DE102017006368A1

DE102017006368A1 - Verfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils mit verbindendem Einpresselement und hiermit hergestellte Hybridbauteile

Info

Publication number: DE102017006368A1
Application number: DE102017006368.0A
Authority: DE
Inventors: Wojciech Brymerski; Jochen Rintelmann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2019-01-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils (100), das wenigstens eine Metallkomponente (110) und wenigstens eine Kunststoffkomponente (120) aufweist, mit den Schritten:- Bereitstellen der Metallkomponente (110);- Einpressen wenigstens eines Einpresselements (130) in die Metallkomponente (110), derart, dass das Einpresselement (130) von der Metallkomponente (110) abragt;- Einlegen der Metallkomponente (110) in die Kavität eines Formwerkzeugs und Anformen der Kunststoffkomponente (120), wobei das abragende Einpresselement (130) zumindest teilweise vom Kunststoffmaterial umschlossen wird.Die Erfindung betrifft ferner eine verfahrensgemäß hergestellte Wanne und ein verfahrensgemäß hergestelltes Profilbauteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils, das wenigstens eine Metallkomponente und wenigstens eine Kunststoffkomponente aufweist. Die Erfindung betrifft ferner zwei verfahrensgemäß hergestellte Hybridbauteile.
Ein Hybridbauteil im Sinne der Erfindung weist wenigstens eine Metallkomponente, wie insbesondere eine Blech- oder Hohlprofilkomponente, und wenigstens eine daran angespritzte oder angepresste Kunststoffkomponente auf, wobei die Metallkomponente und die Kunststoffkomponente einen stabilen Hybridverbund bilden. Insbesondere ist die Metallkomponente durch die Kunststoffkomponente im Hinblick auf bestimmte Anforderungen funktionalisiert. Solche Hybridbauteile weisen viele Vorteile auf und werden insbesondere im Automobilbau verwendet.
Zum mittlerweile umfangreichen Stand der Technik wird stellvertretend auf die Patentschriften DE 10 2011 010 997 A1 , EP 2 236 265 B1 und WO 2013/104397 A2 hingewiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines stabilen Hybridbauteils anzugeben, das insbesondere auch für eine Serienfertigung geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Mit zwei nebengeordneten Patentansprüchen erstreckt sich die Erfindung ferner auf zwei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Hybridbauteile, nämlich auf eine Wanne (Kasten) und auf ein Profilbauteil. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:

- Bereitstellen der Metallkomponente;
- Einpressen wenigstens eines Einpresselements in die Metallkomponente, derart, dass (an der betreffenden Stelle) das Einpresselement bzw. ein Teil des Einpresselements von der Metallkomponente absteht bzw. abragt;
- Einlegen der Metallkomponente in die Kavität eines Formwerkzeugs und Anformen der Kunststoffkomponente (d. h. direktes Urformen der Kunststoffkomponente auf der Metallkomponente), wobei das abragende Einpresselement zumindest teilweise vom (verwendeten) Kunststoffmaterial umschlossen wird;
- gegebenenfalls Öffnen des Formwerkzeugs und Entformen des Hybridbauteils, das insbesondere ein Automobilbauteil ist.

Aufgrund eines sich zwischen dem Einpresselement und der Kunststoffkomponente ausbildenden Formschlusses, insbesondere eines hinterschnittigen Formschlusses, wird eine besonders stabile Verbindung zwischen den Komponenten geschaffen. Ferner stabilisiert die Kunststoffkomponente das umschlossene Einpresselement, was zu einer höheren Biege- und Auszugsfestigkeit führt. Es entstehen also Synergieeffekte.
Sonstige aus dem Stand der Technik bekannte Maßnahmen (wie bspw. das Einformen von Vertiefungen in die Metallkomponente, das Aufrauen der Oberfläche an der Metallkomponente, das Aufbringen von Haft- oder Haftverbesserungsschichten auf die Metallkomponente und dergleichen), mit denen eine hohe Verbindungsfestigkeit zwischen der Metall- und der Kunststoffkomponente erzielt werden sollen, können entfallen, sodass die erfindungsgemäße Herstellung eines Hybridbauteils vergleichsweise einfach und kostengünstig ist. Gleichwohl können ergänzend auch derartige Maßnahmen vorgesehen sein.
Das Einpresselement ist vorzugsweise aus Metall gebildet und ist insbesondere ein Stahleinpresselement. Bevorzugt weist das Einpresselement einen Elementfuß, mit dem dieses kraft- und formschlüssig mit der Metallkomponente verbunden wird, und einen Elementkopf, der nach dem Einpressen von der Metallkomponente absteht, auf. Zwischen dem Elementfuß und dem Elementkopf kann ein vorspringender Bund ausgebildet sein, der beim Einpressen als Anschlag bzw. Schulter und später als Verkippungs- bzw. Biegeschutz dienen kann. Ferner kann das Einpresselement, insbesondere am Bund, mit einem Verdrehschutz ausgebildet sein, der nach dem Einpressen ein Verdrehen relativ zur Metallkomponente verhindert. Das Einpressen kann, ähnlich wie bei einer Niet, mit einem Setzwerkzeug erfolgen. Das Setzen bzw. Einpressen erfolgt vorzugsweise kalt (d. h. ohne Erwärmung). Das Einpressen erfolgt vorzugsweise kraftgesteuert, insbesondere derart, dass der Elementbund beim Setzvorgang in Anlage gebracht und dass dann nachgedrückt wird. Bevorzugt wird die Metallkomponente beim Einpressen nicht durchstanzt oder durchlocht, d. h. das Einpressen erfolgt bevorzugt durchlochungsfrei.
Das die Kunststoffkomponente bildende Kunststoffmaterial kann ein Thermoplast oder auch ein Duroplast sein. Das verwendete Kunststoffmaterial kann ferner mit Verstärkungsfasern, insbesondere Kurz- oder Langfasern, gefüllt sein.
Das Formwerkzeug ist insbesondere ein Spritzgießwerkzeug, bei dem das Kunststoffmaterial bzw. die Kunststoffmasse nach dem Schließen des Werkzeugs in die geschlossene Kavität eingespritzt wird, oder ein Presswerkzeug, bei dem das Kunststoffmaterial bzw. die Kunststoffmasse vor dem Schließen in die offene Kavität eingebracht wird und sich dann beim Schließen des Werkzeugs in der Kavität verteilt.
Bevorzugt ist die Metallkomponente aus Aluminium gebildet, kann aber auch aus anderen duktilen Metallen oder Metalllegierungen bestehen, und weist bevorzugt eine Dicke (d. h. Wanddicke bzw. Stärke) von nicht mehr als 1,0 mm auf, wobei prinzipiell auch größere Wanddicken möglich sind. Insbesondere hierfür ist das oben beschriebene durchlochungsfreie Einpressen gegenüber anderen Befestigungsmethoden (bspw. Anschweißen) besonders vorteilhaft. Die Metallkomponente ist vorzugsweise aus einem Halbzeug gebildet und ist insbesondere ein Blechteil oder ein Hohlprofilteil, wie bspw. ein Rohr. Das Blechteil oder Hohlprofilteil kann vorgeformt sein, bspw. durch Biegen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder dergleichen. Bei einem Blechteil können mehrere Einpresselemente einseitig oder beidseitig eingepresst werden; dementsprechend kann die Kunststoffkomponente einseitig der beidseitig aufgebracht werden. Selbiges gilt analog für ein Hohlprofilteil.
Das Anformen der Kunststoffkomponente kann derart erfolgen, dass danach das Einpresselement aus der angeformten Kunststoffkomponente herausragt bzw. übersteht. Das Einpresselement ist entsprechend ausgebildet. Das Einpresselement kann dadurch ergänzend zu der oben erläuterten bauteilinternen Formschlussfunktion weitere Funktionen wahrnehmen. So kann vorgesehen sein, dass zumindest der aus der Kunststoffkomponente herausragende Abschnitt des Einpresselements mit einem Gewinde ausgebildet ist, über das eine Schraubverbindung ermöglicht wird. In analoger Weise kann auch eine Clips- bzw. Rastverbindung ermöglicht werden (der aus der Kunststoffkomponente herausragende Abschnitt des Einpresselements ist entsprechend ausgebildet, bspw. als Kugel). Der aus der Kunststoffkomponente herausragenden (oder gegebenenfalls auch flächenbündig abschließende) Abschnitt des Einpresselements kann auch als Schweißbolzen fungieren, über den das Hybridbauteil mit einer weiteren Komponente oder einem anderen Bauteil verschweißt werden kann. Die elektrische Kontaktierung kann dabei über die Metallkomponente erfolgen. Das Einpresselement kann also multifunktional sein und ist den jeweiligen Funktionen entsprechend ausgebildet.
Die zur Herstellung des Hybridbauteils verwendete Metallkomponente kann ein Hohlprofilteil sein (s. o.), das vor dem Anformen der Kunststoffkomponente noch mit einer verstärkenden Faserumwicklung versehen wird, wobei das wenigstens eine abragende Einpresselement als Wickelpunkt fungiert, an dem die wenigstens eine Wickelfaser beim Umwickeln befestigt und/oder umgelenkt werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bspw. eine Wanne, insbesondere eine Unterschale für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie (für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug), hergestellt werden. Eine solche Wanne umfasst z. B. ein Blechteil, insbesondere aus Aluminiumblech, das einen Boden und, insbesondere durch Biegen bzw. Abkanten aufgestellte, Seitenwände aufweist, und mehrere am Blechteil angeformte Kunststoffkomponenten, welche die zwischen den Seitenwänden gebildeten Ecken verschließen, wobei die angeformten Kunststoffkomponenten (gegebenenfalls zusätzlich zu der durch das Anformen erzeugten Verbindung) über im Blechteil eingepresste Einpresselemente mit dem Blechteil verbunden sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bspw. auch ein Profilbauteil, z. B. ein Cockpit(quer)träger, hergestellt werden. Ein solches Profilbauteil umfasst z. B. ein Hohlprofilteil und wenigstens eine daran angeformte Kunststoffkomponente, welche (gegebenenfalls zusätzlich zu der durch das Anformen erzeugten Verbindung) über im Hohlprofilteil eingepresste Einpresselemente (d. h. wenigstens ein Einpresselement) mit dem Hohlprofilteil verbunden ist. Das Hohlprofilteil kann zusätzlich eine Faserumwicklung aufweisen, wie oben beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in den schematischen Figuren der Zeichnung gezeigten oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

1 zeigt in einer Schnittdarstellung das Grundprinzip der Erfindung.
2 zeigt die erfindungsgemäße Herstellung einer Wanne.
3 zeigt die erfindungsgemäße Herstellung eines Profilbauteils.

1 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäß hergestellten Hybridbauteil 100. Das Hybridbauteil 100 weist ein als Basisteil fungierendes Blechteil 110 (Metallkomponente) auf, in dem an der gezeigten Stelle ein einstückiges, nietartiges Einpresselement (Einspreizniet) 130 eingepresst ist, ohne das Blechteil 110 zu durchdringen (die Fügestelle ist somit dicht). Das Einpresselement 130 weist einen Elementfuß 131, einen hinterschnittigen Elementkopf 132 und einen Bund 133, der spaltfrei am Blechteil 110 anliegt, auf. Die gezeigte Form bzw. Gestalt des Einpresselements 130 ist lediglich beispielhaft und dient der Veranschaulichung.
Das Hybridbauteil 100 weist ferner eine direkt auf das Blechteil 110 angeformte Kunststoffkomponente 120 auf, die vollständig das vom Blechteil 110 abragende Einpresselement 130 umschließt, wodurch eine direkte formschlüssige Verbindung zwischen dem Einpresselement 130 und der Kunststoffkomponente 120 und dadurch auch eine mittelbare formschlüssige Verbindung zwischen dem Blechteil 110 und der Kunststoffkomponente 120 ausgebildet ist.
Die Kunststoffkomponente 120 kann, wie mit der strichlinierten Linie veranschaulicht, so ausgebildet sein, dass das Einpresselement 130 übersteht. An dem überstehenden Abschnitt des Einpresselements 130 kann dann bspw. eine Verschraubung, Verclipsung, Verschweißung oder dergleichen mit einem anderen Bauteil erfolgen.
2 zeigt in zwei Einzeldarstellungen die erfindungsgemäße Herstellung eines als Wanne, bspw. Batteriewanne, ausgebildeten Hybridbauteils 100. Zunächst wird aus einer ebenen Blechplatine, insbesondere aus einem Aluminiumblech, ein Blechteil 110 mit einem Boden 111 und aufgestellten Seitenwänden 112 geformt (siehe 2a). Davor oder danach werden in die Seitenwände 112, gegebenenfalls auch in den Boden 111, Einpresselemente 130 eingepresst, sodass deren Köpfe bzw. Schäfte 132 nach außen abragen, wie in der oberen Detaildarstellung gezeigt. Anschließend wird das derart vorbereitete Blechteil 110 in die Kavität eines Formwerkzeugs eingelegt, in dem dann die Ecken bildende bzw. verschließende Kunststoffkomponenten 120 angeformt werden (siehe 2b). Dabei werden vom Kunststoffmaterial auch die zuvor in das Blechteil 110 eingepressten Einpresselemente 130 umschlossen, wie in der unteren Detaildarstellung gezeigt. Die Kunststoffkomponenten 120 verbinden die Seitenwände 112, verschließen die Ecken und versteifen die Wanne. Ferner können die Kunststoffkomponenten 120 eine elektrische Isolationsschicht und/oder eine Schutzschicht gegen Batteriesäure bilden. Die Kunststoffkomponenten 120 können auch von innen angeformt werden, wozu die Einpresselemente 130 so gesetzt werden, dass diese nach innen abragen.
Die 3 zeigt, analog zur 2, in zwei Einzeldarstellungen die erfindungsgemäße Herstellung eines als Profilbauteil ausgebildeten Hybridbauteils 100, das bspw. ein Cockpitquerträger ist. In das bereitgestellte Hohlprofilteil 110 (Metallkomponente), insbesondere ein Aluminiumrohr, werden zunächst von außen (gegebenenfalls auch von innen) Einpresselemente 130 eingepresst (siehe 3a). Anschließend wird in einem Formwerkzeug von außen (gegebenenfalls auch von innen) wenigstens eine Kunststoffkomponente 120 angeformt (siehe 3b). Die Kunststoffkomponente 120 bildet bspw. eine Verrippung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011010997 A1 [0003]
EP 2236265 B1 [0003]
WO 2013/104397 A2 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils (100), das wenigstens eine Metallkomponente (110) und wenigstens eine Kunststoffkomponente (120) aufweist, mit den Schritten: - Bereitstellen der Metallkomponente (110); - Einpressen wenigstens eines Einpresselements (130) in die Metallkomponente (110), derart, dass das Einpresselement (130) von der Metallkomponente (110) abragt; - Einlegen der Metallkomponente (110) in die Kavität eines Formwerkzeugs und Anformen der Kunststoffkomponente (120), wobei das abragende Einpresselement (130) zumindest teilweise vom Kunststoffmaterial umschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponente (110) aus Aluminium gebildet ist und insbesondere eine Dicke von höchstens 1,0 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponente (110) ein Blechteil oder ein Hohlprofilteil ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil (110) öder das Hohlprofilteil (110) vorgeformt ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einpresselement (130) aus der angeformten Kunststoffkomponente (120) herausragt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der aus der Kunststoffkomponente (120) herausragende Abschnitt des Einpresselements (130) mit einem Gewinde ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridbauteil (100) an dem aus der Kunststoffkomponente (120) herausragenden Abschnitt (132) des Einpresselements (130) verschweißt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponente (110) ein Hohlprofilteil ist, das vor dem Anformen der Kunststoffkomponente (120) mit einer Faserumwicklung versehen wird, wobei das abragende Einpresselement (130) als Wickelpunkt fungiert, an dem die Wickelfaser befestigt und/oder umgelenkt wird.
Wanne (100), insbesondere Unterschale für ein Batteriegehäuse, hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 7, mit einem Blechteil (110), das einen Boden (111) und aufgestellte Seitenwände (112) aufweist, und mehreren am Blechteil (110) angeformten Kunststoffkomponenten (120), welche die Ecken zwischen den Seitenwänden (112) verschließen, wobei die angeformten Kunststoffkomponenten (120) mittels im Blechteil (110) eingepresster Einpresselemente (130) mit dem Blechteil (110) verbunden sind.
Profilbauteil (100), insbesondere Cockpitträger, hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 8, mit einem Hohlprofilteil (110) und wenigstens einer daran angeformten Kunststoffkomponente (120), welche mittels im Hohlprofilteil (110) eingepresster Einpresselemente (130) mit dem Hohlprofilteil (110) verbunden ist.