DE102015217223A1

DE102015217223A1 - Verfahren zum Ausbilden eines Bauteileverbunds

Info

Publication number: DE102015217223A1
Application number: DE102015217223.6A
Authority: DE
Inventors: Ulf Steinecke; Rainer Heinrich Hoerlein; Juergen Hackenberg; Wilfried Aichele; Sonja Oesterle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2017-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines Bauteileverbunds (2), umfassend ein erstes Bauteil (1) mit einer eine Oberflächenstruktur (6) aufweisenden ersten Kontaktoberfläche (3) und mindestens ein zweites, zumindest abschnittsweise aus Kunststoff bestehendes Bauteil (4), das durch zumindest bereichsweises Umspritzen des ersten Bauteils (1) mit dem ersten Bauteil (1) formschlüssig verbunden wird, wobei die Oberflächenstruktur (6) an der ersten Kontaktoberfläche (3) eine von einer Nanostruktur (10) überlagerte Mikrostruktur (7) aufweist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur (6) der ersten Kontaktoberfläche (3) durch einen Materialabtrag der ersten Kontaktoberfläche (3) ohne Abscheidung von abgetragenem Material an der ersten Kontaktoberfläche (3) erzeugt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines Bauteileverbunds nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 2 307 187 B1 der Anmelderin bekannt. Mit dem bekannten Verfahren wird mittels einer Laserstrahleinrichtung an einer ersten Kontaktoberfläche eines insbesondere aus Metall bestehenden ersten Bauteils eine Oberflächenstruktur erzeugt. Diese Oberflächenstruktur weist eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur auf. Eine derartige, mit einer Strukturierung versehene Kontaktoberfläche an dem ersten Bauteil erzeugt bei einem darauffolgenden Anspritzen mit einem Kunststoff, insbesondere mit einem Thermoplast, eine form- oder kraftschlüssige, innige Verbindung. Damit lassen sich in der Praxis gas- und mediendichte Bauteilverbunde ausbilden, wie sie beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik bei Einspritzventilen oder anderen Komponenten verwendet werden. Insbesondere ermöglicht es das bekannte Verfahren, auf ansonsten erforderliche Haftvermittler oder ähnliche Substanzen zu verzichten. Obwohl das bekannte Verfahren insbesondere bei der Verwendung von Thermoplasten als Kunststoffumspritzung Vorteile bietet, ist es nicht auf derartige Anwendungen beschränkt. Vielmehr können auch Duroplaste, Elastomere oder Silikonelastomere zum Umspritzen des ersten Bauteils verwendet werden. Auch muss das erste Bauteil nicht aus Metall bestehen.
Darüber hinaus ist es aus der EP 2 103 407 A1 bekannt, eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur durch Beizen als Teil einer Oberflächenbehandlung der ersten Kontaktoberfläche am ersten Bauteil zu erzeugen. Bei dem bekannten Verfahren handelt es sich um ein abtragendes oder um abtragend/umwandelndes Verfahren. Dabei wird zunächst durch ein herkömmliches Verfahren wie Sandstrahlen und alkalische Reinigungsbäder die Metalloberfläche gereinigt und eine Mikro- bis Makrostruktur erzeugt, welche anschließend durch wässrige Beizbäder, die auf das jeweilige Metall abgestimmt sind, durch eine Nanostruktur überlagert werden. Derartige, durch Beizen von Metallen hergestellte Nanostrukturen stellen keine metallische, sondern oxydische oder mit speziellen Aminen belegte Oberflächen dar, wobei die Metalloxide fest auf dem Grundmetall haften.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ausbilden eines Bauteileverbunds nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass alternative Verfahren zur Ausbildung der Oberflächenstruktur an dem ersten Bauteil aufgezeigt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Ausbilden eines Bauteileverbunds mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Oberflächenstruktur der ersten Kontaktoberfläche durch einen Materialabtrag der Kontaktoberfläche ohne Abscheidung von abgetragenem Material an der ersten Kontaktoberfläche erzeugt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ausbilden eines Bauteileverbunds sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
In einer ersten konkreten Ausgestaltung des soweit beschriebenen allgemeinen Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass das Material der ersten Kontaktoberfläche beim Abtragen nicht umgewandelt wird, wobei der Materialabtrag durch chemisches Lösen, z.B Ätzen, in inerter Atmosphäre erfolgt. Hierbei finden insbesondere erste Bauteile aus Metall Verwendung, wobei das chemische Lösen mit nicht oxidierenden Säuren, deren Salze löslich sind, wie z.B. Salzsäure, in Abwesenheit von Sauerstoff metallische Oberflächen ergeben. Die Oberflächen oxidieren in sauerstoffhaltiger Atmosphäre umso rascher, je unedler das Metall ist. Im Falle von Edelmetallen findet die Bildung von Oberflächenoxiden nicht bereits bei Raumtemperatur, sondern erst bei erhöhter Temperatur statt. Ein derartiges Ätzverfahren kann bei entsprechenden Parametern dazu genutzt werden, eine Nanostruktur auszubilden. Dieses chemische Lösen unterscheidet sich von technisch üblichen Beizverfahren dadurch, dass bei letzteren sowohl ein Auflösen des Metalls als auch eine Umwandlung in haftende metallische Verbindungen wie Oxide, Phosphate, Chromate usw. stattfindet.
In alternativer Ausgestaltung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass das Material der ersten Kontaktoberfläche beim Abtragen nicht umgewandelt wird, wobei der Materialabtrag durch Plasmaätzen oder durch Zusatz eines Prozeßgases erfolgt. Hierbei bietet sich ein Zusatz von Komponenten zum Prozessgas eines Niederdruck- oder Atmosphärendruck-Plasmas an, die gasförmige oder nicht haftende Verbindungen mit dem Material des ersten Bauteils bilden. So setzt sich Kohlenmonoxid mit einer Reihe von Metallen zu flüchtigen Metallcarbonylen um und Acetylen mit Kupfer oder Silber zu instabilen Acetyleniden, die unter Freisetzung von Metallpulver leicht wieder zerfallen. Eine derartig abgetragene Metalloberfläche weist durch die Wahl entsprechender Prozessparameter eine mit einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur auf.
Der Materialabtrag kann jedoch auch in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ohne Umwandlung des Materials der ersten Kontaktoberfläche durch Ultraschall erzeugt werden. So ist es insbesondere möglich, durch Ultraschall Kavitation an Substratoberflächen bzw. an der Kontaktoberfläche des ersten Bauteils zu erzeugen, die der Ausbildung der gewünschten Mikro-/Nanostruktur dient.
In wiederum alternativer Ausgestaltung zur Ausbildung der Oberflächenstruktur an der ersten Kontaktoberfläche kann es vorgesehen sein, dass das Material der ersten Kontaktoberfläche beim Abtragen nicht umgewandelt wird, wobei der Materialabtrag durch Kavitation erzeugt wird. Derartige Kavitation kann nicht nur durch Ultraschallwellen in Flüssigkeiten, sondern auch durch einen Flüssigkeitsstrahl ähnlich dem Wasserstrahl-Schneidprozess hervorgerufen werden. So ist es denkbar, einen modifizierten Wasserstrahl-Schneidprozess mit im Wasser dispergierten, abrasiven Partikeln auszubilden. Zur Herstellung von Nanostrukturen an der Kontaktoberfläche des ersten Bauteils müssen diese abrasiven Nanopartikel in der Trägerflüssigkeit dispergiert werden. Beispiele hierfür sind handelsübliche Nanopartikel aus Al₂0₃, ZrO₂ und SiO₂, die unter anderem durch Flammpyrolyse entsprechender Präkursor(eng.: Precursor)-Verbindungen hergestellt werden.
Während die oben genannten Verfahren sich allesamt dadurch auszeichnen, dass die Oberfläche des ersten Bauteils an der ersten Kontaktoberfläche nicht umgewandelt wird, ist es in einer weiteren alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das Material der ersten Kontaktoberfläche teilweise abgetragen und teilweise umgewandelt wird, wobei der Materialabtrag durch ein EDS(Electrical Discharge Coating)-Verfahren erzeugt wird. Taucht man elektrisch leitfähiges Material in Form des ersten Bauteils in eine Elektrolytlösung, schaltet sie als Anode und legt eine ausreichend hohe Spannung zwischen dem ersten Bauteil und der Anode an, so bildet sich um die Anode ein Plasma aus, welches neben einem Abtrag des Materials des ersten Bauteils die Bildung eines oxydischen Überzugs mit Komponenten der Elektrolytlösung bewirkt. Dieses EDS-Verfahren kann mit Hinblick zur Ausbildung der gewünschten Mikro-/Nanostrukturierung durch entsprechende Parameter derart gesteuert werden, dass sich die gewünschte Oberflächenstruktur ausbildet. Ebenso kann durch elektrochemische Anodisation, vorzugsweise in sauren Elektrolyten, eine nanostrukturierte Oxidschicht erzeugt werden (siehe auch Fraunhofer IWM Jahresbericht 2014). In diesem Fall wird die Mikrostruktur zuvor getrennt erzeugt.
Unabhängig von der konkreten Art und Weise, wie die Oberflächenstruktur an der Bauteiloberfläche des ersten Bauteils erzeugt wird, ist es generell von Vorteil, wenn die Mikrostruktur in Tiefenrichtung Hinterschnitte aufweist. Derartige, in Tiefenrichtung ausgebildete Hinterschnitte bewirken eine verbesserte formschlüssige Verbindung des ersten Bauteils mit dem umspritzten Material des zweiten Bauteils.
Auch hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das erste Bauteil aus Metall besteht, wobei bei Verwendung von Stahl die Tiefe der Mikrostruktur zwischen 100µm und 300µm, bei Aluminium zwischen 100µm und 500µm und bei Kupfer zwischen 40µm und 250µm beträgt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:
1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Bauteils mit einer Oberflächenstruktur,
2 ein vergrößertes, die Oberflächenstruktur schematisch darstellendes Detail aus der 1,
3 einen Längsschnitt durch die Oberflächenstruktur der 2 und
4 einen Bauteileverbund in einer geschnittenen Seitenansicht, umfassend das in der 1 gezeigte erste Bauteil sowie ein zweites Bauteil.
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist ein erstes Bauteil 1 als Bestandteil eines in der 4 gezeigten Bauteileverbunds 2 dargestellt. Das erste Bauteil 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet und umfasst eine erste Kontaktoberfläche 3, mit der das erste Bauteil 1 in dem in der 4 gezeigten Bauteileverbund 2 an einem zweiten Bauteil 4, genauer an einer zweiten Kontaktoberfläche 5 des zweiten Bauteils 4, anliegt.
Die erste Kontaktoberfläche 3 des ersten Bauteils 1 ist mit einer Oberflächenstruktur 6 versehen. Diese ist schematisch in den 2 und 3 in einer vergrößerten Darstellung gezeigt. Wie sich aus der 1 ergibt, ist die erste Kontaktoberfläche 3 vollständig mit der Oberflächenstruktur 6 versehen. Die in der 2 gezeigte Oberflächenstruktur 6 umfasst eine Mikrostruktur 7 mit wulstigen und/oder vertieften Mikrostrukturelementen 8. Den Mikrostrukturelementen 8 sind Nanostrukturelemente 9 einer Nanostruktur 10 überlagert. Durch die nano-/mikrostrukturierte Bauteiloberfläche bzw. die erste Kontaktoberfläche 3 wirken zwischen dem ersten Bauteil 1 und der Polymerschmelze bzw. dem zweiten Bauteil 4 in dem in der 4 gezeigten Bauteileverbund 2 Haftkräfte. Wie darüber hinaus anhand der 3 erkennbar ist, weist die Mikrostruktur 7, ausgehend von einer Bauteiloberfläche 12 des ersten Bauteils 1, eine Tiefe T bei Aluminium zwischen 100µm und 500µm auf. Darüber hinaus ist erkennbar, dass die Mikrostruktur 7 in Tiefenrichtung ausgebildete Hinterschnitte 15 aufweist, die beim Umspritzen mit dem Material des zweiten Bauteils 4 von dem Material des zweiten Bauteils 4 ausgefüllt werden. Als Material für das zweite Bauteil 4 kommen insbesondere, aber nicht einschränkend, Thermoplaste zur Anwendung.
Zur Ausbildung einer derartigen Oberflächenstruktur 6 ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur 6 durch einen Materialabtrag der ersten Kontaktoberfläche 3 ohne Abscheidung von abgetragenem Material an der ersten Kontaktoberfläche 3 erzeugt wird. Parallel zum Materialabtrag kann dabei eine Umwandlung des Materials der ersten Kontaktoberfläche 3 erfolgen.
Das soweit beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2307187 B1 [0002]
EP 2103407 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Ausbilden eines Bauteileverbunds (2), umfassend ein erstes Bauteil (1) mit einer eine Oberflächenstruktur (6) aufweisenden ersten Kontaktoberfläche (3) und mindestens ein zweites, zumindest abschnittsweise aus Kunststoff bestehendes Bauteil (4), das durch zumindest bereichsweises Anspritzen des ersten Bauteils (1) mit dem ersten Bauteil (1) durch die Oberflächenstruktur (6) form- oder kraftschlüssig verbunden wird, wobei die Oberflächenstruktur (6) an der ersten Kontaktoberfläche (3) eine von einer Nanostruktur (10) überlagerte Mikrostruktur (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (6) der ersten Kontaktoberfläche (3) durch einen Materialabtrag der ersten Kontaktoberfläche (3) ohne Abscheidung von abgetragenem Material an der ersten Kontaktoberfläche (3) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten Kontaktoberfläche (3) beim Abtragen nicht umgewandelt wird, wobei der Materialabtrag durch chemisches Lösen in inerter Atmosphäre erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten Kontaktoberfläche (3) beim Abtragen nicht umgewandelt wird, wobei der Materialabtrag in inerter Atmosphäre durch chemisches Lösen oder Ätzen in einer nichtoxidierenden Säure erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten Kontaktoberfläche (3) beim Abtragen nicht umgewandelt wird, wobei der Materialabtrag durch Plasmaätzen unter Zusatz eines Prozeßgases erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten Kontaktoberfläche (3) beim Abtragen nicht umgewandelt wird, wobei der Materialabtrag durch Ultraschall erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten Kontaktoberfläche (3) beim Abtragen nicht umgewandelt wird, wobei der Materialabtrag durch Kavitation erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten Kontaktoberfläche (3) beim Abtragen umgewandelt wird, wobei der Materialabtrag durch ein EDS(Electrical Discharge Coating)-Verfahren oder durch Plasmaanodisieren erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag an der ersten Kontaktoberfläche (3) und eine Umwandlung in Oxide durch elektrochemische Anodisation, vorzugsweise in sauren Elektrolyten, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (7) in Tiefenrichtung Hinterschnitte (15) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) aus Metall besteht, und dass bei Verwendung von Stahl die Tiefe der Mikrostruktur zwischen 100µm und 300µm, bei Aluminium zwischen 100µm und 500µm und bei Kupfer zwischen 40µm und 250µm beträgt.