Anbindung an die metallische Oberfläche über Isocyanat- und Epoxid-Funktionalitäten ermöglicht.
DE 10 2008 039 869 A1 beschreibt exemplarisch ein Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen, bei dem eine stoffschlüssige Anbindung von Faserverbundhalbzeug und metallischem Grundkörper durch Auftragen eines Klebstoffs vollzogen wird. Nach dem Zusammenführen der beiden Elemente in einem Presswerkzeug erfolgt eine thermische Härtung. Weitere Beispiele für den Einsatz von Kunststoff-Metall-Hybridbauteilen im Fahrzeugbau sind DE 10 2006 027 546 A1 und DE 10 2006 058 601 A1 zu entnehmen. Auch hier erfolgt eine stoffschlüssige Anbindung zwischen metallischen Bauteilen und dem zur Verstärkung dienenden Faserverbundhalbzeug durch Auftragen eines geeigneten Klebstoffs.
Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, dass erhebliche Schwankungen in der Festigkeit der Polyamid-Verklebung bestehen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Kunststoff-Metall-Hybridbauteils aus einem metallischen Grundkörper und einem mit dem Grundkörper stoffschlüssig verbundenen Faserverbundhalbzeug lassen sich die geschilderten Probleme mit der Polyamid-Verklebung beheben oder zumindest lindern. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte:

(i) Bereitstellen eines Faserverbundhalbzeugs auf Basis von Polyamid;
(ii) Bereitstellen eines metallischen Grundkörpers;
(iii) Trocknen einer Fügefläche des Faserverbundhalbzeugs durch IR-Bestrahlung oder Behandlung mit einem Atmosphärendruckplasma;
(iv) unmittelbar im Anschluss an Schritt (iii), Auftragen eines Klebstoffs auf die Fügefläche; und
(v) stoffschlüssiges Fügen von Faserverbundhalbzeug und metallischem Grundkörper.

Im Schritt (i) wird demgemäß ein Faserverbundhalbzeug bereitgestellt, dessen für das Fügen zu nutzende Oberfläche (Fügefläche) zumindest partiell aus Polyamid besteht. Das Polyamid ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polyamid 6, Polyamid 12 und Polyamid 6.6. Die polymere Zusammensetzung kann neben dem Polyamid weitere Zusatzstoffe enthalten. Diese zusätzlichen Additive dienen beispielsweise der besseren Verarbeitung der Polymerzusammensetzung, Farbgebung oder Einstellung sonstiger Materialeigenschaften.
Gemäß Schritt (ii) des Verfahrens wird ein metallischen Grundkörper bereitgestellt. Als metallische Werkstoffe eigenen sich insbesondere Stahl, zum Beispiel schmelztauchveredelter Tiefziehstahl HX420LAD + Z100MB, und Aluminium. Auch andere metallische Werkstoffe, wie beispielsweise Edelstähle und Titan können eingesetzt werden.
Im Schritt (iii) des Verfahrens wird die Fügefläche des Faserverbundhalbzeugs durch IR-Bestrahlung oder Behandlung mit einem Atmosphärendruckplasma getrocknet. Direkt im Anschluss an den Trocknungsschritt erfolgt der Klebstoffauftrag auf die getrocknete Fügefläche des Faserverbundhalbzeugs (Schritt (iv)). Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass bei strikter Einhaltung der beiden Prozessschritte (iii) und (iv) Schwankungen in der Festigkeit der Polyamid-Verbindung vermieden werden können. Es wird vermutet, dass eine wesentliche Ursache für die unerwünschte Varianz der Verbindungsfestigkeit bei herkömmlicher Verfahrensführung das Vorhandensein von Feuchtigkeit auf der Fügefläche ist. Polyamide sind stark hygroskopisch und neigen daher zu einer starken Feuchtigkeitsaufnahme. Reines Polyamid erreicht eine Sättigungsfeuchte bei ca. 9–10%. Erste Vergleichsversuche mit definierten Feuchtigkeitsgehalten scheinen diese Vermutung zu bestätigen.
Von besonderer Bedeutung ist, dass der Auftrag des Klebstoffs sich unmittelbar an den Schritt des Trocknens der Fügefläche anschließt. Zwischen den Abschluss der des Schrittes (iii) und dem Beginn des Schrittes (iv) sollten vorzugsweise höchstens 30 min, vorzugsweise höchstens 20 min, insbesondere höchstens 10 min verstreichen. In ersten Vorversuchen hat sich gezeigt, dass Verarbeitungszeiten unter Beachtung des genannten Zeitregimes zu Produkten mit homogenen Fügeverhalten führen. Alternativ kann das getrocknete Faserverbundhalbzeug in einer Trockenkammer zwischengelagert werden.
Der Schritt (iii) des Trocknens der Fügefläche dauert vorzugsweise 10 s bis 500 s, insbesondere 60 s bis 200 s. Die kurze Behandlungsdauer ermöglicht eine effektive Integration des Verfahrens in die kurzen Taktzeiten der automobilen Fertigung. Alternativ oder ergänzend wird der Schritt (iii) solange aufrecht erhalten bis ein vorgegebenen Grenzwert für die Restfeuchtigkeit erreicht oder unterschritten ist. Der Grenzwert für den Restfeuchtigkeitsgehalt liegt insbesondere bei 1%, bevorzugt 0,5%, besonders bevorzugt 0,1%, wobei sich die Angabe nur auf den Bereich der Klebefuge bezieht und die Volumenrestfeuchte des gesamten Bauteils keinen Einfluss hat. Mit anderen Worten, es ist nur erforderlich den Bereich der Fügefläche des Faserverbundhalbzeugs zu trocken.
Das Verfahren lässt sich mit herkömmlichen Klebstoffen ausführen, die sich für das stoffschlüssige Fügen von Faserverbundhalbzeug und metallischem Grundkörper eignen. Schritt (v) ist entsprechend der Wahl des Klebstoffs auszuführen, beispielsweise durch Vorgabe einen bestimmten Pressdrucks oder einer bestimmen Temperatur zum Aushärten des Klebstoffs.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen und anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt:
1 eine schematische Darstellung des Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Fügeprozess
In 1 sind – stark schematisiert – einzelne Teilschritte (A)–(C) des Fügeverfahrens skizziert, die zur Fertigung eines Kunststoff-Metall-Hybridbauteils 10 zu durchlaufen sind. Für das Fügeverfahren wird ein Faserverbundhalbzeug 12 sowie ein metallischer Grundkörper 14 bereitgestellt. Das Faserverbundhalbzeug 12 weist ein Polyamid als polymere Matrix auf, in die zum Beispiel Carbonfasern zur Verstärkung eingebettet sind. Der Oberflächenbereich des Faserverbundhalbzeugs 12, der mit dem metallischen Grundkörper 14 verbunden werden soll, besteht somit im Wesentlichen aus Polyamid.
Eine Fügefläche 18 des Faserverbundhalbzeugs 12 wird nun im hier dargestellten Teilschritt (A) des Verfahrens mittels eines IR-Strahlers 20 für etwa 60 Sekunden bestrahlt. Die Strahlungsleistung, der Abstand des IR-Strahlers 20 zur Fügefläche 18 und die Bestrahlungsdauer wird so eingeregelt, dass die Restfeuchtigkeit auf der Fügefläche 18 zum Ende des Teilschritts (A) 0,1 % oder geringer ist.
Nach dem Trocknen erfolgt im Schritt (B) der Auftrag eines Klebstoffs 16. Anschließend wird der metallische Grundkörper 14 aufgesetzt und der Klebstoff 16 unter vorgegebenem Pressdruck und bei einer für den jeweiligen Klebstoff einzustellenden Temperatur ausgehärtet.
Alternativ zur Verwendung eines IR-Strahlers kann auch eine Anlage zur Erzeugung eines Atmosphärenplasmas Einsatz finden. Durch das Plasma kann dabei gleichzeitig die Oberfläche aktiviert werden, was das stoffschlüssige Fügen unterstützt.
In ersten Testversuchen hat sich gezeigt, dass die Zugfestigkeit durch den Schritt des Trocknens und dem sich unmittelbar anschließenden Auftrag des Klebstoffs 16 erheblich gesteigert werden kann und Schwankungen der Zugfestigkeitsstärke vermieden werden können.
Bezugszeichenliste

10: Kunststoff-Metall-Hybridbauteil
12: Faserverbundhalbzeug
14: metallischer Grundkörper
16: Klebstoff
18: Fügefläche
20: IR-Strahler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2435246 B1 [0003]
DE 102008039869 A1 [0004]
DE 102006027546 A1 [0004]
DE 102006058601 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Metall-Hybridbauteils aus einem metallischen Grundkörper und einem mit dem Grundkörper stoffschlüssig verbundenen Faserverbundhalbzeug, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (i) Bereitstellen eines Faserverbundhalbzeugs auf Basis von Polyamid; (ii) Bereitstellen eines metallischen Grundkörpers; (iii) Trocknen einer Fügefläche des Faserverbundhalbzeugs durch IR-Bestrahlung oder Behandlung mit einem Atmosphärendruckplasma; (iv) unmittelbar im Anschluss an Schritt (iii), Auftragen eines Klebstoffs auf die Fügefläche; und (v) stoffschlüssiges Fügen von Faserverbundhalbzeug und metallischem Grundkörper.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (iii) des Trocknens der Fügefläche 10 s bis 500 s dauert.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (iii) des Trocknens der Fügefläche 60 s bis 200 s dauert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (iii) solange aufrecht erhalten bis ein vorgegebenen Grenzwert für die Restfeuchtigkeit erreicht oder unterschritten ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert für den Restfeuchtigkeitsgehalt bei 1%, bevorzugt 0,5%, besonders bevorzugt 0,1% liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt (ii) bereitgestellte metallische Grundkörper aus verzinktem Stahlblech oder Aluminium besteht.