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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, umfassend zumindest bereichsweise zumindest ein erstes Kunststoff- und/oder Elastomermaterial und zumindest eine zumindest bereichsweise auf zumindest einer Oberfläche des Bauteils aufgebrachte erste Beschichtung, eine Komponente zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit eines zumindest bereichsweise zumindest ein erstes Kunststoffmaterial umfassenden Bauteils.
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Insbesondere im Automobilbereich werden vermehrt Kunststoff- und/oder Elastomermaterialien zur Herstellung von Bauteilen eingesetzt. Im Vergleich zu metallischen Materialien weisen diese zumeist ein geringeres Gewicht auf, so dass das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs reduziert werden kann, womit eine Verringerung des Energieverbauchs zum Antrieb des Fahrzeugs einhergeht.
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Da Kunststoff- und/oder Elastomermaterialien zumeist jedoch eine geringere Festigkeit/Steifigkeit als die ansonsten verwendeten metallischen Materialien aufweisen, ist es in bestimmten Fällen notwendig, dass das Volumen an verwendetem Kunststoff- und/oder Elastomermaterial im Vergleich zu dem ansonsten eingesetzten metallischen Material erhöht ist. Dies gilt insbesondere an Stellen des Bauteils, die im Vergleich zu dem restlichen Bauteil erhöhten Belastungen, sogenannten Hot-Spots, ausgesetzt sind.
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An solchen Stellen werden Zusatzmaßnahmen getroffen, um trotz der geringeren Materialfestigkeit eine ausreichende Stabilität und Widerstandfähigkeit gegen äußere Belastungen zu erreichen. So werden Materialverstärkungen in diesen Bereichen, also an mechanischen Hot-Spots, vorgenommen, wie eine Erhöhung der Materialdicke oder eine Aufbringung zusätzlicher Strukturen, wie Rippen, Sicken oder dergleichen. Diese führen jedoch wieder zu einer an sich gerade nicht gewollten Erhöhung des Bauteilgewichts und zu einer Erhöhung des benötigten Bauraums. Auch gibt es Fälle, in denen auch durch diese Maßnahmen keine ausreichende Stabilität bei vorgegebenem Bauraum erreicht werden kann. Dies trifft beispielsweise für Komponenten von Verdichten oder Komponenten des Antriebsstrangs, wie Getriebekomponenten, zu.
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Auch weisen Kunststoff- und/oder Elastomermaterialien zumeist einer geringere thermische Widerstandsfähigkeit auf. Dies führt dazu, dass besondere Maßnahmen getroffen werden müssen, um eine Überbelastung des Bauteils durch äußere thermische Einflüsse, an sogenannten thermischen Hot-Spots des Bauteils, zu vermeiden. So ist es notwendig, dass Bauteile, die zumindest teilweise ein Kunststoff- und/oder Elastomermaterial aufweisen, mittels Abschirmelementen, wie Abschirmblechen, von in der Nähe des Bauteils angeordneten Wärmequellen thermisch isoliert werden. In gattungsmäßen Bauteilen wird eine Beschichtung auf das Bauteil aufgebracht, indem eine Metallfolie mittels Adhäsion auf dem Bauteil befestigt wird. Auch ist es bekannt, thermische Verkapselung vorzunehmen oder Isoliermatten einzusetzen. Diese Folien weisen jedoch den Nachteil auf, dass eine dauerhafte Befestigung nicht erreicht wird und es so zu einem Ablösen und einer anschließenden thermischen Überbelastung und damit zu einem Versagen des Bauteils kommt. Die anderen Lösungen der Verkapselung und/oder des Einsatzes von Isoliermatten führen zu einem erhöhten Bauraumvolumen und einer komplizierten Installation. Daher werden in thermisch hochbelasteten Bereichen keine solchen Bauteile eingesetzt. Entweder werden die entsprechenden Bauteile fernab von der Wärmequelle angeordnet, was jedoch zu einem erhöhten Aufwand hinsichtlich der Anzahl und Länge etwaiger Versorgungsleitungen führt. Oder es werden daher in den Fällen, in denen eine alternative Positionierung nicht möglich ist weiterhin metallische Bauteile verwendet.
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Insbesondere ist es Kunststoff- und/oder Elastomermaterialien ferner oft zu eigen, dass bei höheren Temperaturen die Steifigkeit abnimmt. Damit müssen aber bei nicht nur mechanisch sondern auch zusätzlich thermisch belasteten Bauteilen die zuvor beschriebenen Maßnahmen der Materialverstärkung und Aufbringung von zusätzlichen Strukturen noch verstärkt werden, um auch bei höheren Temperaturen eine ausreichende Festigkeit bereitzustellen.
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Auch weisen Kunststoff- und/oder Elastomerbauteile im Vergleich zu metallischen Bauteilen an Fügestellen, wie Schweißnähten, Klebestellen oder dergleichen, eine geringere Festigkeit auf. Auch an diesen Stellen, die weitere mechanische Hot-Spots darstellen, muß also eine Materialverdickung vorgenommen werden, um durch Erhöhung der Kontaktfläche aufgrund der geringeren Verbindungskraft pro Fläche die gewünschte Verbindungsfestigkeit für statische und dynamische Beanspruchungen zu erreichen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das gattungsgenmäße Bauteil derartig weiterzuentwickeln, dass eine dauerhafte ausreichende Festigkeit, Widerstandsfähigkeit bzw. Belastbarkeit des Bauteils in mechanischen und/oder thermischen Hot-Spots auf einfache, kostengünstige Weise erreicht wird, insbesondere das Bauteilgewicht und/oder das Bauteilvolumen reduziert werden kann. Ferner soll eine entsprechend verbesserte Komponente und ein verbessertes Verfahren zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit eines zumindest bereichsweise zumindest ein erstes Kunststoff- und/oder Elastomermaterial umfassenden Bauteils bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird bezüglich des Bauteils erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Beschichtung mittels Kaltplasmaspritzen aufgebracht ist.
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Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Beschichtung zumindest in einem ersten Bereich, der mechanisch, thermisch, chemisch, tribologisch und/oder abrasiv im Vergleich zu zumindest einem zweiten Bereich des Bauteils stärker belastet ist, und/oder im Vergleich zu zumindest einem dritten Bereich mechanisch, thermisch, chemisch, tribologisch und/oder abrasiv instabiler ist, wie einer Fügestelle, einer Verdünnung, einer Schweißnaht, einer Klebestelle, einer Kontaktstelle mit einem weiteren Bauteil und/oder Presspassung aufgebracht ist.
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Auch wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Beschichtung zumindest ein erstes Material umfasst, wobei vorzugsweise dessen Steifigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Zugfestigkeit, Scherfestigkeit, Druckfestigkeit, Kompressionsfestigkeit, Biegefestigkeit, Biegezugfestigkeit, Torsionsfestigkeit, Wärmebeständigkeit, Festigkeit und/oder Widerstandsfähigkeit bei konstanten, wechselnden, schwellenden und/oder chemischen, abrasiven, mechanischen, tribologische und/oder thermischen Belastungen, größer als die des ersten Kunststoffmaterials ist.
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Bei der letztgenannten Ausführungsform ist besonders bevorzugt, dass das erste Material zumindest ein zweites Kunststoff- und/oder Elastomermaterial umfasst.
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Ein erfindungsgemäßes Bauteil kann auch gekennzeichnet sein durch zumindest eine, zumindest bereichsweise zwischen der Oberfläche des ersten Bereichs des Bauteils einerseits und der ersten Beschichtung andererseits angeordnete, zweite Beschichtung und/oder zumindest eine, zumindest bereichsweise auf der der Oberfläche des ersten Bereichs des Bauteils abgewandten Seite der ersten Beschichtung angeordnete dritte Beschichtung.
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Bei der vorgenannten Ausführungsform ist besonders bevorzugt, dass die zweite Beschichtung zumindest bereichsweise zumindest ein zweites Material umfasst, wobei das zweite Material vorzugsweise eine geringere thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit, geringere Oxidationsneigung als das erste Kunststoff- und/oder Elastomermaterial und/oder das erste Material aufweist, eine höhere Adhäsionsfähigkeit, Haftvermittlungsfähigkeit und/oder Gleitfähigkeit auf dem ersten Kunststoff- und/oder Elastomermaterial als das erste Material aufweist, und/oder die dritte Beschichtung zumindest eine drittes Material umfasst, wobei das dritte Material vorzugsweise eine größere Dehnfähigkeit, mechanische Dämpfungsfähigkeit und/oder größere Duktilität als das erste Kunststoff- und/oder Elastomermaterial, das zweite Material und/oder das erste Material aufweist, eine geringere Oxidationsneigung als das erste Material, das zweite Material und/oder das zweite Kunststoff- und/oder Elastomermaterial im wesentlichen undurchlässig für Gase, und/oder Fluide ist.
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Die beiden vorgenannten Ausführungsformen können auch dadurch gekennzeichnet sein, dass die zweite Beschichtung und/oder die dritte Beschichtung mittels Aufsprühen, Auftragen, Plasmakaltspritzen, Tauchen und/oder Benetzen, aufgebracht ist bzw. sind.
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Ferner ist bevorzugt, dass das erste Kunststoff- und/oder Elastomermaterial, das zweite Kunststoff- und/oder Elastomermaterial, das erste Material, das zweite Material und/oder das dritte Material zumindest einen Duroplasten, zumindest einen Thermoplasten, zumindest ein Elastomer, zumindest ein Gummimaterial, zumindest einen, vorzugweise mittels Fasern, verstärkten Kunststoff, Fluorkunststoff und/oder Polytetrafuorethylen umfasst, und/oder das erste Material, das zweite Material und/oder das dritte Material zumindest ein Metall, zumindest eine Legierung, zumindest ein Metalloxid, wie Aluminium, Kupfer, Stahl, Edelstahl, Zinn, Titan, Gold und/oder Silber, zumindest ein keramisches Material und/oder zumindest ein anorganisches Material umfasst bzw. umfassen.
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Schließlich wird für das Bauteil vorgeschlagen, dass die erste Beschichtung, die zweite Beschichtung und/oder die dritte Beschichtung zumindest bereichsweise eine Dicke von ungefähr 3 bis ungefähr 300 µm aufweist bzw. aufweisen.
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Die die Komponente betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Komponente zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, ein erfindungsgemäßes Bauteil umfasst.
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Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Komponente zumindest teilweise ein Ventilglied, ein Gehäuse, eine Getriebekomponente, einen Verdichter, einen Resonator, ein Fluidführungsteil, wie ein Rohr, eine Manschette, eine Verbindungsmuffe, einen Adapter, einen Balg, eine Verbindungsleitung, ein Fitting und/oder Aktuatorkomponente umfasst und/oder zumindest teilweise bildet.
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verfahren zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit eines zumindest bereichsweise zumindest ein erstes Kunststoffmaterial umfassenden Bauteils, insbesondere eines erfindungsgemäßen Bauteils gekennzeichnet ist durch die Schritte Bereitstellung des Bauteils,
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Bestimmung zumindest eines ersten Bereichs des Bauteils, der im Vergleich zu zumindest einem zweiten Bereich des Bauteils erhöhten Belastungen ausgesetzt ist, und
zumindest bereichsweises Aufbringen einer ersten Beschichtung auf zumindest eine Oberfläche des ersten Bereichs mittels Kaltplasmaspritzen.
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Dabei ist besonders bevorzugt, dass als Belastung des Bauteils eine thermische, mechanische, chemische, abrasive und/oder tribologische Belastung, insbesondere eine Zugbelastung, Druckbelastung, Scherbelastung, Biegebelastung, Schubbelastung, statische Belastung, dynamische Belastung und/oder Biegezugbelastung bestimmt wird.
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Schließlich wird erfindungsgemäß für das Verfahren vorgeschlagen, dass vor Aufbringung der ersten Beschichtung zumindest eine zweite Beschichtung zumindest bereichsweise auf die Oberfläche des ersten Bereichs aufgebracht wird und/oder auf die erste Beschichtung zumindest bereichsweise eine dritte Beschichtung aufgebracht wird.
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Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zu Grunde, dass durch das Aufbringen eines ersten Materials mittels Kalt-Plasmaspritzen (KPS) auf ein Bauteil, welches ein Kunststoff- und/oder Elastomermaterial umfasst, Beschichtungen in mechanischen und thermischen Hot-Spots erzeugt werden können, die es ermöglichen, sowohl die thermischen als auch die mechanischen Eigenschaften des Bauteils, wie die Widerstandsfähigkeit, insbesondere auch über einen breiten Temperaturbereich, so zu verbessern, dass auf weitergehende Massnahmen zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit, die zur Erhöhung eine Bauteilgewichts und/oder Erhöhung des Bauteilvolumens führen könnten, verzichtet werden kann. Auch wird es möglich, das Bauteil in der Nähe einer Wärmequelle anordnen zu können, da die Beschichtung auf diese Weise so langlebig befestigt wird, dass eine Ablösung und damit eine Fehlfunktion des Bauteils verlässlich vermieden werden kann.
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Bei dem KPS-Verfahren werden Mikropartikel, meist kleiner als 20 µm, mit Hilfe von bzw. in einem Plasmajet aufgeschmolzen und auf ein Substrat gesprüht. Aufgrund der vergleichsweise geringen Größe der Partikel ist es möglich, diese mit einem relativ geringen Energieeintrag durch das Plasma zu schmelzen. Damit ist aber auch die Temperatur der auf das Substrat treffenden geschmolzenen Partikel vergleichsweise gering, so dass ein Aufsprühen auf temperaturempfindliche Substrate, wie Kunststoffsubstrate möglich wird. Auch ist es aufgrund der geringen Temperaturen und der damit einhergehenden schnellen Erkaltung und Aushärtung möglich, eng definierte Bereiche des Substrats zu beschichten. Andererseits können problemlos metallische Materialien aber auch Kunststoff- und/oder Elastomermaterialien als Beschichtung aufgebracht werden.
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Unter Festigkeit im Sinn der Erfindung wird die Eigenschaft verstanden, die die maximal aufbringbare Beanspruchbarkeit durch, insbesondere mechanische und/oder thermische, Belastungen, beschreibt, bevor es zu einem Versagen, wie einer unzulässigen Verformung, beispielsweise einer plastischen bzw. bleibenden Verformung oder auch einem Bruch kommt. Dabei wird unter einer Belastung im Sinne der Erfindung jedwede äußere Kraft und Temperaturbeanspruchungen sowie äußere Zwänge oder Verschiebungen, verstanden, die auf das Bauteil wirken.
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Von der Erfindung wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass im Vergleich zu zuvor verwendeten Beschichtungsverfahren eine lokal begrenzte, langlebige Beschichtung ermöglicht wird. So haben die Erfinder durch Versuche an mittels dem KPS-Verfahren beschichteten Kunststoff- und/oder Elastomersubstraten festgestellt, dass die Haftung der Beschichtung auf dem Substrat so stark ist, dass es zunächst zu einem Versagen des Substrats bzw. der Beschichtung kommt, bevor es zu einer Ablösung der Beschichtung von dem Substrat kommt. Aufgrund dieser starken Haftung der Beschichtung, insbesondere des ersten Materials, an dem Substrat ist es möglich, auf verlässliche Weise die Widerstandsfähigkeit der Kombination aus Kunststoff- und/oder Elastomersubstrat und Beschichtung zu erhöhen.
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Durch das lokale Aufbringen des ersten Materials wird beispielsweise die Steifigkeit des Kunststoff- und/oder Elastomersubstrats lokal erhöht. Bei äußeren mechanischen Kräften können dadurch übermäßige Verformungen, die zu einem Versagen führen könnten vermieden werden. Auch ist es so möglich die äußeren Kräfte besser in andere Bereiche des Bauteils abzuleiten. Beispielsweise haben die Erfinder in Versuchen durch Einstellung der Beschichtungsparameter, wie Material und Beschichtungsdicke erkannt, dass die Biegefestigkeit eines Kunststoffsubstrats bei Raumtemperatur um ca. 20-25% und bei erhöhten Temperaturen sogar auf um die 70% gesteigert werden kann. Als bevorzugtes Beschichtungsmaterial hat sich hierbei Edelstahl, insbesondere mit einer Schichtdicke von 400 µm, ergeben.
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Ein weiteres Beispiel ist ein Bereich des Bauteils, der einer Krafteinwirkung durch ein weiteres Bauteil, wie an einer Verbindungsstelle mit dem weiteren Bauteil, beispielsweise im Bereich einer Verschraubung, Vernietung oder dergleichen, ausgesetzt ist. Durch die erste Beschichtung wird insbesondere ein Kriechen des ersten Kunststoffmaterials, das die Verbindungsfestigkeit der Verbindungsstelle negativ beeinflussen könnte, vermieden. Hinsichtlich der Verwendung der Beschichtung zur Erhöhung der thermischen Belastbarkeit haben die Erfinder durch Versuchsreihen ermittelt, dass die Einleitung von thermischer Energie durch thermische Strahlung in das Kunststoff- und/oder Elastomermaterial durch eine Kupfer-Beschichtung mit einer Schichtdicke von beispielsweise 20 bis 60, wie 40 µm soweit reduziert werden kann, dass selbst bei Oberflächentemperaturen der Beschichtung im Fokus der thermischen Strahlung von 100 bis130 °C eine thermische Überbeanspruchung des Kunststoff- und/oder Elastomermaterials vermieden ist. Ohne auf einen bestimmten Wirkmechanismus festgelegt werden zu wollen, vermuten die Erfinder, dass durch die Beschichtung zwar die Reflexion der Wärmestrahlung kaum erhöht wird, jedoch Hot-Spots in der Beschichtung durch einen verbesserten Abtransport der Wärmeenergie und Verteilung in der gesamten Beschichtung, also Konvektion, und Abstrahlung der Wärmeenergie an Stellen, die von dem Ort der Einleitung der Wärmeenergie entfernt sind, vermieden werden.
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Somit wird es möglich, lokale Verbesserungen der Widerstandsfähigkeit des Bauteils zu erreichen, ohne dass das Bauteilgewicht oder das Bauvolumen erhöht wird bzw. das Bauvolumen kann im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Bauteilen, bei denen im Bereich der thermischen und/oder mechanischen Hot-Spots Materialverstärkungen vorgesehen sind, reduziert werden.
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Die Beschichtung, insbesondere das erste (Beschichtungs-)Material, ist jedoch nicht auf Metalle oder metallische Legierungen beschränkt. Es kann auch ein zweites Kunststoff- und/oder Elastomermaterial umfassen. Dieses Kunststoff- und/oder Elastomermaterial kann gleich dem ersten Kunststoff- und/oder Elastomermaterial, also dem Material des Substrats sein, oder verschieden von diesem. Es wurde festgestellt, dass durch den Einsatz des zweiten Kunststoff- und/oder Elastomermaterials, insbesondere bei Verwendung des ersten als zweites Kunststoff- und/oder Elastomermaterial, die Haftung der Beschichtung noch weiter verbessert werden kann.
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Zu diesem Zweck der Erhöhung der Haftung und/oder Verbesserung einer Gleitfähigkeit kann auch eine weitere zweite Beschichtung vor Aufbringen der ersten Beschichtung vorgesehen sein. So kann diese Beschichtung ein Material umfassen, welches bessere Haftungseigenschaften auf dem ersten Kunststoffmaterial aufweist als das erste Material der ersten Beschichtung und gleichzeitig eine bessere Haftung für das erste Material bereitstellt. Zur Erhöhung einer Gleitfähigkeit kann beispielsweise Polytetrafluorethylen eingesetzt werden. Auch kann zu diesem Zweck der Erhöhung der Haftung oder der Gleitfähigkeit eine dritte Beschichtung auf der dem Substrat abgewandten Seite der ersten Beschichtung vorgesehen sein. Diese dritte Beschichtung überdeckt vorzugsweise die erste Beschichtung, und falls vorhanden, auch die zweite Beschichtung vollständig. Alternativ kann die dritte Beschichtung auch den Randbereich der ersten bzw. zweiten Beschichtung überdecken. Vorzugsweise weist die dritte Beschichtung einer bessere Haftung auf dem ersten Kunststoffmaterial und/oder der zweiten Beschichtung als die erste Beschichtung und/oder eine höhere Elastizität als die erste Beschichtung auf. So wird insbesondere erreicht, dass eine Ablösung der ersten Beschichtung in ihrem Randbereich, die einen Startpunkt für eine vollständige Ablösung der Beschichtung darstellen kann, verhindert wird. Auch kann die erste Beschichtung und/oder die zweite Beschichtung durch die dritte Beschichtung vor Umwelteinflüssen, wie die erste Beschichtung und/oder die zweite Beschichtung angreifende Flüssigkeiten, Gase und/oder dergleichen geschützt, insbesondere von diesen isoliert werden.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung ist nicht auf bestimmte Bauteile oder Komponenten, in denen das Bauteil enthalten ist, beschränkt. So gibt es insbesondere im Automotivebereich eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten der Erfindung, wie Bauteile im Antriebsstrang, Gehäuse von Einbauten, wie Verdichtergehäusen oder Schallresonatoren, über Rohrleitungen, Verbindungselemente, insbesondere in Rohrleitungen, oder bewegbaren Komponenten, wie Getriebeelementen oder Ventilkomponenten.
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Zur Bestimmung der Hot-Spots können insbesondere aus dem Stand der Technik bekannte Simulationsprogramme zur Berechnung thermischer und mechanischer Belastungen an Bauteilen eingesetzt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen erläutert werden.
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Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten erfindungsgemäßen Bauteils in Form eines Ventilglieds;
- 2 eine schematische Aufsicht auf das Ventilglied der 1 aus Richtung A;
- 3 eine schematische Detailansicht auf ein Fügestelle eines zweiten erfindungsgemäßen Bauteils in Form einer Fluidleitung;
- 4 eine schematische Detailansicht auf ein drittes erfindungsgemäßes Bauteil in Form eines Antriebshebels;
- 5 eine schematische Aufsicht auf ein viertes erfindungsgemäßes Bauteil in Form eines Resonatorgehäuses; und
- 6 eine schematische Detailansicht auf ein fünftes erfindungsgemäßes Bauteil in Form einer Rohrverbindung.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines ersten erfindungsgemäßen Bauteils in Form eines Ventilglieds 1 während 2 eine schematische Aufsicht aus Richtung A in 1 auf das Ventilglied 1 zeigt. Das Ventilglied 1 ist mit einem Stellglied in Form eines Stellstange 3, die nur teilweise dargestellt ist verbunden. Dazu ist die Stellstange 3 an dem dem Ventilglied 1 zugewandten Ende von dem Ventilglied umspritzt. Die Stellstange 3 umfasst ein metallisches Material, während der Hauptkörper des Ventilgliedes zumindest teilweise ein Kunststoffmaterial umfasst.
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Es wurde festgestellt, dass es bei einem wiederholten Antrieb des Ventilgliedes 1 durch die Stellstange 3 zu einem mechanischen Hot-Spot, also einem Bereich erhöhter mechanischer Beanspruchung kommt. Diese Beanspruchung kann dazu führen, dass sich die Verbindung zwischen dem Ventilglied 1 und der Stellstange 3 löst. Grund hierfür ist, dass es zu einer Verformung bzw. Aufweitung, insbesondere durch Kriechen des Kunststoffmaterials, des Ventilgliedes 1 im Bereich 5 der Verbindung mit der Stellstange, insbesondere im Bereich einer Aufnahme 7 des Ventilgliedes 1 kommt, so dass sich ein Spalt zwischen der Stellstange 3 und dem Ventilglied 1 im Bereich 5 bildet. In aus dem Stand der Technik bekannten Ventilgliedern ist man diesem Problem dadurch begegnet, dass man zusätzliche Stützrippen an dem Ventilglied 1 um die Aufnahme 7 angeordnet hat. Dies führt jedoch zu einer Zunahme des Bauraums und des Gewichts des Ventilgliedes 1.
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Erfindungsgemäß ist bei dem Ventilglied 1 im Bereich 5 eine Beschichtung 9 umfassend Edelstahl als erstes Material auf eine Oberfläche der Aufnahme 7 des Ventilglieds 1 aufgebracht, und zwar mittels Kalt-Plasma-Spritzen. Die Beschichtung 9 umschließt die Aufnahme 7 vollständig und bildet somit einen Haltering bzw. Stützring. Aufgrund der höheren Festigkeit bzw. Steifigkeit der Beschichtung 9 im Vergleich zum Kunststoffmaterial des Ventilgliedes 1, insbesondere der Aufnahme 7, wird eine übermäßige Verformung bzw. Aufweitung der Aufnahme 7 unterbunden und so eine Lösung der Stellstange 3 von dem Ventilglied 1 wirksam verhindert. Dabei führt die Beschichtung 9 nicht zu einer wesentlichen Erhöhung des Bauteilgewichts, da sie beispielsweise lediglich eine Dicke von 400 µm aufweist, die in den 1 und 2 nicht maßstabsgetreu dargestellt ist.
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Eine weitere Verbesserung der Verbindung zwischen Stellstange 3 und Ventilglied 1 wird dadurch erreicht, dass die Beschichtung 9 sich bis auf die Stellstange 3 erstreckt und so ein Eindringen von Verunreinigungen in den Bereich zwischen Stellstange 3 und Aufnahme 7 des Ventilgliedes 1 unterbunden wird, sowie eine Verbesserung der Verbindung mit der Stellstange 3 erreicht wird.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung 9 direkt auf die Oberfläche der Aufnahme 7 bzw. die Oberfläche der Stellstange 3 aufgebracht.
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In 3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Bauteils in Form einer Fluidleitung 51 dargestellt. Die Fluidleitung 51 weist eine Kunststoffwandung 53 auf. Ferner ist die Kunststoffwandung 53 derartig unterbrochen, dass die Fludleitung 51 dadurch gebildet wurde, dass im Bereich einer Fügestelle 55 zwei Rohrteile 57, 59 mittels Schweißen stoffschlüssig verbunden wurden. Diese Fügestelle stellt ebenfalls einen mechanischen Hot-Spot bzw. eine mechanische Schwachstelle dar. In die Fluidleitung 51 eingeleitete Kräfte werden in den Bereich der Fügestelle übertragen und können dort zu einer Überbeanspruchung der Schweißnaht und einem Brechen der Verbindung zwischen den Rohrteilen 57, 59 führen.
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Um solche Kräfte aus dem Bereich der Fügestelle 55 abführen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Bereich der Fügestelle 55 eine erste Beschichtung 61, umfassend ein metallisches Material, mittels dem KPS-Verfahren aufgebracht ist. Die Dicken der ersten Beschichtung 61 sind in 3 nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
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Zur Verbesserung der Haftung der Beschichtung 61 auf der Fluidleitung wurde vor Aufbringen der ersten Beschichtung 61 eine zweite Beschichtung 63 auf die Fluidleitung 51 aufgebracht. Diese wurde ebenfalls mit dem KPS-Verfahren erzeugt, kann aber auf jede beliebige Art aufgebracht werden. Um die Beschichtungen 61, 63 vor äußeren Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit zu schützen, sind diese von einer dritten Beschichtung 65 überdeckt. So wird verhindert, dass es zu einer Schwächung der ersten Beschichtung, beispielweise durch Oxidation des Materials der Beschichtung 61, kommt.
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In 4 ist eine schematische Aufsicht auf eine drittes erfindungsgemäßes Bauteil in Form einer Antriebshebels 101, der ein erstes Kunststoffmaterial umfasst, dargestellt. Der Antriebshebel 101 weist einen Stangenbereich 103, der mittels eines nicht dargestellten Aktuators in Richtung 105 hin- und herbewegbar angetrieben ist. An den Stangebereich schließt sich ein Anschlussbereich 107 an, mittels dem der Antriebshebel 101 mit einem nicht dargestellten anzutreibenden Element über eine Öffnung 109 verbindbar ist.
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Während einer Bewegung des Antriebshebels 101 entlang der Richtung 105 kann es auch zu Belastungen zwischen dem Stangenbereich 103 und dem Anschlussbereich 107 in Richtung 111 kommen. Diese Bewegungen in Richtung 111 führen dazu, dass sich ein mechanischer Hot-Spot in den Bereichen 113 und 115 ausbildet. Um eine Überbeanspruchung des Antriebshebels 101 in diesen Bereichen ohne eine signifikante Erhöhung des Kunststoffmaterialvolumens und des Bauteilgewichts des Antriebshebels 101 zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in den Bereichen 113 und 115, erste Beschichtungen 117 und 119 mittels KPS aufgebracht sind.
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In 5 ist ein viertes erfindungsgemäßes Bauteil in Form eines Resonatorgehäuses 151 dargestellt. Es ist vorgesehen, dass das Gehäuse 151 in der Nähe einer Wärmequelle, wie einer Brennkraftmaschine, angeordnet wird. Aufgrund der damit einhergehenden thermischen Strahlung bildet sich auf der Oberfläche des Gehäuses 151 im Bereich 153 ein thermischer Hot-Spot aus. Ohne weitere Zusatzmaßnahmen würde es zu einer Überhitzung des Gehäuses in diesem Bereich kommen, die dazu führt, dass es in diesem Bereich 153 zu permanenten Verformungen und/oder Materialdegradation bzw. Materialabbau des Gehäuses 151 kommt. Um eine solche thermische Überbeanspruchung zu vermeiden ist erfindungsgemäß eine erste Beschichtung 155 mittels KPS-Verfahren bereichsweise auf das Gehäuse aufgebracht. Die Beschichtung 155 umfasst ein Kupfermaterial und weißt damit eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Kunststoffmaterial des Gehäuses 151 in diesem Bereich 153 auf. Dies bewirkt, dass in die Beschichtung 155 eingekoppelte thermische Energie durch Wärmeleitung in der Beschichtung 155 aus dem Bereich 153 abgeführt und außerhalb des Bereichs 153 abgestrahlt werden kann, wodurch eine Aufheizung des Gehäuses 151 im Bereich 153 reduziert wird, so dass es nicht zu einer Überhitzung und damit einer Beeinträchtigung der Struktur in diesem Bereich kommt. Es wird also die Wärmekonvektion verbessert.
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In 6 ist schließlich eine schematische Detailansicht eines fünften erfindungsgemäßen Bauteils in Form einer Rohrverbindung 201 dargestellt. Die Rohrverbindung 201 weist einen ersten Rohrendabschnitt 203 sowie einen zweiten, dem ersten Rohrendabschnitt 203 zugewandten, zweiten Rohrendabschnitt 205 auf. Die die ersten und zweiten Rohrendabschnitte 203, 205 umfassenden ersten und zweiten Rohre, insbesondere zumindest bereichswiese ein Kunststoffmaterial umfassend und/oder daraus bestehend, sind dazu ausgelegt, jeweils eine durch sie hindurch verlaufende Fluidleitung zu ermöglichen. Um eine, zumindest innerhalb gewisser Grenzen, nicht-starre Verbindung zwischen den beiden Rohren, insbesondere eine Relativbewegung zwischen dem ersten Rohrendabschnitt 203 und dem zweiten Rohrendabschnitt 205 zu ermöglichen, sind der erste Rohrendabschnitt 203 und der zweite Rohrendabschnitt 205 in einem Abstand 207 zueinander angeordnet. Um eine Fluidleitung zwischen dem ersten Rohrendabschnitt 203 und dem zweiten Rohrendabschnitt 205 zu ermöglichen, weist die Rohrverbindung 201 ferner eine Manschette 209 auf. Die Manschette 209 umfasst zumindest bereichsweise ein Elastomermaterial, insbesondere Gummimaterial, und/oder besteht aus diesem, und nimmt im Innern ihres im Wesentlichen hohlzylinderförmigen ersten Öffnungsbereichs 211 den ersten Rohrendabschnitt 203 zumindest bereichsweise auf, wie auch entsprechend der zweite Rohrendabschnitt 205 zumindest bereichsweise im Innern des im Wesentlichen hohlzylinderförmigen zweiten Öffnungsbereichs 212 der Manschette 209 aufnimmt.
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Um eine feste, insbesondere dem Fluiddruck standhaltende, Verbindung zwischen einem ersten und zweiten Rohrendabschnitt und einer Manschette zu gewährleisten, umfassen bisher aus dem Stand der Technik bekannte Manschetten ein faserverstärktes Elastomermaterial. Auf diese kostenintensive Weise wird eine Verstärkung mechanischer Hot-Spots erreicht, insbesondere ein unter Einfluss des Fluiddrucks erfolgtes „Aufblähen“ der Manschette im Bereich zwischen den beiden Rohrendabschnitten und eine Überlastung aufgrund damit einhergehender mechanischer Zug- und Biegebeanspruchung, wie durch Walgbewegungen, vermieden.
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Erfindungsgemäß kann nun auf eine Faserverstärkung verzichtet werden, indem zumindest bereichsweise innerhalb der zwischen Rippen 215 ausgebildeten „Tälern“ mittels KPS-Verfahren erste Beschichtungen 217b aufgebracht werden. Diese ringförmigen Beschichtungen 217b führen zu einer Stabilitätssteigerung im Bereich der mechanischen Hot-Spots durch Begrenzung der Beanspruchung durch die ansonsten entstehende Verformung in radiale Richtung der Längsachse der Manschette 209.
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Es hat sich ferner gezeigt, dass eine fluiddichte Verbindung zwischen dem ersten beziehungsweise zweiten Rohrendabschnitt 203, 205 sowie dem ersten beziehungsweise zweiten Öffnungsbereich 211, 213 der Manschette 209 im Stand der Technik nur mit erhöhtem Material- und Kostenaufwand sichergestellt werden kann.
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Um ferner im Vergleich zum Stand der Technik verbessert eine fluiddichte Verbindung zwischen dem ersten beziehungsweise zweiten Rohrendabschnitt 203, 205 sowie dem ersten beziehungsweise zweiten Öffnungsbereich 211, 213 der Manschette 209 sicherzustellen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine erste Beschichtung 217a, umfassend ein metallisches Material, im ersten Verbindungsbereich 219a zwischen dem erstem Rohrendabschnitt 203 und dem erstem Öffnungsbereich 211 bzw. im zweiten Verbindungsbereich 219b zwischen dem zweitem Rohrendabschnitt 205 und dem zweiten Öffnungsbereich 213 mittels KPS-Verfahren aufzubringen. Durch den Einsatz des KPS-Verfahrens gehen die Beschichtungen 217a, 217b eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Material der Manschette 209 und ggf. dem jeweiligen Rohrendabschnitt 203, 205 des Kunststoffrohrs ein.
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Die erste Beschichtung im ersten bzw. zweiten Verbindungsbereich 219a, 219b umschließt dabei sowohl den jeweiligen ersten bzw. zweiten Rohrendabschnitt 203, 205 wie auch den äußeren Oberflächenbereich des ersten bzw. zweiten Öffnungsbereichs 211, 213 der Manschette 209 zumindest bereichsweise vollständig zusammenhängend. Die erste Beschichtung 217a umgibt damit den Verbindungsbereich 219a, 219b ringförmig. Auch die erste Beschichtung 217b im Bereich zwischen zwei Rippen 215 ist von ringförmiger Gestalt.
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Aufgrund der höheren Festigkeit beziehungsweise Steifigkeit der ersten Beschichtung 217a, 217b im Vergleich zum Kunststoffmaterial des ersten und zweiten Rohres sowie zum Gummimaterial der Manschette 209, wird eine übermäßige Verformung beziehungsweise Aufweitung des Verbindungsbereichs zwischen den Rohrendbereichen unterbunden sowie insbesondere auch eine fluiddichte Verbindung zwischen der Manschette 209 und dem ersten und zweiten Rohrendabschnitt 203, 205 wirksam hergestellt. Dabei führt die erste Beschichtung 217a, 217b nicht zu einer wesentlichen Erhöhung des Bauteilgewichts, da sie beispielsweise lediglich eine Dicke von 400 µm aufweist, die in der 6 nicht maßstabsgetreu dargestellt ist. Im Gegenteil führt der Verzicht auf eine Faserverstärkung in dem Gummimaterial der Manschette dazu, dass das Bauteilgewicht im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden kann.
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Die in der vorangehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination wesentlich für die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilglied
- 3
- Stellstange
- 5
- Bereich
- 7
- Aufnahme
- 9
- Beschichtung
- 51
- Fluidleitung
- 53
- Kunststoffwandung
- 55
- Fügestelle
- 57
- Rohrteil
- 59
- Rohrteil
- 61
- Beschichtung
- 63
- Beschichtung
- 65
- Beschichtung
- 101
- Antriebshebel
- 103
- Stangenbereich
- 105
- Richtung
- 107
- Anschlussbereich
- 109
- Öffnung
- 111
- Richtung
- 113, 115
- Bereich
- 117, 119
- Beschichtung
- 151
- Resonatorgehäuse
- 153
- Bereich
- 155
- Beschichtung
- 201
- Rohrverbindung
- 203
- Rohrendabschnitt
- 205
- Rohrendabschnitt
- 207
- Abstand
- 209
- Manschette
- 211
- Öffnungsbereich
- 213
- Öffnungsbereich
- 215
- Rippen
- 217a, 217b
- Beschichtung
- 219a, 219b
- Verbindungsbereich
- A
- Richtung
