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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteileverbunds nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Bauteileverbund, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteileverbunds nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2013 211 139 A1 der Anmelderin bekannt. Bei dem bekannten Verfahren ist es vorgesehen, dass an einer Kontaktoberfläche eines aus Metall bestehenden ersten Bauteils mittels einer elektromagnetischen Strahlungsquelle eine Oberflächenstrukturierung mit Vertiefungen ausgebildet wird. Die Ausbildung der Vertiefungen wird bei dem bekannten Verfahren dadurch unterstützt, dass das Material des metallischen Bauteils derart ausgewählt ist, dass es bei der Einwirkung der elektromagnetischen Strahlung durch Ausgasungseffekte und/oder Verdampfungseffekte die Bildung der genannten Vertiefungen unterstützt. Das so gebildete (erste) Bauteil wird im Bereich seiner Kontaktoberfläche mit einem aus Kunststoff bestehenden zweiten Bauteil verbunden, beispielsweise durch Anspritzen des verflüssigten Kunststoffs des zweiten Bauteils. Dabei dringt das verflüssigte Material des zweiten Bauteils in die Oberflächenstruktur bzw. in die Vertiefungen der Kontaktoberfläche des ersten Bauteils ein und sorgt dadurch nach dem Erstarren des Materials des zweiten Bauteils für einen festen Bauteileverbund, indem sich das Material des zweiten Bauteils gewissermaßen mit den Vertiefungen der Oberflächenstruktur des ersten Bauteils verzahnt. Nachteilig bei dem aus der genannten Schrift bekannten Verfahren ist es, dass die genaue Form und/oder Struktur bzw. Anzahl der Vertiefungen nur relativ schwierig genau vorbestimmbar ist.
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Weiterhin ist es aus der
DE 10 2008 040 782 A1 der Anmelderin bekannt, zur Ausbildung eines Bauteileverbunds an einer Kontaktoberfläche eines ersten Bauteils eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur auszubilden. Eine derartige Oberflächenstruktur wird insbesondere durch eine Laserstrahleinrichtung ausgebildet. Wesentlich dabei ist, dass die Ausbildung der Oberflächenstruktur erst nach der eigentlichen Fertigung des (ersten) Bauteils in einem nachfolgenden Bearbeitungsprozess erfolgt.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum Herstellen eines Bauteileverbunds aufzuzeigen. Insbesondere soll es das Verfahren ermöglichen, die Strukturierung der Kontaktoberfläche gleichzeitig mit der Ausbildung des Bauteils ausbilden zu können, d.h. im Gegensatz zum Stand der Technik nicht durch einen nachgelagerten Fertigungsschritt. Alternativ soll es ermöglicht werden, auf einem bereits ausgebildeten (Roh-)Bauteil die entsprechende Kontaktoberfläche in alternativer Art und Weise zum Stand der Technik zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Herstellen eines Bauteileverbunds mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, zumindest die Strukturierung bzw. Oberflächenstruktur in dem ersten Bauteil durch ein generatives Herstellverfahren zu erzeugen. Bei generativen Herstellungsverfahren wird die Form eines Bauteils insbesondere dadurch erzeugt, dass das Bauteil in übereinander angeordnete Schichten unterteilt wird. Jede der Schichten wird dadurch ausgebildet, dass eine mit der entsprechenden Dicke ausgestattete Pulverschicht bereichsweise verflüssigt wird, beispielsweise durch einen Laserstrahl. Anschließend erstarrt das verflüssigte Material zu der gewünschten Form. Auf eine derart ausgebildete Schicht wird die nächste Schicht aufgebracht und entsprechend ausgebildet. Nach dem Ausbilden der einzelnen Schichten kann das nicht verflüssigte bzw. verfestigte Pulver entfernt werden, so dass ein Bauteil mit einer entsprechenden Form ausgebildet wird. Diese Form kann dabei auch Öffnungen aufweisen. Ein derartiges generatives Herstellverfahren hat den Vorteil, dass die gewünschte Oberflächenstruktur bereits bei der Herstellung des Bauteils oder aber bei einem bereits gefertigten (Roh-)Bauteil erzeugt werden kann. Insbesondere ermöglicht es ein derartiges generatives Herstellverfahren, die im Sinne einer bestmöglichen Haftung ausgebildeten Öffnungen bzw. die Strukturierung mit nahezu beliebigen geometrischen Formen ausbilden zu können. Darüber hinaus ermöglicht es ein derartiges generatives Herstellverfahren, auf einfache Art und Weise Hinterschneidungen sowie Schlaufen an der Kontaktoberfläche auszubilden, die eine besonders innige bzw. feste Verbindung eines mit der Kontaktoberfläche verbundenen zweiten Bauteils des Bauteileverbunds ermöglicht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Bauteileverbunds dazu geeignet, aus unterschiedlichen Materialien bestehende erste Bauteile verwenden zu können. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der das erste Bauteil aus Metall besteht. Dadurch lassen sich Bauteilverbunde ausbilden, wie sie typischerweise bei Kraftfahrzeuganwendungen vorkommen, beispielsweise als Bestandteil von Kraftstoffeinspritzkomponenten o.ä. Darüber hinaus hat die Ausbildung des ersten Bauteils aus Metall auch den Vorteil, dass eine Vielzahl von generativen Verfahren zur Herstellung des ersten Bauteils eingesetzt werden können. Unter Metall im Sinne der Erfindung werden insbesondere Stahlwerkstoffe sowie Aluminiumwerkstoffe oder Titanwerkstoffe, ggf. jeweils in Verbindung mit Legierungsbestandteilen, verstanden.
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Als besonders vorteilhaft hinsichtlich geeigneter generativer Herstellverfahren für das erste Bauteil hat sich das selektive Laserschmelzen oder das Elektronenstrahlschmelzen herausgestellt, da mit diesen Verfahren auf relativ einfache Art und Weise hochgenau die Strukturierung an der ersten Kontaktoberfläche des Bauteils ausgebildet werden kann. Das selektive Laserschmelzen ist ein generatives Fertigungsverfahren bei dem ein Werkstoff in Pulverform mittels Laserstrahlung aufgeschmolzen wird. Nach der anschließenden Abkühlung und Erstarrung wird eine feste Materialschicht gebildet. Dieser Vorgang wird schichtweise wiederholt. Das Elektronenstrahlschmelzen ist ebenfalls ein generatives Fertigungsverfahren bei dem ähnlich wie beim selektiven Laserschmelzen aus Pulver ein schichtweiser Materialauftrag erfolgt, wobei zum Aufschmelzen des Pulvers ein Elektronenstrahl als Energiequelle verwendet wird.
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Wie oben bereits erläutert, besteht eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens darin, dass die Strukturierung Hinterschnitte und/oder Schlaufen aufweist. Derartige Hinterschnitte und/oder Schlaufen bewirken in Verbindung mit dem in die Hinterschnitte und/oder Schlaufen eindringenden verflüssigten Kunststoff des zweiten Bauteils eine besonders innige Verzahnung und somit auch einen besonders innigen Verbund der beiden an dem Bauteileverbund teilnehmenden Fügepartner, die es insbesondere ermöglicht, auf Haftvermittler oder ähnliche Hilfsstoffe verzichten zu können.
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Um einen effektiven Aufbau des Bauteileverbunds sowie eine gute Verzahnung des Kunststoffs (gedacht ist hierbei insbesondere an ein Elastomer, jedoch sollen auch andere Kunststoffe verwendet werden können) und ein gutes Eindringen des Kunststoffs sowie ggf. vorhandener Füllstoffe in die Öffnungen bzw. in die Struktur gewährleisten zu können, sollten die erzeugten Öffnungen bzw. die erzeugte Strukturierung an dem ersten Bauteil zum einen groß genug sein, dass eingeschlossenes, nicht aufgeschmolzenes Material des ersten Bauteils aus den Strukturen entfernt werden kann. Zum anderen sollten die Öffnungen bzw. die Strukturierung klein genug sein, dass eine Vielzahl von Strukturelementen bzw. Öffnungen oder Hinterschnitten uns/oder Schlaufen erzeugt werden können. Aus diesem Grund hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass bei der üblichen Dimensionierung derartiger Bauteile die Strukturierung am ersten Bauteil porenartige Öffnungen mit einer Größe zwischen 50µm und 1000µm aufweist. Zwischen den Öffnungen ist das Material des ersten Bauteils in Form von stegartigen Elementen ausgebildet. Diese stegartigen Elemente des Grundmaterials des ersten Bauteils sollten bevorzugt eine Stegbreite zwischen 50µm und 500µm aufweisen.
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Um optimierte, reproduzierbare Festigkeiten bzw. Eigenschaften eines Bauteileverbunds gewährleisten zu können, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die Strukturierung als deterministische Strukturierung ausgebildet ist. Unter einer deterministischen Strukturierung im Rahmen der Erfindung wird eine Strukturierung verstanden, bei der eine geometrisch vorgeplante Struktur ausgebildet wird. Diese zeichnet sich durch vorgegebene Größen und Anordnungen der metallischen Struktur des ersten Bauteils aus. Das strukturierte Volumen kann dabei sowohl durch eine periodische als auch durch eine aperiodische Anordnung von einzelnen Elmenten der Strukturierung gekennzeichnet sein. Eine derartige deterministische Struktur ermöglicht eine maximale Formtreue des ersten Bauteils.
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Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die Strukturierung als chaotische Strukturierung ausgebildet wird. Hierbei wird durch eine geeignete Prozessführung eine chaotische Struktur mit Hinterschnitten und Schlaufen erzeugt, in die sich der Kunststoff (Elastomer) verkrallen kann. Die Strukturbildung kann dabei z. B. auch durch Zugabe von Stoffen zum Metallpulver erreicht werden, die beim Aufschmelzen ausgasen, um so Poren und Kanäle zu erzeugen. Ein derartiges Vorgehen, bei der eine chaotische Strukturierung erzeugt wird, benötigt im Vergleich zu einer deterministischen Strukturierung typischerweise eine besonders kurze Prozesszeit.
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Darüber hinaus wird erwähnt, dass es durch das generative Herstellverfahren ermöglicht wird, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei der lediglich der dem zweiten Bauteil zugewandte unmittelbare Bereich des ersten Bauteils (die sogenannte Kontaktoberfläche) mit einer Oberflächenstrukturierung versehen ist, nunmehr das gesamte Bauteil mit einer Strukturierung, d.h. mit Öffnungen, Poren, Hinterschnitten usw. auszubilden. Dadurch lassen sich insbesondere besonders große Eindringtiefen des Kunststoffs in das Materials des ersten Bauteils erzielen und somit besonders hohe Festigkeiten des Bauteileverbunds bzw. Festigkeiten zwischen den beiden Fügepartner.
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Die Erfindung umfasst auch einen Bauteileverbund, der nach einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Besonders bevorzugt findet der soweit beschriebene Bauteileverbund Verwendung als Bestandteil eines Bauteils oder eines Aggregats in einem Kraftfahrzeug.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 bis 4 in jeweils vereinfachter Darstellung unterschiedlich ausgebildete Bauteileverbunde im Längsschnitt,
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5 einen Ausschnitt aus einem Bauteileverbund zur Verdeutlichung einer deterministischen Strukturierung und
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6 einen Ausschnitt aus einem Bauteileverbund zur Verdeutlichung einer chaotisch ausgebildeten Strukturierung.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein erster Bauteileverbund 10 dargestellt, der aus einem ersten, aus Metall bestehenden Bauteil 11 und einem zweiten, aus Kunststoff bestehenden Bauteil 12 besteht, wobei die beiden Bauteile 11, 12 fest miteinander verbunden sind. Das erste Bauteil 11 ist zumindest teilweise durch ein generatives Herstellverfahren, vorzugsweise durch selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen aus einem metallischen Pulver hergestellt.
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Das erste Bauteil 11 weist eine Symmetrieachse 13 auf, zu der das erste Bauteil 11 rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Weiterhin weist das erste Bauteil 11 ein im Längsschnitt T-förmiges erstes Element 14 auf, das auf der dem zweiten Bauteil 12 zugewandten Seite in ein zweites, eine räumliche Gitterstruktur ausbildendes Element 15 übergeht, das zumindest im Bereich einer Kontaktoberfläche zum zweiten Bauteil 12 eine Strukturierung 16 hat. Die Strukturierung 16 ist als deterministische Strukturierung 16 ausgebildet und weist eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, stegförmigen Elementen 17 in räumlicher Anordnung auf, zwischen denen Öffnungen 18 beliebiger Form ausgebildet sind. Wie insbesondere anhand der Darstellung der 5 erkennbar ist, sind die Öffnungen 18 in der Schnittdarstellung beispielhaft in etwa rautenförmig ausgebildet. Die Öffnungen 18 weisen eine maximale Größe bzw. Länge l zwischen etwa 50µm und 1000µm auf. Demgegenüber beträgt die Breite b der stegförmigen Elemente 17 beispielhaft zwischen 50µm und 500µm. Darüber hinaus bilden die Öffnungen 18 zumindest teilweise Hinterschnitte 19 und/oder Schlaufen aus, wie dies anhand der 5 erkennbar ist.
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Bei dem Kunststoff des zweiten Bauteils 12 handelt es sich insbesondere, jedoch nicht einschränkend, um ein Elastomer. Die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 11, 12 zur Ausbildung des Bauteileverbunds 10 erfolgt beispielhaft durch Einlegen des ersten Bauteils 11 in eine nicht gezeigte (Spritzguss-)Werkzeugform und anschließendes An- bzw. Umspritzen des ersten Bauteils 11 im Bereich des Elements 15 in dem Bereich, in dem das erste Bauteil 11 die Strukturierung 16 (Kontaktoberfläche) aufweist. Dabei dringt das verflüssigte Material des zweiten Bauteils 12 in die Öffnungen 18 bzw. Hinterschnitte 19 der Strukturierung 16 des ersten Bauteils 11 ein und füllt diese zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, aus. Nach dem Erstarren des Materials des zweiten Bauteils 12 ist das erstarrte Material des zweiten Bauteils 12 mit den Öffnungen 18 bzw. den Hinterschnitten 19 verzahnt und bildet dadurch auch ohne Verwendung von Haftvermittler einen festen Bauteileverbund 10 aus.
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Der in der 2 dargestellte Bauteileverbund 10a mit seinen beiden Bauteilen 11a, 12a unterscheidet sich von dem Bauteileverbund 10 dadurch, dass das erste Bauteil 11a im Schnitt ein etwa U-förmiges erstes Element 14a aufweist, auf dessen Oberseite das zweite Element 15a einstückig ausgebildet ist. Während das zweite Element 15 bei dem Bauteileverbund 10 im Schnitt in etwa rechteckförmig ausgebildet bzw. eine rechteckförmige Außenform aufweist, weist das zweite Element 15a des Bauteileverbunds 10a in Bezug zur Symmetrieachse 13a schräg angeordnete Flächen 21 und einen V-förmigen Einschnitt 22 auf. Das Material des zweiten Bauteils 12a schmiegt sich im Bereich der Schrägen 21 bzw. des V-förmigen Einschnitts 22 an das zweite Element 15a an.
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Bei dem Bauteileverbund 10b gemäß der 3 ist das erste Bauteil 11b in Form eines Rings ausgebildet, der im Bereich seines radial inneren Randbereichs 24 mit der Strukturierung 16 ausgebildet ist. Darüber hinaus ist die Strukturierung 16 auch an der Unterseite 25 des ersten Bauteils 11b in den Bereichen ausgebildet, in denen das erste Bauteil 11b von dem Material des zweiten Bauteils 12b umgeben ist. Das zweite Bauteil 12b verschließt die Öffnung des ersten Bauteils 11b und ist im Bereich der Öffnung des ersten Bauteils 11b in etwa V-förmig ausgebildet.
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Der Bauteileverbund 10c gemäß der 4 weist an gegenüberliegenden Seiten des zweiten Bauteils 12c zwei erste Bauteile 11c auf, die beispielhaft identisch ausgebildet sind. Die beiden Bauteile 11c weisen jeweils ein plattenförmiges erstes Element 14c auf, das auf der dem zweiten Bauteil 12c zugewandten Seite an seiner Oberfläche mit der Strukturierung 16 in Form einer Erhöhung 27 ausgebildet ist. Das zweite Bauteil 12c ist in dem Zwischenraum zwischen den beiden ersten Bauteilen 11c angeordnet und mit der Strukturierung 16 sowie bereichsweise mit den einander zugewandten Stirnflächen 29 der beiden ersten Bauteile 11c verbunden.
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Während die Strukturierungen 16 der Bauteileverbunde 10, 10a bis 10c entsprechend der Darstellung der 5 jeweils als deterministische Strukturierung 16 ausgebildet sind, ist es alternativ oder zumindest bereichsweise auch denkbar, die Strukturierung 16 entsprechend der Darstellung der 6 als chaotische Strukturierung 16 auszubilden. Die chaotische Strukturierung 16 gemäß der 6 zeichnet sich dadurch aus, dass die innerhalb der Strukturierung 16 ausgebildeten Öffnungen 30 eine unregelmäßige Form aufweisen bzw. die stegförmigen Elemente 31 des ersten Bauteils 11 unterschiedliche Formen und/oder Stegbreiten haben.
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Der soweit beschriebene Bauteileverbund 10, 10a bis 10c kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass nicht nur ein Teilbereich bzw. die Kontaktoberfläche des jeweiligen ersten Bauteils 11, 11a bis 11c zum zweiten Bauteil 12, 12a bis 12c mit einer Strukturierung 16 versehen ist, sondern das gesamte Volumen des ersten Bauteils 11, 11a bis 11c. Ein typischer Anwendungsfall derartiger Bauteileverbunde 10, 10a bis 10c besteht bei Komponenten oder Aggregaten von Kraftfahrzeugkomponenten. Beispielsweise kann es sich bei dem Bauteilverbund 10, 10a bis 10c um einen Teil einer Pumpe, insbesondere um eine Pumpenmembran handeln. Ebenso ist es denkbar, in gasführenden Systemen, z.B. zur Erdgaseinblasung für Personen- und Nutzfahrfahrzeuge, ein Elastomer-Metall-Verbundteil zu verwenden. Auch ist ein vorteilhafter Einsatz eines derartigen Bauteileverbunds 10, 10a bis 10c als Bestandteil eines Steuerventils denkbar, bei denen zur Schalldämpfung ein Elastomerdämpfer eingesetzt wird, der über ein fest mit dem Elastomerdämpfer verbundenes Metallteil mit einem Pumpengehäuse verbunden ist. Insgesamt gesehen ist ein bevorzugtes Einsatzgebiet derartiger Bauteileverbunde 10, 10a bis 10c bei Dämpfungselementen zu sehen, die ein üblicherweise der Dämpfung dienendes, aus Kunststoff bzw. einem Elastomer aufweisendes Element haben, das mit einem metallischen Element verbunden ist, um das Dämpfungselement an geeigneter Stelle befestigen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013211139 A1 [0002]
- DE 102008040782 A1 [0003]
