DE102017210639A1 - Composite component, method for producing the same and its use - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verbundbauteil umfassend ein erstes Bauteil (10) aus einem faser- oder gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterial und ein zweites Bauteil (20) beschrieben, wobei das erste Bauteil (10) eine erste Fügefläche (12) aufweist, und das zweite Bauteil (20) eine zweite Fügefläche (22), und wobei das erste Bauteil (10) und das zweite Bauteil (20) über die erste und die zweite Fügefläche (12, 22) miteinander verbunden sind, wobei die zweite Fügefläche (22) Oberflächenvorsprünge (26, 26a - 26g) aufweist, die in das faser- oder gitterverstärkte thermoplastische Verbundmaterial eingreifen, und die Faser- oder Gitterverstärkung (16a - 16g) des faser- oder gitterverstärkten Verbundmaterials durchdringt.A composite component comprising a first component (10) made of a fiber-reinforced or grid-reinforced thermoplastic composite material and a second component (20) is described, wherein the first component (10) has a first joining surface (12), and the second component (20) a second joining surface (22), and wherein the first component (10) and the second component (20) are interconnected via the first and second joining surfaces (12, 22), the second joining surface (22) having surface projections (26, 26a - 26g) which engage the fiber or lattice reinforced thermoplastic composite material and penetrate the fiber or mesh reinforcement (16a - 16g) of the fiber or lattice reinforced composite material.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verbundbauteil, ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie dessen Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The present invention relates to a composite component, a method for producing the same and its use according to the preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

Für eine fügetechnische Verbindung von Metallen mit beispielweise faserverstärkten Kunststoffen (FVK), insbesondere endlosfaserverstärkten Kunststoffen, existieren im Stand der Technik unterschiedliche Lösungen, die in der Praxis angewandt werden. Zu derartigen endlosfaserverstärkten Kunststoffen gehören beispielsweise sogenannte Organobleche, bei denen es sich um mit Glasfasern endlosverstärkte Thermoplaste handelt.For a technical joining of metals with, for example, fiber-reinforced plastics (FRP), in particular continuous fiber-reinforced plastics, different solutions exist in the prior art which are used in practice. Such continuous fiber reinforced plastics include, for example, so-called organo sheets, which are thermoplastics endlessly reinforced with glass fibers.

So kann eine fügetechnische Verbindung von Metallen mit faserverstärkten Kunststoffen beispielweise durch Klebetechniken gewährleistet werden. Entsprechend ausgelegte Klebstoffe zeigen eine sehr gute Adhäsion sowohl auf metallischen Oberflächen als auch auf Kunststoffoberflächen. Allerdings ist bei einer Krafteinleitung in eine derartige Fügeverbindung das Risiko gegeben, dass bei hohen Kräften eine Delamination der Polymermatrix des faserverstärkten Kunststoffs von der obersten Faserlage stattfindet und damit die hohe Tragfähigkeit einer derartigen Faserverstärkung nicht zur Geltung kommt. Um das Problem einer möglichen Delamination zu umgehen, wird häufig auf mechanische Fügetechnologien zurückgegriffen. Hierbei kommen beispielweise Nieten oder Schrauben zum Einsatz. Diese sorgen für einen guten Kraft- bzw. Formschluss, jedoch können die Faserlagen des faserverstärkten Kunststoffs beschädigt werden. Weiterhin werden auftretende Kräfte punktuell in den faserverstärkten Kunststoff übertragen und dies kann zu Rissen bzw. ebenfalls zu Delaminationen im faserverstärkten Kunststoff führen.Thus, a technical joining of metals with fiber-reinforced plastics can be ensured, for example, by adhesive techniques. Correspondingly designed adhesives show a very good adhesion both on metallic surfaces and on plastic surfaces. However, when a force is introduced into such a joint connection there is the risk that at high forces a delamination of the polymer matrix of the fiber-reinforced plastic takes place from the uppermost fiber layer and thus the high load-bearing capacity of such a fiber reinforcement does not come into effect. To avoid the problem of possible delamination, mechanical joining technologies are often used. Here, for example, rivets or screws are used. These provide a good fit or form fit, however, the fiber layers of the fiber-reinforced plastic can be damaged. Furthermore, forces are selectively transferred to the fiber-reinforced plastic and this can lead to cracks or delaminations in the fiber-reinforced plastic.

Diese Problematik wird teilweise dadurch gelöst, dass bereits bei der Herstellung eines entsprechenden faserverstärkten Kunststoffs sogenannte Inserts, also metallische Elemente, die einer späteren Befestigung des faserverstärkten Kunststoffs an einem gegebenenfalls metallischen Bauteil dienen, in die faserverstärkten Kunststoffbauteile eingebracht werden. Im Anschluss können die Inserts ihrerseits dann mit einer Schraube oder einem anderen Befestigungsmittel verbunden werden und so die Verbindung zu einem gegebenenfalls metallischen weiteren Bauteil gewährleistet werden. Aus dem Stand der Technik sind auch Hybridverfahren bekannt, bei denen sowohl eine klebetechnische Verbindung als auch ein mechanisches Fügen eines Bauteils mit einem faserverstärkten Kunststoff vorgesehen ist.This problem is partially solved by introducing so-called inserts into the fiber-reinforced plastic components already in the production of a corresponding fiber-reinforced plastic, ie metallic elements which serve for later attachment of the fiber-reinforced plastic to an optionally metallic component. Subsequently, the inserts can in turn then be connected to a screw or other fastening means and so the connection to an optionally metallic further component can be ensured. Hybrid methods are also known from the prior art, in which both an adhesive connection and a mechanical joining of a component with a fiber-reinforced plastic is provided.

Aus dem Stand der Technik ist weiterhin aus der DE 10 2013 001 943 A1 eine Verbundbaugruppe bekannt, welche ein Organoblech und ein metallisches Blech umfasst. Das metallische Blech umfasst konvexe Vorsprünge, welche bei der Herstellung der Verbundbaugruppe in eine thermoplastische Matrix des Organoblechs eingedrückt werden. Dabei wird das metallische Blech in einem ersten Schritt erwärmt, wodurch die thermoplastische Matrix des Organoblechs lokal aufschmilzt. Die Vorsprünge des metallischen Blechs können beliebige Geometrie aufweisen, insbesondere sind Senklaschen sowie Hohlkegelstümpfe genannt.From the prior art is further from the DE 10 2013 001 943 A1 a composite assembly is known which comprises an organic sheet and a metallic sheet. The metal sheet comprises convex protrusions which are pressed into a thermoplastic matrix of the organic sheet in the manufacture of the composite assembly. In this case, the metallic sheet is heated in a first step, whereby the thermoplastic matrix of the organic sheet melts locally. The projections of the metallic sheet may have any geometry, in particular are called sink plates and hollow truncated cones.

Weiterhin sind aus der DE 10 2014 221 165 A1 , der DE 10 2013 013 497 A1 und der DE 10 2011 006 372 A1 weitere Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen aus einem Organoblech und beispielsweise einem metallischen Blech bekannt.Furthermore, from the DE 10 2014 221 165 A1 , of the DE 10 2013 013 497 A1 and the DE 10 2011 006 372 A1 Further methods for the production of composite components of an organic sheet and, for example, a metal sheet known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Verbundbauteil, ein Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche zur Verfügung gestellt.According to the invention, a composite component, a process for its production and its use with the characterizing features of the independent claims are provided.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Verbundbauteil bereitgestellt, das ein erstes Bauteil umfasst, welches oberflächlich an ein zweites Bauteil gefügt ist. Dabei ist das erste Bauteil zumindest teilweise aus einem faser- oder gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterial ausgeführt. Das erste Bauteil weist dabei eine erste Fügefläche auf und das zweite Bauteil eine zweite Fügefläche. Die erste Fügefläche ist aus einem faser- oder gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterial ausgeführt, und die zweite Fügefläche umfasst eine Vielzahl an Oberflächenvorsprüngen. Im gefügten Zustand dringen die Oberflächenvorsprünge der zweiten Fügefläche in das faser- bzw. gitterverstärkte thermoplastische Verbundmaterial ein und durchdringen die Faser- bzw. Gitterverstärkung des faser- bzw. gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials.According to the invention, a composite component is provided which comprises a first component which is superficially joined to a second component. In this case, the first component is at least partially made of a fiber or lattice-reinforced thermoplastic composite material. The first component has a first joining surface and the second component has a second joining surface. The first joining surface is made of a fiber or lattice reinforced thermoplastic composite material, and the second joining surface comprises a plurality of surface protrusions. In the joined state, the surface protrusions of the second joining surface penetrate into the fiber-reinforced or lattice-reinforced thermoplastic composite material and penetrate the fiber or lattice reinforcement of the fiber-reinforced or lattice-reinforced thermoplastic composite material.

Auf diese Weise kommt es zu einer vorteilhaft festen Verankerung der ersten Fügefläche auf der Oberfläche der zweiten Fügefläche, da durch das Eindringen der Oberflächenvorsprünge der zweiten Fügefläche in das faser- bzw. gitterverstärkte Verbundmaterial eine unlösbare und feste Verbindung beider Bauteile erfolgt.In this way, there is an advantageously fixed anchoring of the first joining surface on the surface of the second joining surface, as by the penetration of the surface protrusions of the second joining surface in the fiber or lattice-reinforced composite material an insoluble and firm connection of the two components takes place.

Da die Oberflächenvorsprünge der zweiten Fügefläche nicht nur in das Material des gitter- bzw. faserverstärkten Verbundmaterials eindringen, sondern zusätzlich die Faser- bzw. Gitterverstärkung des faser- bzw. gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials auch durchdringen, führt beispielweise eine Krafteinleitung über das zweite Bauteil in das Verbundbauteil nicht dazu, dass es im Bereich der Fügezone zu einer Delamination des thermoplastischen Materials des faser- bzw. gitterverstärkten Verbundmaterials von dessen Faser- bzw. Gitterverstärkung kommt, sondern die Kraft wird vom zweiten Bauteil direkt in die Faser- bzw. Gitterverstärkung des faser- bzw. gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials des ersten Bauteils geleitet. Auf diese Weise werden hoch stabile und dauerhafte Verbindungsflächen zwischen erstem und zweitem Bauteil erreicht.Since the surface protrusions of the second joining surface penetrate not only in the material of the lattice or fiber-reinforced composite material, but additionally the fiber or lattice reinforcement of the Fiber-reinforced or lattice-reinforced thermoplastic composite material also penetrate, for example, a force on the second component in the composite component does not cause it in the joining zone to delamination of the thermoplastic material of the fiber or lattice-reinforced composite material of the fiber or grid reinforcement but the force is transmitted from the second component directly into the fiber or grid reinforcement of the fiber or lattice reinforced thermoplastic composite material of the first component. In this way, highly stable and durable bonding surfaces between the first and second component are achieved.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.

So ist es von Vorteil, wenn die Oberflächenvorsprünge der zweiten Fügefläche eine Oberflächenstrukturierung aufweisen. Diese Oberflächenstrukturierung führt zu einer Vergrößerung der Oberfläche der Oberflächenvorsprünge und somit zu einer verbesserten Haftung des faser- bzw. gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials auf der Oberfläche der Oberflächenvorsprünge.Thus, it is advantageous if the surface projections of the second joining surface have a surface structuring. This surface structuring results in an increase in the surface area of the surface protrusions and thus in improved adhesion of the fiber-reinforced or lattice-reinforced thermoplastic composite material to the surface of the surface protrusions.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Oberflächenvorsprünge der zweiten Fügefläche bezogen auf die Oberfläche der zweiten Fügefläche mit einem Neigungswinkel von 30 bis 80 Grad angebracht sind. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Verbund aus erstem und zweitem Bauteil in einem späteren Betrieb beispielweise einer Scherbeanspruchung ausgesetzt ist. Werden die Oberflächenvorsprünge der zweiten Fügefläche entgegen der Richtung einer später im Betrieb auftretenden horizontalen Kraftbeanspruchung ausgerichtet, so erhöht dies die Stabilität der Fügeverbindung zwischen erster und zweiter Fügefläche gegenüber einer später im Betrieb des Verbundbauteils zu erwartenden Scherbeanspruchung deutlich.Furthermore, it is advantageous if the surface projections of the second joining surface are mounted with respect to the surface of the second joining surface with an inclination angle of 30 to 80 degrees. This is particularly advantageous when the composite of the first and second component is exposed in a later operation, for example, a shear stress. If the surface protrusions of the second joining surface are aligned counter to the direction of a horizontal force stress occurring later in operation, this significantly increases the stability of the joint connection between the first and second joining surfaces compared to a shear stress to be expected later in the operation of the composite component.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn das zweite Bauteil zumindest im Bereich der zweiten Fügefläche aus einem metallischen Werkstoff ausgeführt ist, da sich auf Basis einer metallischen Oberfläche auf einfache Weise entsprechende Oberflächenvorsprünge metallischer Art generieren lassen.Moreover, it is advantageous if the second component is made of a metallic material at least in the region of the second joining surface, since corresponding surface projections of a metallic type can be generated in a simple manner on the basis of a metallic surface.

Es ist jedoch auch von Vorteil, wenn das zweite Bauteil zumindest im Bereich der zweiten Fügefläche aus einem keramischen oder duroplastischen Werkstoff ausgeführt ist, da diese Werkstoffe eine hohe mechanische Stabilität zeigen und beispielweise auch in korrosiven Umgebungen eingesetzt werden können. However, it is also advantageous if the second component is designed at least in the region of the second joining surface of a ceramic or thermoset material, since these materials have a high mechanical stability and can be used, for example, in corrosive environments.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die zweite Fügefläche mit einer Oberflächenmikrostrukturierung versehen. Dies führt zu dem Vorteil, dass beim Fügen des ersten Bauteils an die Oberfläche des zweiten Bauteils eine besonders dichte, bspw. mediendichte Verbindung beider Bauteile entsteht, da es durch ein Eindringen der Themoplastmatrix bspw. der ersten Fügefläche bspw. in Hinterschnitte der zweiten Fügefläche zusätzlich zu einer mechanischen Verankerung und somit zu einer mechanischen Festigkeit der Verbindung über die Verankerung mittels der Vorsprünge hinaus kommt.According to a particularly advantageous embodiment of the present invention, the second joining surface is provided with a surface microstructure. This leads to the advantage that when joining the first component to the surface of the second component, a particularly dense, for example media-tight connection of both components is created, since it is additionally penetrated by an intrusion of the thermoplastic matrix, for example the first joining surface, for example in undercuts of the second joining surface resulting in a mechanical anchoring and thus to a mechanical strength of the connection on the anchorage by means of the projections addition.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils aus einem ersten und einem zweiten Bauteil bereitgestellt, wobei das erste Bauteil eine erste Fügefläche und das zweite Bauteil eine zweite Fügefläche aufweist. Dabei wird die erste Fügefläche aus einem faser- oder gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterial erzeugt, und die zweite Fügefläche mit Oberflächenvorsprüngen versehen. Die zweite Fügefläche wird auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Materials des faser- oder gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials erwärmt.Furthermore, a method for producing a composite component from a first and a second component is provided according to the invention, wherein the first component has a first joining surface and the second component has a second joining surface. In this case, the first joining surface is produced from a fiber-reinforced or grid-reinforced thermoplastic composite material, and the second joining surface is provided with surface protrusions. The second bonding surface is heated to a temperature above the melting temperature of the thermoplastic material of the fiber or grid reinforced thermoplastic composite material.

Danach wird die erste mit der zweiten Fügefläche verpresst, wobei die Oberflächenvorsprünge in das faser- oder gitterverstärkte thermoplastische Verbundmaterial eindringen. Dabei werden Faser- bzw. Gitterschichten des faser- oder gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials durchdrungen. Aufgrund der erhöhten Temperatur der Oberflächenvorsprünge erfolgt das Eindringen bzw. Durchdringen der ersten Fügefläche durch die Oberflächenvorsprünge der zweiten Fügefläche unter Aufschmelzen des thermoplastischen Materials des faser- oder gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials. Dies führt zum einen zu einem zerstörungsfreien Verbinden der beiden Fügeflächen miteinander und andererseits zu einem formschlüssigen Umschmelzen der eindringenden Oberflächenvorsprünge der zweiten Fügefläche durch das thermoplastische Material der ersten Fügefläche.Thereafter, the first is pressed with the second mating surface, wherein the surface protrusions penetrate into the fiber or lattice reinforced thermoplastic composite material. This fiber or grid layers of the fiber or lattice-reinforced thermoplastic composite material are penetrated. Due to the elevated temperature of the surface projections, the penetration or penetration of the first joining surface through the surface projections of the second joining surface takes place with melting of the thermoplastic material of the fiber or lattice-reinforced thermoplastic composite material. On the one hand, this leads to a non-destructive joining of the two joining surfaces with one another and, on the other hand, to a positive remelting of the penetrating surface protrusions of the second joining surface by the thermoplastic material of the first joining surface.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Erzeugung der Oberflächenvorsprünge der zweiten Fügefläche durch eine geeignete Laserbearbeitung erfolgt. Auf diese Weise lassen sich Oberflächenvorsprünge mit einer geeigneten Oberflächenstruktur auf einfache Weise darstellen.Furthermore, it is advantageous if the generation of the surface projections of the second joining surface takes place by means of a suitable laser processing. In this way, surface protrusions with a suitable surface structure can be displayed in a simple manner.

Das erfindungsgemäße Verbundbauteil lässt sich insbesondere vorteilhafterweise einsetzen für die Herstellung von Gehäuse von Batteriezellen, Batteriemodulen, die mehrere Batteriezellen enthalten, oder von Batteriepacks die ihrerseits eine Mehrzahl von Batteriemodulen umfassen. Diese Batterien finden beispielweise ihren Einsatz in mobilen Anwendungen wie beispielweise Elektro- oder Hybridfahrzeugen, bei portablen Vorrichtungen zur Datenverarbeitung oder Telekommunikation, in elektrischen Handwerkzeugen und Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern für elektrische Energie.The composite component according to the invention can be used particularly advantageously for the production of housings of battery cells, battery modules which contain a plurality of battery cells, or of battery packs which in turn comprise a plurality of battery modules. These batteries find, for example, their use in mobile applications such as electric or hybrid vehicles, in portable devices for data processing or telecommunications, in electric hand tools and kitchen appliances, as well as in stationary storage for electrical energy.

Figurenlistelist of figures

Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 die schematische Darstellung eines ersten und zweiten Bauteils vor der Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils aus erstem und zweitem Bauteil,
  • 2 beispielhafte Ausführungsformen einer Fügefläche des zweiten Bauteils,
  • 3 die schematische Darstellung eines Herstellungsschritts zur Erzeugung einer Fügefläche des zweiten Bauteils gemäß 2 und
  • 4 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils im fertig gestellten Zustand.
Advantageous embodiments of the present invention are illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description of the figures. It shows:
  • 1 1 is a schematic representation of a first and a second component before the production of a composite component according to the invention from the first and second component,
  • 2 exemplary embodiments of a joining surface of the second component,
  • 3 the schematic representation of a manufacturing step for producing a joining surface of the second component according to 2 and
  • 4 a schematic sectional view of a composite component according to the invention in the finished state.

In 1 sind ein erstes Bauteil 10 und ein zweites Bauteil 20 schematisch verdeutlicht, die zur Erzeugung eines Verbundbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung dienen. Das erste Bauteil 10 umfasst eine erste Fügefläche 12, die beispielweise aus einem faser- oder gitterbewehrten thermoplastischen Verbundmaterial ausgeführt ist. Es ist jedoch auch möglich, an die erste Fügefläche angrenzende Bereiche ebenfalls aus dem faser- bzw. gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterial auszuführen und darüber hinaus ist es möglich, das gesamte erste Bauteil aus diesem Material auszuführen.In 1 are a first component 10 and a second component 20 schematically illustrated, which serve to produce a composite component according to the present invention. The first component 10 includes a first joining surface 12 , which is made for example of a fiber or lattice-reinforced thermoplastic composite material. However, it is also possible to carry out regions adjacent to the first joining surface also from the fiber-reinforced or lattice-reinforced thermoplastic composite material and, moreover, it is possible to carry out the entire first component made from this material.

Das faser- bzw. gitterverstärkte thermoplastische Verbundmaterial enthält in der in 1 dargestellten Ausführungsform eine Faserverstärkung 14, die in Form einer Mehrzahl schichtweise bspw. in einer horizontalen Ebene um 45 oder 90 Grad zueinander gedrehter Fasern oder Faserbündel 16a - 16g, eingebettet in eine thermoplastische Polymermatrix 18 gebildet wird. Die Fasern bzw. Faserbündel können beispielweise als Endlosfasern ausgeführt werden und es kann sich dabei um Glasfasern handeln. Weiterhin geeignet sind auch Fasern aus Bornitrid oder aus Polyamid. Das thermoplastische Polymermaterial 18 kann beispielsweise PA66, PPS oder PBT sein.The fiber-reinforced or lattice-reinforced thermoplastic composite material includes in the in 1 illustrated embodiment, a fiber reinforcement 14 in the form of a plurality of layers, for example, in a horizontal plane by 45 or 90 degrees to each other rotated fibers or fiber bundles 16a - 16g embedded in a thermoplastic polymer matrix 18 is formed. The fibers or fiber bundles can be designed, for example, as continuous fibers and can be glass fibers. Also suitable are fibers made of boron nitride or polyamide. The thermoplastic polymer material 18 may be, for example, PA66, PPS or PBT.

Das zweite Bauteil 20 umfasst beispielweise eine zweite Fügefläche 22, die beispielweise als metallische Oberfläche ausgeführt ist. Darüber hinaus können auch an die zweite Fügefläche angrenzende Bereiche des zweiten Bauteils 20 oder das gesamte Bauteil 20 aus einem metallischen Material wie beispielsweise Aluminium, Stahl oder Kupfer ausgeführt sein.The second component 20 includes, for example, a second joining surface 22 , which is designed for example as a metallic surface. In addition, adjacent to the second joining surface areas of the second component 20 or the entire component 20 be made of a metallic material such as aluminum, steel or copper.

Alternativ kann die zweite Fügefläche auch aus einem keramischen Material wie beispielsweise Aluminiumoxid oder einem duroplastischen Material wie einem entsprechenden Epoxid ausgeführt sein.Alternatively, the second joining surface can also be made of a ceramic material such as alumina or a thermosetting material such as a corresponding epoxy.

Die zweite Fügefläche 22 weist eine Mikrostrukturierung 24 ihrer Oberfläche auf. Bei einer Mikrostrukturierung handelt es sich um künstlich erzeugte regelmäßige oder unregelmäßige Oberflächenerhebungen bzw. Vertiefungen die in einem Größenordnungsbereich zwischen 10 und 300 µm bewegen. Die Mikrostrukturierung 24 der zweiten Fügefläche 22 dient einer besseren Haftung der Fügeflächen 12, 22 im Rahmen eines später erfolgenden Fügeprozesses zur Ausbildung des erfindungsgemäßen Verbundbauteils. Darüber hinaus gewährleistet die die Mikrostrukturierung 24 eine ausgeprägte Mediendichtheit der Verbindung von erster und zweiter Fügefläche 12, 22 des späteren Verbundbauteils 100. Die Mikrostrukturierung 24 der zweiten Fügefläche 22 kann beispielweise auf chemischem Wege durch entsprechende Ätzverfahren oder auch durch Laserablation erfolgen.The second joining surface 22 has a microstructure 24 their surface. Microstructuring is artificially generated regular or irregular surface elevations or depressions that move in a size range between 10 and 300 μm. The microstructuring 24 the second joining surface 22 serves a better adhesion of the joining surfaces 12 . 22 as part of a later joining process for the formation of the composite component according to the invention. In addition, the microstructuring ensures 24 a pronounced media tightness of the connection of the first and second joining surfaces 12 . 22 the later composite component 100 , The microstructuring 24 the second joining surface 22 can be done for example by chemical means by appropriate etching or by laser ablation.

Weiterhin umfasst die zweite Fügefläche 22 eine Mehrzahl oder Vielzahl von Oberflächenvorsprüngen 26. Diese weisen eine Höhe auf, die ausreichend ist, dass die Oberflächenvorsprünge 26 im Rahmen eines späteren Fügeprozesses so weit in die erste Fügefläche 12 eindringen können, dass die Oberflächenvorsprünge 26 mindestens eine Faserstruktur 16a - 16g der ersten Fügefläche 12 durchdringen. Vorzugsweise ist die Höhe der Oberflächenvorsprünge 26 derart dimensioniert, dass die Oberflächenvorsprünge 26 die gesamte Faser- bzw. Gitterverstärkung 14 der ersten Fügefläche 12 durchdringen.Furthermore, the second joining surface comprises 22 a plurality or plurality of surface protrusions 26 , These have a height that is sufficient that the surface protrusions 26 in the context of a later joining process so far into the first joining surface 12 can penetrate that surface protrusions 26 at least one fiber structure 16a - 16g the first joining surface 12 penetrate. Preferably, the height of the surface protrusions 26 dimensioned such that the surface protrusions 26 the entire fiber or grid reinforcement 14 the first joining surface 12 penetrate.

Die Oberflächenvorsprünge 26 werden beispielsweise durch einen Laserbearbeitungsprozess erzeugt und können neben einer klassisch zylindrischen Form auch die in 2 dargestellten Ausgestaltungen annehmen.The surface protrusions 26 are produced, for example, by a laser processing process and, in addition to a classically cylindrical shape, also the in 2 assume accepted embodiments.

In 2 sind unterschiedliche Ausgestaltungen 26a - 26e von Oberflächenvorsprüngen 26 dargestellt, die beispielsweise durch Laserbearbeitung oder Laseraufschweißung metallischen Materials auf beispielweise eine metallische zweite Fügefläche 22 erfolgt. Bei Verwendung keramischer Materialien für die Fügefläche 22 erfolgt die Erzeugung der Oberflächenvorsprünge 26 beispielweise durch Keramikspritzguss und bei duroplastischen Materialien als Grundlage für die zweite Fügefläche 22 durch einen entsprechenden Spritzgussprozess.In 2 are different configurations 26a - 26e of surface protrusions 26 represented, for example, by laser machining or Laseraufschweißung metallic material on, for example, a metallic second joining surface 22 he follows. When using ceramic materials for the joining surface 22 the production of surface protrusions occurs 26 For example, by ceramic injection molding and duroplastic materials as a basis for the second joint surface 22 through a corresponding injection molding process.

Gegenüber der bereits in 1 gezeigten zylindrischen Form eines Oberflächenvorsprungs 26a mit vertikaler Ausrichtung ist beispielsweise ein Oberflächenvorsprung 26b gemäß einer ersten Alternative in einer geneigten Form ausgebildet. Diese weicht von der vertikalen Ausrichtung der Oberflächenvorsprünge 26 ab und schließt mit der Oberfläche der zweiten Fügefläche 22 beispielsweise einen Neigungswinkel zwischen 30 und 80 Grad ein. Opposite the already in 1 shown cylindrical shape of a surface projection 26a with vertical alignment, for example, a surface projection 26b formed according to a first alternative in an inclined shape. This deviates from the vertical orientation of the surface protrusions 26 off and closes with the surface of the second joint surface 22 For example, an angle of inclination between 30 and 80 degrees.

Dabei können eine Mehrzahl von Oberflächenvorsprüngen 26b parallel zueinander angeordnet sein und somit die gleiche Neigungsrichtung aufweisen, die Neigungsrichtung sowie auch die Neigungswinkel der Oberflächenvorsprünge 26b können jedoch voneinander auch abweichen. Insbesondere dann, wenn bei einem späteren Einsatz eines aus dem ersten und zweiten Bauteil 10, 20 erzeugten Verbundbauteils eine Kraftbeanspruchung auf den Verbund aus erster und zweiter Fügefläche 12, 22 aus mehr als einer horizontalen Richtung zu erwarten ist, empfiehlt es sich für jede zu erwartende Krafteinwirkungsrichtung eine eigene Mehrzahl an Oberflächenvorsprüngen 26b bereitzustellen, deren Neigungsrichtung entgegen der Wirkrichtung einer später einwirkenden Kraft gerichtet ist. Somit entstehen zwei oder auch mehr Gruppen an Oberflächenvorsprüngen 26b, die jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei jede Gruppe an Oberflächenvorsprüngen 26b eine eigene Neigungsrichtung aufweist.In this case, a plurality of surface protrusions 26b be arranged parallel to each other and thus have the same direction of inclination, the direction of inclination and the inclination angle of the surface protrusions 26b however, they may differ from each other. In particular, if in a later use of one of the first and second component 10 . 20 produced composite component a force on the composite of first and second joining surface 12 . 22 is expected from more than one horizontal direction, it is recommended for each expected direction of force a separate plurality of surface protrusions 26b to provide, the direction of inclination is directed against the direction of action of a later acting force. This results in two or more groups of surface protrusions 26b each aligned parallel to each other, each group of surface protrusions 26b has its own inclination direction.

In 2 sind als weitere Alternativen Oberflächenvorsprünge 26c, 26d dargestellt, die einen oder mehrere Hinterschnitte in Form von kugelförmigen Verdickungen aufweisen, die nach einem Fügen von erster und zweiter Fügefläche 12, 22 zu einer verbesserten Haftung der Oberflächenvorsprünge 26c, 26d im faser- bzw. gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterial der ersten Fügefläche 12 führen. Eine Variante dieser Form von Oberflächenvorsprüngen ist in 2 in Form eines Oberflächenvorsprungs 26e gezeigt, der wiederhakenförmige Umfangserweiterungen zeigt und somit zu einer weiter verbesserten Haftung des Oberflächenvorsprungs 26e im Material der ersten Fügefläche 12 zeigt. Grundsätzlich ist es möglich, zwei oder mehrere der in 2 gezeigten Ausführungsformen eines Oberflächenvorsprungs 26 für die Ausgestaltung der zweiten Fügefläche 22 heranzuziehen.In 2 are as further alternatives surface protrusions 26c . 26d represented, which have one or more undercuts in the form of spherical thickenings, after joining of first and second joining surface 12 . 22 to an improved adhesion of the surface protrusions 26c . 26d in the fiber or lattice-reinforced thermoplastic composite material of the first joining surface 12 to lead. A variant of this form of surface protrusions is in 2 in the form of a surface projection 26e which shows re-hook-shaped circumferential extensions and thus to a further improved adhesion of the surface projection 26e in the material of the first joining surface 12 shows. Basically, it is possible to have two or more of the 2 shown embodiments of a surface projection 26 for the design of the second joining surface 22 consulted.

In 3 ist schematisch ein Laserbearbeitungsprozess einer zweiten Fügefläche 22 gezeigt, die beispielweise aus metallischem Material ausgeführt ist. Dabei wird die zweite Fügefläche 22 beispielsweise von einem Laser 30 in einer durch den Pfeil 32 verdeutlichten Richtung überfahren, gleichzeitig wird die Oberfläche der zweiten Fügefläche 22 durch Laserstrahlung 34 bearbeitet. Dabei wird beispielweise die Laserstrahlung 34 so fokussiert, dass es zwar zu einer Bearbeitung der Oberfläche der zweiten Fügefläche 22 kommt, jedoch gleichzeitig eine Bearbeitung der Spitzen der Oberflächenvorsprünge 26 unterbleibt. Auf diese Weise kann beispielweise eine Mikrostrukturierung der zweiten Fügefläche 22 vorgenommen werden.In 3 schematically is a laser processing process of a second joining surface 22 shown, which is for example made of metallic material. This is the second joining surface 22 for example, from a laser 30 in one by the arrow 32 cleared direction run over, at the same time the surface of the second joining surface 22 by laser radiation 34 processed. In this case, for example, the laser radiation 34 so focused that it is indeed to a processing of the surface of the second joining surface 22 comes, but at the same time a processing of the tips of the surface protrusions 26 omitted. In this way, for example, a microstructuring of the second joining surface 22 be made.

In 4 ist ein Verbundbauteil 100 umfassend ein erstes und ein zweites Bauteil 10, 20 dargestellt, wobei eine erste Fügefläche 12 des ersten Bauteils 10 an eine zweite Fügefläche 22 des zweiten Bauteils 20 gefügt ist. Erkennbar ist, dass Oberflächenvorsprünge 26 in das thermoplastische Material des faser- bzw. gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials der ersten Fügefläche 12 eingedrungen sind und dabei eine Mehrzahl von Faserstrukturen 16a, 16b, 16c, 16d, 16d, 16f durchdrungen haben.In 4 is a composite component 100 comprising a first and a second component 10 . 20 shown, wherein a first joining surface 12 of the first component 10 to a second joint surface 22 of the second component 20 is added. Visible is that surface protrusions 26 in the thermoplastic material of the fiber or lattice-reinforced thermoplastic composite material of the first joining surface 12 have penetrated while a plurality of fiber structures 16a . 16b . 16c . 16d . 16d . 16f have penetrated.

Dabei ist es möglich, dass die Oberflächenerhebung 26 lediglich eine Faserstruktur oder auch eine Mehrzahl vorhandener Faserstrukturen oder alle Faserstrukturen 16a - 16g der ersten Fügefläche 12 durchdringt. Weiterhin ist es durch Verwendung von Oberflächenvorsprüngen 26 unterschiedlicher Höhe möglich, mittels Oberflächenvorsprüngen 26 kleinerer Längserstreckung nur einige der Faserstrukturen 16a - 16g der ersten Fügefläche 12 zu durchstoßen und durch zweite Oberflächenvorsprünge 26 größerer Längserstreckung eine Mehrzahl oder alle Faserstrukturen 16a - 16g der ersten Fügefläche 12.It is possible that the surface elevation 26 only one fiber structure or a plurality of existing fiber structures or all fiber structures 16a - 16g the first joining surface 12 penetrates. Furthermore, it is by using surface protrusions 26 different height possible by means of surface protrusions 26 smaller longitudinal extent only some of the fiber structures 16a - 16g the first joining surface 12 to pierce and through second surface protrusions 26 greater longitudinal extent a plurality or all fiber structures 16a - 16g the first joining surface 12 ,

Alternativ kann die Faserstruktur 16a - 16g auch durch eine oder mehrere Gitterstrukturen ersetzt werden. Dabei kann es sich beispielweise um ein duroplastisches Polymergitter oder auch durch thermoplastische Polymergitter handeln, wobei das polymere Material des thermoplastischen Polymergitters einen höheren Schmelzpunkt aufweist als das thermoplastische Material 18 des Materials der ersten Fügefläche 12. Als faserverstärktes thermoplastisches Verbundmaterial können beispielsweise sogenannte Organobleche herangezogen werden.Alternatively, the fiber structure 16a - 16g be replaced by one or more grid structures. This may be, for example, a thermosetting polymer grid or by thermoplastic polymer lattice, wherein the polymeric material of the thermoplastic polymer lattice has a higher melting point than the thermoplastic material 18 of the material of the first joining surface 12 , As a fiber-reinforced thermoplastic composite material, for example, so-called organic sheets can be used.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (15)

Verbundbauteil umfassend ein erstes Bauteil (10) aus einem faser- oder gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterial und ein zweites Bauteil (20), wobei das erste Bauteil (10) eine erste Fügefläche (12) aufweist, und das zweite Bauteil (20) eine zweite Fügefläche (22), und wobei das erste Bauteil (10) und das zweite Bauteil (20) über die erste und die zweite Fügefläche (12, 22) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fügefläche (22) Oberflächenvorsprünge (26, 26a - 26g) aufweist, die in das faser- oder gitterverstärkte thermoplastische Verbundmaterial eingreifen, und die Faser- oder Gitterverstärkung (16a - 16g) des faser- oder gitterverstärkten Verbundmaterials durchdringt.Composite component comprising a first component (10) of a fiber or lattice-reinforced thermoplastic composite material and a second component (20), wherein the first component (10) has a first joining surface (12), and the second component (20) has a second joining surface (12). 22), and wherein the first component (10) and the second component (20) are connected to one another via the first and the second joining surface (12, 22), characterized in that the second joining surface (22) has surface projections (26, 26a). 26g) which engage the fiber or lattice reinforced thermoplastic composite material and penetrate the fiber or lattice reinforcement (16a-16g) of the fiber or lattice reinforced composite material. Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenvorsprünge (26) eine strukturierte Oberfläche aufweisen.Composite component after Claim 1 , characterized in that the surface protrusions (26) have a textured surface. Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberflächenvorsprünge (26) bezogen auf die Oberfläche der zweiten Fügefläche (22) einen Neigungswinkel von 30 bis 80 Grad aufweisen.Composite component according to one of Claims 1 and 2 , characterized in that at least a part of the surface protrusions (26) with respect to the surface of the second joining surface (22) have an inclination angle of 30 to 80 degrees. Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenvorsprünge (26) parallel zueinander ausgerichtet sind.Composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the surface projections (26) are aligned parallel to one another. Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (20) zumindest in dem Bereich der zweiten Fügefläche (22) aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist.Composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the second component (20) is made of a metallic material at least in the region of the second joining surface (22). Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (20) zumindest im Bereich der zweiten Fügefläche (22) aus einem keramischen oder einem duroplastischen Werkstoff gefertigt ist.Composite component according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the second component (20) is made of a ceramic or a thermosetting material at least in the region of the second joining surface (22). Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fügefläche (22) eine Oberflächenmikrostrukturierung (24) aufweist.Composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the second joining surface (22) has a surface microstructure (24). Verbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung des faserverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials mit einem Winkel von 45 bis 90 Grad zueinander gedrehte Fasereinlagen (16a - 16g) umfasst.Composite component according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber reinforcement of the fiber-reinforced thermoplastic composite material at an angle of 45 to 90 degrees to each other rotated fiber inserts (16a - 16g). Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Bauteil (10) mit einer ersten Fügefläche (12) aus einem faser- oder gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterial bereitgestellt wird, und das ein zweites Bauteil (20) mit einer zweiten Fügefläche (22) zur Verfügung gestellt wird, das auf der Oberfläche der zweiten Fügefläche (22) Oberflächenvorsprünge (26) erzeugt werden, dass die zweite Fügefläche (22) auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Materials des faser- oder gitterverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffs gebracht wird, und dass die erste und die zweite Fügefläche (12, 22) gegeneinander gedrückt werden, derart dass die Oberflächenvorsprünge (26) der zweiten Fügefläche (22) in das faser- oder gitterverstärkte thermoplastische Verbundmaterial der ersten Fügefläche (12) eindringen und dabei eine Faser- oder Gitterverstärkung (16a - 16g) des faser- oder gitterverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffs durchdringt.A method for producing a composite component according to any one of the preceding claims, characterized in that a first component (10) is provided with a first joining surface (12) of a fiber or lattice-reinforced thermoplastic composite material, and a second component (20) with a second Joining surface (22) is provided on the surface of the second joining surface (22) surface protrusions (26) are generated, that the second joining surface (22) brought to a temperature above the melting temperature of the thermoplastic material of the fiber or lattice reinforced thermoplastic composite material is pressed, and that the first and the second joining surface (12, 22) are pressed against each other, such that the surface protrusions (26) of the second joining surface (22) penetrate into the fiber or lattice-reinforced thermoplastic composite material of the first joining surface (12) Fiber or grid reinforcement (16a - 16g) of the fiber or lattice reinforced thermoplastic composite penetrates. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenvorsprünge (26) auf der zweiten Fügefläche (22) durch eine Laserbearbeitung erzeugt werden.Method according to Claim 9 characterized in that the surface protrusions (26) on the second joining surface (22) are produced by a laser machining. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fügefläche (22) zusätzlich insbesondere durch eine Laserbearbeitung strukturiert, insbesondere mikrostrukturiert wird.Method according to Claim 9 or 10 , characterized in that the second joining surface (22) is additionally structured, in particular microstructured, in particular by laser processing. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenvorsprünge (26) auf der zweiten Fügefläche (22) die Faser- oder Gitterverstärkung zu mindestens 50% durchdringen.Method according to one of Claims 9 to 11 , characterized in that the surface projections (26) on the second joining surface (22) penetrate the fiber or grid reinforcement to at least 50%. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung (16a - 16g) des faserverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials ein Fasergewebe ist.Method according to one of Claims 9 to 12 , characterized in that the fiber reinforcement (16a - 16g) of the fiber reinforced thermoplastic composite material is a fiber fabric. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterverstärkung der gitterverstärkten thermoplastischen Verbundmaterials ein polymeres, insbesondere duroplastisches Gitternetz darstellt.Method according to one of Claims 9 to 13 , characterized in that the grid reinforcement of the grid-reinforced thermoplastic composite material is a polymeric, in particular thermosetting grid. Verwendung eines Verbundbauteils gemäße einem der Ansprüche 1 bis 8 in Gehäusen für Batteriezellen, Batteriemodule oder Batteriepacks.Use of a composite component according to one of Claims 1 to 8th in housings for battery cells, battery modules or battery packs.
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