-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Baueinheit und eine Baueinheit.
-
Viele Baueinheiten bestehen aus mehreren Komponenten, wobei eine Komponente beispielsweise mit Spritzguss auf eine andere Komponente aufgetragen wird. Hierbei kann es passieren, dass anschließend die Baueinheit nicht dicht ist. Bei vielen Baueinheiten, beispielsweise in der Sensorik in einem Fahrzeug, ist es allerdings wichtig, das die Baueinheit dicht gegen Fluide ist.
-
Die
DE 60 2004 006 504 T2 offenbart ein Konstruktionseinheit mit einem Gehäuse aus einem ersten Material, mindestens einem Kabel, das sich durch das Gehäuse erstreckt, und einem Dichtungselement aus einem zweiten Material, das zwischen dem Kabel und dem Gehäuse angeordnet ist.
-
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist, dazu beizutragen, eine Baueinheit zu schaffen, welche eine hohe Dichtigkeit aufweist.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Herstellen einer Baueinheit. Die Erfindung zeichnet sich des Weiteren aus durch die Baueinheit hergestellt durch das Verfahren.
-
Bei dem Verfahren wird eine Komponente bereitgestellt. Ein Dichtungsmaterial wird mit einem Treibmittel versetzt. Das mit Treibmittel versetzte Dichtungsmaterial wird als Dichtelement auf die Komponente aufgetragen. Eine Ummantelkomponente wird auf die Komponente und das Dichtelement aufgebracht, derart dass sie das Dichtelement und zumindest einen an das Dichtelement angrenzenden Teil der Komponente bedeckt. Nach dem Erstarren des Materials der Ummantelkomponente und/oder während des Aufbringens der Ummantelkomponente wird das Dichtelement auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt, so dass mittels des Treibmittels ein Volumenexpansionsbestreben des Dichtelements erzeugt wird.
-
Das Dichtelement wird also insbesondere während des Aufbringens der Ummantelkomponente, beispielsweise durch den Fertigungsprozess des Aufbringens der Ummantelkomponente und/oder nach dem Aufbringen der Ummantelkomponente durch Erhitzung von außen auf die vorgegebene Temperatur erhitzt.
-
Hierdurch wird eine Baueinheit geschaffen, bei der durch das Erhitzen ein Pressverband innerhalb der Baueinheit erzeugt wird, der den gewünschten Dichtungseffekt bewirkt. Zusätzlich kann bei dieser Dichtungsart eine adhäsive Anbindung zwischen Dichtelement und der Ummantelkomponente genutzt werden. Die Vorteile dieses Dichtungsprinzips sind, dass es auf beliebige Geometrien der abzudichtenden Komponente angewendet werden und gleichzeitig beim urformenden Fertigungsprozess der abzudichtenden Komponente vollständig ummantelt werden kann. Hierdurch wird die Dichtung vor Umwelteinflüssen geschützt und die Dichtungswirkung erhöht.
-
Volumenexpansionsbestreben bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich das Dichtelement eigentlich durch das Treibmittel ausbreiten würde, da es aber von der Ummantelkomponente umgeben ist, keine oder nur eine geringe Volumenexpansion vollziehen kann.
-
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung umfasst die Komponente ein Metall. Hierdurch kann die Komponente beispielsweise als Kontaktmöglichkeit für elektronische Baueinheiten verwendet werden.
-
Alternativ oder zusätzlich kann die Komponente auch einen Kunststoff umfassen.
-
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung umfasst die Komponente eine Kupferzinnlegierung. Gerade Kupferzinnlegierungen, wie CuSn6 sind sehr gut für eine elektrische Kontaktierung geeignet.
-
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist die Komponente stiftförmig.
-
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung umfasst die Ummantelkomponente ein Duroplast und/oder ein Thermoplast.
-
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird das Dichtelement mittels des Aufbringens der Ummantelkomponente auf die vorgegebene Temperatur erhitzt.
-
Hierdurch ist kein zusätzliches Erhitzen von außen notwendig, da die Erhitzung des Dichtelements schon durch den Fertigungsprozess des Aufbringens der Ummantelkomponente erfolgt.
-
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung umfasst das Dichtungsmaterial ein Silikon.
-
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung umfasst das Treibmittel ein chemisches und/oder physikalisches Treibmittel.
-
Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung umfasst das Treibmittel ein physikalisches Treibmittel, welches expandierbare Mikrokugeln umfasst. Weiterhin ist die vorgegebene Temperatur derart beschaffen, dass bei der vorgegebenen Temperatur die Mikrokugeln aufplatzen und ein in den Mikrokugeln enthaltenes Treibgas freigesetzt wird.
-
Hierdurch kann ein zusätzliches Volumenexpansionsbestreben des Dichtelements erreicht werden, wodurch eine besonders gute Abdichtung ermöglicht wird.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1a, 1b einen ersten Herstellungsschritt zum Herstellen einer Baueinheit,
-
2a, 2b einen dritten Herstellungsschritt zum Herstellen der Baueinheit,
-
3a, 3b, 3c einen vierten Herstellungsschritt zum Herstellen der Baueinheit und
-
4a, 4b einen fünften Herstellungsschritt zum Herstellen der Baueinheit.
-
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
Wenn in einer Baueinheit eine oder mehrere beliebige Komponenten durch einen urformenden Prozess von einem Kunststoff umschlossen werden, besteht das Problem, dass sich entlang der Grenzfläche zwischen der ummantelten Komponente und der Ummantelung durch thermische und/oder mechanische Spannungen Spalte ergeben können, die zu Undichtheiten entlang der ummantelten Komponente führen. Ist die Baueinheit zudem so beschaffen, dass die umschlossenen Komponenten jeweils an mindestens zwei Stellen von der Ummantelung ausgenommen sind, kann durch die entstandenen Spalte ein Undichtigkeit gegen verschiedene Medien hervorgerufen werden, bei der die Medien an den nicht ummantelten Stellen der ummantelten Komponenten in die Baugruppe eindringen und an der jeweiligen anderen freien Stelle wieder austreten.
-
Besonders häufig tritt dieses Problem auf, wenn die ummantelte Komponente und die Ummantelung in der entsprechenden Wirkrichtung einen stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben und die Baugruppe thermischen oder mechanischen Wechselbelastungen ausgesetzt ist.
-
Zur Abdichtung gegen Medien können beispielsweise Vergüsse, Kleber, Imprägnationen oder elastische Dichtungselemente aus unterschiedlichsten Materialien eingesetzt werden. Das Funktionsprinzip von Klebern, Vergüssen und Imprägnationen beruht dabei auf Adhäsion zwischen den angrenzenden Materialien der ummantelten Komponente und der Ummantelung, wodurch eine geschlossene Barriere gegen die schädlichen Medien erzeugt wird. Elastische Dichtungselemente(z. B. 0-Ringe, Dichtungslippen, weiche Metallformteile ...) hingegen stellen durch Formschluss und gespeicherte elastische Energie einen dauerhaften Pressverband zu den angrenzenden Komponenten her, der wiederum ein Eindringen der Medien von außen verhindert.
-
Die 1a, 1b bis 4a, 4b zeigen ein Verfahren zum Herstellen einer Baueinheit 10. Dieses Verfahren zum Herstellen einer Baueinheit 10 bezieht sich auf ein Dichtelement 5, das hauptsächlich auf dem Prinzip des Formschlusses und der Speicherung elastischer Energie beruht, zusätzlich aber auch das Prinzip der adhäsiven Abdichtung nutzen kann. Dabei wird das Dichtelement 5 insbesondere zunächst in fließfähiger Form, beispielsweise als Formverguss oder Raupe an entsprechender, beispielsweise später nicht freiliegender Stelle umlaufend auf eine zu ummantelnde Komponente 1, 3 aufgetragen und ausgehärtet. Die Dichtung umfasst dabei beispielsweise ein elastisches, z. B. Shore-Härte < A80, dispensbares nicht thermoplastisches und unterhalb der später erläuterten Aktivierungstemperatur aushärtendes Material, dass je nach Anforderungen an chemische thermische und mechanische Beständigkeit ausgewählt wird. Je nach Adhäsionseigenschaften dieses Materials, kann dabei eine stoffschlüssige Verbindung zur Komponente 1, 3 auf die das Dichtelement 5 aufgetragen wird, hergestellt werden.
-
Das Verfahren umfasst mehrere Herstellungsschritte, wobei in den 1a, 1b ein erster Herstellungsschritt zum Herstellen der Baueinheit 10 gezeigt wird, in den 2a, 2b ein dritter Herstellungsschritt, in den 3a, 3b, 3c ein vierter Herstellungsschritt und in den 4a, 4b ein fünfter Herstellungsschritt zum Herstellen der Baueinheit 10.
-
In dem ersten Herstellungsschritt wird eine Komponente 1, 3 bereitgestellt. In dem in den Figuren gezeigten Beispiel umfasst die Baueinheit 10 zwei Komponenten 1 und 3. Es kann allerdings auch nur eine Komponente oder mehr als zwei Komponenten vorgesehen sein.
-
Die Komponenten 1, 3 umfassen beispielsweise ein Metall. Beispielsweise umfassen die Komponenten 1, 3 eine Kupferzinnlegierung, wie CuSn6. Beispielsweise bestehen die Komponenten 1, 3 aus der Kupferzinnlegierung, wie CuSn6.
-
Die Komponenten 1, 3 umfassen alternativ oder zusätzlich einen Kunststoff und/oder bestehen aus einem Kunststoff.
-
Beispielsweise sind die Komponenten 1, 3 stiftförmig oder umfassen ein Stanzgitter. Die Komponenten 1, 3 dienen somit beispielsweise als Kontaktstift.
-
Die Komponenten 1, 3 werden beispielsweise in eine Form, wie eine PTFE-Form, eingelegt.
-
1a zeigt eine Draufsicht auf die Komponenten 1, 3. 1b zeigt eine seitliche Ansicht der Komponenten 1, 3.
-
In einem nicht gezeigten zweiten Herstellungsschritt wird ein Dichtungsmaterial mit einem Treibmittel versetzt.
-
Das Treibmittel umfasst beispielsweise ein chemisches und/oder physikalisches Treibmittel.
-
Das Dichtungsmaterial wird beispielsweise im fließfähigen Zustand mit dem Treibmittel versetzt. Das Treibmittel beruht dabei auf dem Prinzip, dass durch Erhitzen über eine vorgegebene Temperatur eine Reaktion unter dessen Bestandteilen in Gang gesetzt wird, wodurch das Treibmittel gasförmige Reaktionsprodukte freisetzt und somit ein irreversibles Volumenexpansionsbestreben durch Gasbildung/Gasfreisetzung erzeugt.
-
Beispielsweise wird ein Treibmittel gewählt, das bei Erhitzung oberhalb der Fertigungstemperatur einer Ummantelkomponente 7 das irreversible Volumenexpansionsbestreben durch Gasbildung/Gasfreisetzung erzeugt. Hierdurch wird sichergestellt, dass erst nach dem Erstarren des Materials der Ummantelkomponente 7 das Volumenexpansionsbestreben des Dichtelements 5 erzeugt wird.
-
Das physikalische Treibmittel umfasst beispielsweise expandierbare Mikrokugeln, die sich beim Erhitzen ausdehnen möchten und so ein Volumenexpansionsbestreben hervorrufen. Diese Art Treibmittel kann auch über eine übliche Aktivierungstemperatur hinaus erhitzt werden, damit die enthaltenen expandierbaren Mikrokugeln platzen und ein enthaltenes Gas freisetzen, um den Gasdruck in dem Dichtelement 5 dauerhaft nutzen zu können. Die expandierbaren Mikrokugeln platzen beispielsweise ab einer Temperatur von 270 °C.
-
In dem dritten Herstellungsschritt wird das mit Treibmittel versetzte Dichtungsmaterial als Dichtelement 5 auf die Komponenten 1, 3 aufgetragen.
-
Das Dichtungsmaterial umfasst beispielsweise ein Silikon.
-
Das Dichtelement 5 wird beispielsweise in die Form, in welche die Kontaktstifte 1, 3 eingelegt wurden, eingegossen und insbesondere ausgehärtet.
-
Nachdem das mit dem Treibmittel versetzte Dichtungsmaterial wie oben beschrieben auf die Komponenten 1, 3 aufgebracht und insbesondere ausgehärtet wurde, ist also ein zunächst formstabiles durch Wärmeeintrag aktivierbares Dichtelement 5 entstanden.
-
2a zeigt eine Draufsicht auf die Komponenten 1, 3 mit Dichtelement 5. 2b zeigt eine seitliche Ansicht der Komponenten 1, 3 mit Dichtelement 5.
-
In dem vierten Herstellungsschritt wird eine Ummantelkomponente 7 auf die Komponenten 1, 3 und das Dichtelement 5 aufgebracht, derart dass sie das Dichtelement 5 und zumindest einen an das Dichtelement 5 angrenzenden Teil der Komponenten 1, 3 bedeckt.
-
Die Ummantelkomponente 7 umfasst beispielsweise ein Duroplastmaterial und/oder ein Thermoplast, wie PA66. Das Aufbringen erfolgt beispielsweise in einem Transferpress- oder Spritzgussverfahren.
-
3a zeigt einen Schnitt der Komponenten 1, 3 mit Dichtelement 5 und aufgetragener Ummantelkomponente 7. 3b zeigt eine Draufsicht der Komponenten 1, 3 mit Dichtelement 5 und aufgetragener Ummantelkomponente 7. 3c zeigt eine seitliche Ansicht der Komponenten 1, 3 mit Dichtelement 5 und aufgetragener Ummantelkomponente 7.
-
In einem fünften Herstellungsschritt wird nach dem Erstarren des Materials der Ummantelkomponente 7 das Dichtelement 5 auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt, so dass mittels des Treibmittels ein Volumenexpansionsbestreben des Dichtelements 5 erzeugt wird. Die Erhitzung wird in der 4b mittels wellenförmiger Linien symbolisiert.
-
Umfasst die Ummantelkomponente 7 ein Duroplastmaterial, so wird das Dichtelement 5 nach dem Aushärten der Ummantelkomponente 7 beispielsweise auf die vorgegebene Temperatur erhitzt, indem die Baueinheit 10 thermisch kurzzeitig sehr stark, beispielsweise mit 250 °C bis 280 °C erhitzt wird.
-
Umfasst die Ummantelkomponente 7 ein Thermoplast, so ergibt sich eine höhere Temperaturbeständigkeitsanforderung an das Dichtungsmaterial um die hohen Temperaturen des Spritzprozesses zu überstehen. Silikone sind hier Beispielsweise jedoch ebenfalls geeignet. Eine Besonderheit ist hier, dass der Wärmeeintrag aus dem Spritzprozess die Temperatur im Dichtelement 5 über die vorgegebene Temperatur, also insbesondere eine Aktivierungstemperatur des Treibmittels ansteigen lässt.
-
Aktivierungstemperatur ist hierbei die Temperatur, ab der in dem Treibmittel gasförmige Reaktionsprodukte oder Stoffe freigesetzt werden und somit ein irreversibles Volumenexpansionsbestreben durch Gasbildung/Gasfreisetzung erzeugt wird.
-
Die Aktivierungstemperatur liegt beispielsweise bei 200 °C bis 230 °C.
-
Umfassen die Komponenten 1, 3 einen Kunststoff, so wird das Dichtelement 5 analog zu den bisherigen Beispielen auf die Komponenten 1, 3 aufgebracht und anschließend ummantelt. Ob die thermische Aktivierung nachträglich erfolgen muss, wie bei der Ummantelung mit Duroplast beschrieben, oder während des Ummantelungsprozesses erfolgt, wie bei der Ummantelung mit Thermoplast beschrieben, hängt von der Wahl des Fertigungsverfahrens bzw. des Materials der Ummantelkomponente 7 ab.
-
Durch die Erhitzung des Dichtelements 5 dehnt sich das Dichtelement 5 durch die Entstehung bzw. Freisetzung des Gases aus dem Treibmittel aus, wobei im inneren des Dichtelements 5 geschlossenporige Gaskavitäten entstehen. Durch diese gezielte Ausdehnung des Dichtelements 5 wird eine Pressverbindung mit den gegeneinander Abzudichtenden Baugruppenkomponenten erzeugt, also der Komponenten 1, 3 mit der Ummantelkomponente 7, wodurch eine Abdichtung gegen betreffende Medien erreicht wird. Die notwendige elastische Energie zum Erhalt der Dichtungswirkung über einen Längeren Zeitraum wird dabei in den kompressiblen, abgeschlossenen Gaskavitäten des Dichtelements 5 gespeichert. Zusätzlich zur Dichtungswirkung durch die erzeugte Pressverbindung kann auch die Anhaftung des Dichtelements 5 auf der Ummantelkomponente 7, die bereits beim Aushärten der Dichtung entstanden ist, zur Verbesserung der Dichtungswirkung beitragen.
-
Nach dem Abkühlen ist die Dichtung aktiv und es können gegebenenfalls elektrische bzw. restliche Bauteile montiert werden.
-
Anschließend ist die Baueinheit 10 fertiggestellt.
-
4a zeigt einen Schnitt der Baueinheit 10. 4b zeigt eine seitliche Ansicht der Baueinheit 10.
-
Beispiele für die Anwendung der Baueinheit sind je nach Anforderung druckdichte und/oder mediendichte Sensoren, wie Temperatursensoren, Drucksensoren, Fluidlevelsensoren, die beispielsweise in Fahrzeugen verbaut werden und ähnliches, wie elektrische Schaltungen insbesondere für Fahrzeuge.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Komponente
- 3
- Komponente
- 5
- Dichtelement
- 7
- Ummantelkomponente
- 10
- Baueinheit
-
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
-
- DE 602004006504 T2 [0003]
