DE102015217163A1

DE102015217163A1 - Reinigung von Oberflächen durch Laserbeschnitt zum Anhaften an Gussmetallen

Info

Publication number: DE102015217163A1
Application number: DE102015217163.9A
Authority: DE
Inventors: Jinbao Jiao
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Vitesco Technologies USA LLC
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2035-09-10
Also published as: US20160100498A1; CN113857677A; CN105479008A; DE102015217163B4; US9764383B2

Abstract

Ein Verfahren bondet ein erstes Element an ein zweites Element. Das Verfahren stellt ein erstes Element mit einer Bondungsfläche bereit. Ein zweites Element wird so aus einem Metallmaterial geformt, dass es eine Oberfläche aufweist, die dafür gestaltet und ausgelegt ist, an die Bondungsfläche gebondet zu werden. Die Oberfläche des zweiten Elements wird laserbeschnitten, um Material zu entfernen und Nebenprodukte, die beim Formen des zweiten Elements entstanden sind, von der Oberfläche des zweiten Elements zu entfernen, um dadurch eine saubere, laserbeschnittene Oberfläche des zweiten Elements zu definieren. Ein Dichtmittel wird zwischen, und in Kontakt mit, der Bondungsfläche und der sauberen, laserbeschnittenen Oberfläche angeordnet. Das Dichtmittel lässt man aushärten, um dadurch das erste Element an das zweite Element zu bonden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft das Anhaften eines ersten Elements an einem zweiten Element aus Gussmetall, und betrifft insbesondere den Laserbeschnitt einer Oberfläche des zweiten Elements zum Entfernen von Formungs-Nebenprodukten und zum Sicherstellen eines sauberen Anhaftens.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Mit Bezug auf 1 wird bei herkömmlichen Getriebesteuermodulen für Fahrzeuge in der Regel eine Kunststoffabdeckung 10 mit Hilfe eines Dichtmittels 16 an eine Dichtungsnut oder Oberfläche 12 einer Grundplatte oder eines Gehäuses 14 aus Aluminiumguss gebondet. Man hört oft von Leckagen in das Gehäuse aufgrund des Nichthaftens des Dichtmittels an der Oberfläche des Aluminiumgehäuses. 1 zeigt die Abdeckung in einem bezüglich des Gehäuses 16 geöffneten Zustand. Wie zu sehen ist, haftet das Dichtmittel 16 kohäsiv an der Kunststoffabdeckung 10, doch das Dichtmittel 16 neigt dazu, sich von der Dichtfläche 12 des Aluminiumgehäuses 14 abzulösen.
Analysen haben gezeigt, dass die Oberfläche des Aluminiumgusses mit einem Formtrennmittel und/oder mit thermisch degradierten Nebenprodukten aus dem Formungsprozess verunreinigt ist. Die Verunreinigungen können den Haftkraftverlust verursachen. Tests lassen des Weiteren darauf schließen, dass die Verunreinigungen sich entweder chemisch an die Oberfläche des Aluminiumgusses binden oder während des Gießformungsprozesses, der eine Legierungsschmelztemperatur von über 600 °C erreicht, in die oberste Schicht des Aluminiumgusses eindringen. Ein allgemeines Seifenwaschmittel vom Gussmetalllieferanten, oder auch Isopropylalkohol (IPA) zum Abwischen, reichen nicht aus, um das restliche Trennmittel zu entfernen. Es wurden auch aggressivere Oberflächenbehandlungsverfahren verwendet, um zu sehen, wie wirksam sie die Verunreinigungen von der Oberfläche der Aluminiumguss-Nut entfernen können. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst Ultraschallreinigung unter Verwendung aggressiver Lösemittel (Dichlormethan 10 min + Hexan 10 min) nicht sonderlich wirkungsvoll ist. Des Weiteren können weder normales Plasma noch 5-mal stärkeres Plasma eine Oberfläche sauber genug bekommen, um eines kohäsives Anhaften zu erreichen.
Tests haben auch gezeigt, dass kohäsives Bonden an die Oberfläche des Aluminiums durch ein extrem langsames Plasma oder durch Abschleifen der Oberfläche erreicht werden kann. Jedoch ist das Verfahren des langsamen Plasmas (1 mm/s) zu langsam und für die Massenproduktion nicht geeignet. Der Einsatz höherer Geschwindigkeiten hat sich als ineffektiv herausgestellt. Beim Abschleifen (oder Kugelstrahlen oder Sandstrahlen) der Oberfläche wird letztendlich die Verunreinigung an der Oberfläche der Sand- oder Metallkörner gesammelt, wodurch die Oberfläche des Aluminiums nach der Anwendung dieses Verfahrens im Lauf der Zeit kreuzkontaminiert werden kann.
Darum besteht Bedarf am Entfernen einer obersten Schicht einer Oberfläche von Gussmetall durch Laserbeschnitt, um die Oberfläche zu säubern und ein Anhaften eines Dichtmittels an der gereinigten Oberfläche sicherzustellen.
KURZDARSTELLUNG
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Befriedigung des oben angesprochenen Bedarfs. Gemäß den Prinzipien einer Ausführungsform wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Bonden eines ersten Elements an ein zweites Element erreicht. Das Verfahren stellt ein erstes Element mit einer Bondungsfläche bereit. Ein zweites Element wird so aus Metallmaterial geformt, dass es eine Oberfläche aufweist, die dafür beschaffen und ausgelegt ist, an die Bondungsfläche gebondet zu werden. Die Oberfläche des zweiten Elements wird laserbeschnitten, um Material zu entfernen und Nebenprodukte, die durch das Formen des zweiten Element entstanden sind, von der Oberfläche des zweiten Elements zu entfernen, um dadurch eine saubere, laserbeschnittene Oberfläche des zweiten Elements zu erhalten. Ein Dichtmittel wird zwischen, und in Kontakt mit, der Bondungsfläche und der sauberen, laserbeschnittenen Oberfläche angeordnet. Das Dichtmittel lässt man aushärten, um dadurch das erste Element an das zweite Element zu bonden.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie die Betriebsverfahren und die Funktionen der zugehörigen Elemente der Struktur, die Kombination von Teilen und die Fertigungsökonomie werden anhand der Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung und der beigefügten Ansprüche unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, die allesamt einen Bestandteil dieser Spezifikation bilden, offenkundig.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird anhand der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen besser verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile bezeichnen und in denen Folgendes zu sehen ist:
1 ist eine Ansicht eines Abschnitts eines herkömmlichen Getriebesteuermoduls, die das Ablösen von Dichtmittel von einer Oberfläche eines Aluminiumgussgehäuses und dessen Anhaften an eine Kunststoffabdeckung zeigt.
2 ist eine vergrößerte Teilansicht einer Oberfläche des Aluminiumgussgehäuses von 1, die nach einer teilweisen Behandlung der Oberfläche mittels einer Laserbeschnittoperation gemäß einer Ausführungsform gezeigt ist.
3 ist eine Querschnittsansicht, die eine Kunststoffabdeckung zeigt, die unter Verwendung eines Dichtmittels an eine laserbeschnittene Oberfläche eines Aluminiumgussgehäuses gebondet ist, gemäß einer Ausführungsform.
4 ist eine Tabelle, die Zugkräfte von Prüfstücken zeigt, bei denen die Oberfläche des Aluminiumgussgehäuses nicht laserbeschnitten wurde, im Vergleich zu Zugkräften von Prüfstücken, bei denen die Oberfläche des Aluminiumgussgehäuses laserbeschnitten wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf 2 wird gemäß einer Ausführungsform ein Abschnitt der Oberfläche 12 von Element 14 (zum Beispiel ein Gehäuse), das aus Aluminiumgussmaterial geformt wurde, nach einem Laserbeschnitt (Ablation) gezeigt, um eine oberste Schicht der Oberfläche 12 zu entfernen und somit eine saubere, laserbeschnittene Oberfläche 12’ für das Gehäuse 14 zu erzeugen. Ein Laser 15 wurde mit etwa 100 mm/s, 31 A und einer Frequenz von etwa 9000 Hz betrieben, um die Oberfläche 12’ herzustellen. Der bevorzugte Frequenzbereich beträgt 5.000 bis 50.000 Hz. Die laserbeschnittene Oberfläche 12’ entsteht entlang eines Umfangs des Gehäuses 14 oder an jeder sonstige Stelle, die mit dem Dichtmittel 16 in Kontakt steht (siehe 1). Wie in den 2 und 3 gezeigt, definiert der Laserbeschnitt eine wellenförmige Oberfläche 12’ mit abwechselnden Höhen 18 und Tiefen 20. In der Ausführungsform sind die Höhen 18 und Tiefen 20 bevorzugt im Wesentlichen in einer gleichförmigen Weise auf der Oberfläche 12’ definiert. Die Höhenbreite (Peak Width, PW) beträgt bevorzugt 20 bis 200 µm. Die Tiefenbreite (Valley Width, VW) beträgt bevorzugt 20 bis 200 µm. Die Gesamtliniendistanz D beträgt bevorzugt 40 bis 400 µm. Die Höhe H von Höhe bis Tiefe beträgt bevorzugt 40 bis 400 µm. Der Laserbeschnitt entfernt Material von der Oberfläche 12 und entfernt somit ein Formtrennmittel und/oder thermisch degradierte Nebenprodukte 21 oder Verunreinigungen, die aus dem Prozess des Formens des Aluminiumgussgehäuses 14 entstehen.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Getriebesteuermoduls, allgemein mit 22 bezeichnet, mit einer Bondungsfläche 23 eines ersten Elements in der Form einer Kunststoffabdeckung 10, die unter Verwendung des Dichtmittels 16 an die Oberfläche 12’ des zweiten Elements in der Form eines Aluminiumgussgehäuses 14 gebondet ist. Das Dichtmittel 16 ist bevorzugt ein aushärtender Platin-Silikon-Klebstoff wie zum Beispiel Dow Corning^® 3-6876, der bei 140 °C eine Stunde lang aushärtet.
Obgleich Aluminiumgussmaterial als das Material der laserbeschnittenen Oberfläche 12’, die für ein besseres Anhaften gereinigt werden muss, offenbart wird, kann der hier beschriebene Laserbeschnitt auf jede beliebige Oberfläche eines Guss- oder Formmetalls oder einer Guss- oder Formmetalllegierung angewendet werden. Die Verwendung von „Metall“ schließt hier auch Metalllegierungen ein.
Mit Bezug auf 2 und 3 stellt ein Verfahren zum Bonden des ersten Elements 10 an das zweite Element 14 das erste Element 10 (zum Beispiel eine Abdeckung) mit einer Bondungsfläche 23 bereit. Das zweite Element 14 (zum Beispiel ein Gehäuse) wird in einer solchen Weise bereitgestellt, dass es aus Metallmaterial geformt ist und eine Oberfläche 12 hat, die dafür gestaltet und ausgelegt ist, an die Bondungsfläche 23 gebondet zu werden. Ein Laserbeschnittprozess wird auf der Oberfläche 12 des zweiten Elements 14 ausgeführt, um Material und Nebenprodukte, die beim Formen des zweiten Elements entstanden sind, von der Oberfläche des zweiten Elements zu entfernen, um dadurch eine saubere laserbeschnittene Oberfläche 12’ des zweiten Elements zu definieren. Das Dichtmittel 16 wird zwischen, und in Kontakt mit, der Bondungsfläche 23 und der laserbeschnittenen Oberfläche 12’ angeordnet. Das Dichtmittel 16 lässt man aushärten, oder bringt es zum Aushärten, wodurch das erste Element 10 an das zweite Element 14 gebondet wird.
4 ist eine Tabelle, die Zugkräfte von Prüfstücken 1–3 der Behandlung 1 zeigt, die an der herkömmlichen, nicht-gereinigten (nicht-laserbeschnittenen) Oberfläche 12 des Aluminiumgussgehäuses 14 ausgeführt wurde. Die durchschnittliche Zugkraft der Behandlung 1 beträgt 4, 8 lbs. Behandlung 2 zeigt Zugkräfte von Prüfstücken 1–3, wo die Oberfläche 12’ des Aluminiumgussgehäuses laserbeschnitten und somit gemäß der Ausführungsform gereinigt wurde. Da die Oberfläche 12’ sauber und somit frei von Nebenprodukten aus dem Formungsprozess ist, betrug die durchschnittliche Zugkraft von Behandlung 2 etwa 92,7 lbs., was eine signifikante Verbesserung im Vergleich zu Behandlung 1 darstellt.
Der Laserbeschnitt (mit etwa 100 mm/s) zum Definieren einer sauberen Oberfläche 12’ ist signifikant schnell und kann somit in der Massenproduktion verwendet werden. Da außerdem kein Sand und keine Kügelchen zum Bereitstellen der sauberen Oberfläche 12’ verwendet werden, kommt es zu keiner Kreuzkontaminierung, und es müssen auch keine Kügelchen gereinigt werden, wie es beim Kugelstrahlen der Fall ist. Der Laserbeschnitt reinigt vollständig die Bondungsfläche, um eine kohäsive Bondungsfläche 12’ zu erzeugen, die mit einer Seifen- oder Lösemittelwäsche nicht hinreichend gereinigt werden kann. Der Laserbeschnittprozess lässt sich außerdem einfach implementieren und ist nicht so teuer wie alternative Oberflächenreinigungsverfahren.
Obgleich ein Getriebesteuermodul 22 in der Ausführungsform offenbart ist, kann die saubere, laserbeschnittene Oberfläche 12’ an jeder Vorrichtung bereitgestellt werden, wo eine Gussmetalloberfläche gereinigt und an eine Oberfläche eines anderen Elements gebondet werden soll.
Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wurden zum Zweck der Veranschaulichung der strukturellen und funktionalen Prinzipien der vorliegenden Erfindung sowie zur Veranschaulichung der Verfahren der Anwendung der bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben und können geändert werden, ohne von diesen Prinzipien abzuweichen. Daher schließt diese Erfindung alle Modifizierungen, die in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche fallen, ein.

Claims

Verfahren zum Bonden eines ersten Elements (10) an ein zweites Element (14), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines ersten Elements (10) mit einer Bondungsfläche (23), Bereitstellen eines zweiten Elements (14), das in einer solchen Weise aus einem Metallmaterial geformt wird, dass es eine Oberfläche (12) aufweist, die dafür gestaltet und ausgelegt ist, an die Bondungsfläche (23) gebondet zu werden, Laserbeschneiden der Oberfläche (12) des zweiten Elements (14), um Material zu entfernen und Nebenprodukte, die beim Formen des zweiten Elements (14) entstanden sind, von der Oberfläche (12) des zweiten Elements (14) zu entfernen, um dadurch eine saubere, laserbeschnittene Oberfläche (12‘) des zweiten Elements (14) zu definieren, Anordnen eines Dichtmittel (16) zwischen, und in Kontakt mit, der Bondungsfläche (23) und der sauberen, laserbeschnittenen Oberfläche (12‘), und Aushärtenlassen des Dichtmittels (16), um dadurch das erste Element (10) an das zweite Element (14) zu bonden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Element (10) als eine Abdeckung bereitgestellt ist und das zweite Element (14) als ein Gehäuse eines Getriebesteuermoduls für ein Fahrzeug bereitgestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Abdeckung (10) aus Kunststoffmaterial besteht und das Gehäuse (14) Aluminiumguss ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Laserbeschneidens einen Laser mit einer Beschnittgeschwindigkeit von etwa 100 mm/s verwendet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Laserbeschneidens den Laser mit einer Frequenz von etwa 5.000 bis 50.000 Hz betreibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Laserbeschneidens zum Entfernen der Nebenprodukte mindestens ein Formtrennmittel von der Oberfläche (12) des zweiten Elements (14) entfernt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Laserbeschneidens zum Entfernen der Nebenprodukte thermisch degradierte Verunreinigungen von der Oberfläche (12) des zweiten Elements (14) entfernt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Laserbeschneidens mehrere abwechselnde Höhen (18) und Tiefen (20) in der sauberen, laserbeschnittenen Oberfläche (12‘) definiert.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Höhen (18) und Tiefen (20) im Wesentlichen in einer gleichförmigen Weise definiert sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei jede Höhenbreite (PW) etwa 20 bis 200 µm beträgt, jede Tiefenbreite (VW) etwa 20 bis 200 µm beträgt, und eine Höhe von Höhe (18) bis Tiefe (20) etwa 20 bis 200 µm beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Dichtmittel (16) als ein aushärtender Platin-Silikon-Klebstoff bereitgestellt ist.