DE102017212576A1 - Connection of a metallic component and a plastic component - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung eines metallischen Bauteils (110) und eines Kunststoff-Bauteils (112), ein gemäß diesem Verfahren erhältliches Verbundteil sowie dessen Verwendung. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:a) Bereitstellen eines metallischen Bauteils (110);b) Bereitstellen eines Kunststoff-Bauteils (112), welches eine Aussparung (118) aufweist, wobei sich ein metallisches Verbindungselement (120), welches eine Vertiefung (122) zur Aufnahme einer Elektrode (124) aufweist, in der Aussparung (118) befindet;c) Einbringen der Elektrode (124) in die Vertiefung (122) des Verbindungselements (120) derart, dass die Elektrode (124) und das Verbindungselement (120) in Kontakt treten;d) Aufeinanderpressen des metallischen Bauteils (110) und des Verbindungselements (120); unde) Beaufschlagen des metallischen Bauteils (110) und des Verbindungselements (120) mittels eines elektrischen Stroms derart, dass mittels des Verbindungselements (120) eine Verbindung des metallischen Bauteils (110) und des Kunststoff-Bauteils (112) an einer Verbindungsfläche (130) erfolgt.Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Einsatz bei der Herstellung von Metall-Kunststoff-Hybriden aus der Verbindung von faserverstärkten Kunststoffen und Blechen oder Gussteilen. Verwendungen für das Verbundteil finden sich insbesondere im Fahrzeug-, Flugzeug-, oder Schiffsbau oder bei der Herstellung von elektrischen Geräten.The present invention relates to a method for connecting a metallic component (110) and a plastic component (112), a composite part obtainable according to this method and its use. The method comprises the following steps: a) providing a metallic component (110) b) providing a plastic component (112) which has a recess (118), wherein a metallic connecting element (120) having a recess (122) c) inserting the electrode (124) into the recess (122) of the connecting element (120) in such a way that the electrode (124) and the connecting element (120) are inserted into the recess (118). d) pressing together the metallic component (110) and the connecting element (120); unde) applying to the metallic component (110) and the connecting element (120) by means of an electric current such that by means of the connecting element (120) a connection of the metallic component (110) and the plastic component (112) to a connecting surface (130). The method is particularly suitable for use in the production of metal-plastic hybrids from the combination of fiber-reinforced plastics and sheets or castings. Uses for the composite part can be found in particular in vehicle, aircraft or shipbuilding or in the manufacture of electrical equipment.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung eines metallischen Bauteils und eines Kunststoff-Bauteils, ein gemäß diesem Verfahren erhältliches Verbundteil sowie dessen Verwendung. Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Einsatz bei der Herstellung von Metall-Kunststoff-Hybriden aus der Verbindung von faserverstärkten Kunststoffen und Blechen oder Gussteilen. Verwendungen für das Verbundteil finden sich insbesondere im Fahrzeug-, Flugzeug-, oder Schiffsbau oder bei der Herstellung von elektrischen Geräten.The present invention relates to a method for joining a metallic component and a plastic component, a composite part obtainable according to this method and its use. The method is particularly suitable for use in the production of metal-plastic hybrids from the combination of fiber-reinforced plastics and sheets or castings. Uses for the composite part can be found in particular in vehicle, aircraft or shipbuilding or in the manufacture of electrical equipment.
Stand der TechnikState of the art
Unter der Bezeichnung „Multimaterialleichtbau“ werden im Fahrzeugbau zunehmend Kombinationen aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen verwendet. Neben inzwischen häufiger eingesetzter Aluminium-Stahl-Mischbauweise, werden auch tragende und/oder sicherheitsrelevante Teile einer Karosserie aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt. In diesem Zusammenhang gewinnt die Kombination aus faserverstärkten Kunststoffen und Metallteilen erheblich an Bedeutung.Under the name "multi-material lightweight construction", combinations of very different materials are increasingly used in vehicle construction. In addition to aluminum-steel composite construction, which is now being used more frequently, load-bearing and / or safety-relevant parts of a body are also manufactured from fiber-reinforced plastics. In this context, the combination of fiber-reinforced plastics and metal parts is becoming increasingly important.
Bei der Herstellung von Metall-Kunststoff-Hybriden wird zwischen einer während des Spritzgießverfahrens (engl. In-Mould Assembly) und einer nach Ablauf des Spritzgießverfahrens (engl. Post-Mould Assembly) vorgenommenen Verbindung zwischen einem metallischen Bauteil und einem Kunststoff-Bauteil unterschieden. Bei der während des Spritzgießverfahrens erfolgenden Verbindung wird ein metallisches Bauteil in eine Kunststoff-Spritzguss-Form eingelegt, wobei das metallische Bauteil und das Kunststoff-Bauteil mittels des Spritzgießverfahrens formschlüssig und ggf. stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Bei der nach Ablauf des Spritzgießverfahrens erfolgenden Verbindung werden das metallische Bauteil und das Kunststoff-Bauteil erst nach ihrer Formgebung miteinander verbunden, wozu vorzugsweise ein Verfahren ausgewählt aus Kleben, Heißnieten oder Kragenfügen, eingesetzt wird.In the production of metal-plastic hybrids, a distinction is made between a metal component and a plastic component made during the injection molding process (in-mold assembly) and after the end of the injection molding process (post-mold assembly). In the connection which takes place during the injection molding process, a metallic component is inserted into a plastic injection-molded form, wherein the metallic component and the plastic component are connected to one another in a form-fitting manner and, if necessary, materially by means of the injection molding process. In the connection which takes place after the injection molding process has ended, the metallic component and the plastic component are joined together only after they have been shaped, for which purpose a method selected from bonding, hot riveting or collar joining is preferably used.
Diese Verfahren weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Die beim Kleben erforderliche Zeitdauer zum Aushärten des Verbundteils erweist sich für Montageprozesse im Karosseriebau in der Regel als zu lange. Darüber hinaus ist die Festigkeit von Klebstoffen derart eingeschränkt, dass Klebeverbindungen bereits bei geringer Schallbeanspruchung versagen können.However, these methods have a number of disadvantages. The time required for bonding to cure the composite part proves to be too long for assembly processes in the body shop usually. In addition, the strength of adhesives is so limited that adhesive bonds can fail even at low acoustic stress.
Das Heißnieten eignet sich in der Praxis nur für thermoplastische Kunststoffe, welche faserfrei sind oder höchstens über einen geringen Anteil an Fasern verfügen. Weiterhin kann das Heißnieten aufgrund einer im Üblichen geringen Wärmeleitfähigkeit des eingesetzten Kunststoffs im Allgemeinen nur sehr langsam erfolgen und erfordert darüber hinaus ein Überstehen des Kunststoffs über das metallische Bauteil hinaus. Nachteilig hieran ist, dass dadurch ein Einsatz des Verbundteils im Sichtbereich beschränkt oder verhindert werden kann.In practice, hot riveting is only suitable for thermoplastics which are fiber-free or at most have a small proportion of fibers. Furthermore, the hot riveting can generally take place only very slowly due to the usually low thermal conductivity of the plastic used, and moreover requires the plastic to protrude beyond the metallic component. The disadvantage of this is that thereby use of the composite part in the field of view can be limited or prevented.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Vor dem dargestellten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Verbindung eines metallischen Bauteils und eines Kunststoff-Bauteils, ein gemäß diesem Verfahren erhältliches Verbundteil sowie dessen Verwendung bereitstellen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile und Einschränkungen zumindest teilweise überwinden.Prior to the illustrated prior art, the object of the present invention is to provide a method for joining a metallic component and a plastic component, a composite part obtainable according to this method and its use, which at least provide the disadvantages and limitations known from the prior art partially overcome.
Hierzu soll ein Verfahren zur Verbindung eines metallischen Bauteils und eines Kunststoff-Bauteils vorgeschlagen werden, das es ermöglicht, Kunststoffe, insbesondere faserverstärkte Kunststoffe, mit geringem Aufwand, schnell und hochfest mit metallischen Bauteilen, insbesondere mit Blechen aus Aluminium und/oder Stahl oder mit Gussteilen, die mittels Aluminiumdruckguss erhältlich sind, miteinander zu verbinden.For this purpose, a method for connecting a metallic component and a plastic component is proposed, which allows plastics, especially fiber reinforced plastics, with little effort, fast and high strength with metallic components, especially with sheets of aluminum and / or steel or castings , which are available by means of die-cast aluminum to connect with each other.
Die hierdurch erhältliche Verbindung soll darüber hinaus möglichst leicht, steif und einseitig eben ausgestaltet sein, für einen Einsatz im Sichtbereich geeignet sein und darüber hinaus auch bei einseitiger Zugänglichkeit montierbar sein. In addition, the connection obtainable as a result should be designed to be as light, stiff and unilateral as possible, suitable for use in the field of vision, and moreover also be mountable with one-sided accessibility.
Das hierdurch erhältliche Verbundteil soll weiterhin bedingt lösbar ausgestaltet sein, um im Bedarfsfall, etwa bei einer Reparatur, eine Lösung des metallischen Bauteils und des Kunststoff-Bauteils voneinander ohne Zerstörung der einzelnen Bauteile zu ermöglichen.The composite part obtainable as a result should continue to be designed to be releasably detachable in order, if necessary, such as in a repair, to allow a solution of the metallic component and the plastic component from each other without destroying the individual components.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Verbindung eines metallischen Bauteils und eines Kunststoff-Bauteils, ein gemäß diesem Verfahren erhältliches Verbundteil sowie dessen Verwendung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.This object is achieved by a method for connecting a metallic component and a plastic component, a composite part obtainable according to this method and its use with the features of the independent patent claims. Advantageous embodiments can be found in the dependent claims.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbindung eines metallischen Bauteils und eines Kunststoff-Bauteils. Dieses Verfahren dient dazu, um das metallische Bauteil und das Kunststoff-Bauteil fest miteinander zu verbinden, wobei jedoch eine unten näher beschriebene bedingte Lösbarkeit gegeben ist. Der Begriff der „Verbindung“ der beiden Teile bezeichnet somit eine Herstellung eines Verbundteils, welches die beiden Teile umfasst und das als integriertes Bauteil behandelt werden kann, wobei die Verbindung mechanisch derart stabil und fest ist, dass sich die beiden Teile aus dem Verbundteil nur unter lokal begrenzter Entfernung eines die Verbindung erzeugenden Verbundelements, insbesondere durch Ausbohren oder Zerspanen, wieder vereinzeln lassen.In a first aspect, the present invention relates to a method for connecting a metallic component and a plastic component. This method serves to firmly connect the metallic component and the plastic component, but with a conditional solubility described in more detail below. The term "connection" of the two parts thus refers to a production of a composite part which comprises the two parts and which can be treated as an integrated component, wherein the connection is mechanically stable and strong so that the two parts of the composite part only under localized removal of a compound generating composite element, in particular by drilling or chipping, again isolate.
Das vorliegende Verfahren umfasst die im Folgenden beschriebenen Schritte a) bis e). Hierbei können die Schritte a) bis c) in der angegebenen oder einer anderen Reihenfolge und, vorzugsweise, zumindest auch teilweise gleichzeitig durchgeführt werden, während die Schritte d) und e) nacheinander oder, bevorzugt, zumindest auch teilweise gleichzeitig solange durchgeführt werden können, bis das gewünschte Verbundteil erhalten wurde. Die einzelnen Schritte sind:
- a) Bereitstellen eines metallischen Bauteils;
- b) Bereitstellen eines Kunststoff-Bauteils, welches mindestens eine Aussparung aufweist, wobei sich ein metallisches Verbindungselement, welches eine Vertiefung zur Aufnahme einer Elektrode aufweist, in der Aussparung befindet;
- c) Einbringen der Elektrode in die Vertiefung des Verbindungselements derart, dass die Elektrode und das Verbindungselement in Kontakt treten;
- d) Aufeinanderpressen des metallischen Bauteils und des Verbindungselements; und
- e) Beaufschlagen des metallischen Bauteils und des Verbindungselements mittels eines elektrischen Stroms derart, dass mittels des Verbindungselements eine Verbindung des metallischen Bauteils und des Kunststoff-Bauteils an einer Verbindungsfläche erfolgt.
- a) providing a metallic component;
- b) providing a plastic component having at least one recess, wherein a metallic connecting element, which has a recess for receiving an electrode, is located in the recess;
- c) inserting the electrode into the recess of the connecting element such that the electrode and the connecting element come into contact;
- d) pressing together the metallic component and the connecting element; and
- e) acting on the metallic component and the connecting element by means of an electrical current such that by means of the connecting element, a connection of the metallic component and the plastic component takes place at a connecting surface.
Gemäß Schritt a) des vorliegenden Verfahrens wird ein metallisches Bauteil bereitgestellt. Hierbei bezeichnet der Begriff des „metallischen Bauteils“ einen einteiligen oder mehrteiligen ausgedehnten Gegenstand, welcher in seiner Gesamtheit oder wenigstens auf einer für die Herstellung der Verbindung vorgesehenen Oberfläche, die auch als „Verbindungsfläche“ bezeichnet wird, zu dem Kunststoff-Bauteil einen metallischen Werkstoff aufweist, welcher jedoch ganz oder teilweise mit einer Beschichtung, insbesondere einer Lackierung, versehen sein kann. Der metallische Werkstoff umfasst hierbei grundsätzlich ein beliebiges Metall oder eine beliebige metallische Legierung, wobei das Metall oder die Legierung sowohl im Hinblick auf den gewählten Werkstoff als auch auf dessen Schichtdicke sowohl eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und damit eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit als auch eine ausreichende Stromtragfähigkeit besitzt, um so eine ausreichende Erwärmung des metallischen Bauteils für eine Anwendung eines Widerstandsschweißens, eines Lichtbogenschweißens oder eines Lötvorgangs unter Beteiligung des metallischen Bauteils zu ermöglichen.According to step a) of the present method, a metallic component is provided. Here, the term "metallic component" refers to a one-piece or multi-part expanded article, which in its entirety or at least on a provided for the preparation of the compound surface, which is also referred to as a "connection surface" to the plastic component comprises a metallic material which, however, may be wholly or partially provided with a coating, in particular a coating. The metallic material in this case basically comprises any metal or any desired metallic alloy, the metal or the alloy having both a sufficient electrical conductivity and thus a sufficient thermal conductivity and a sufficient current carrying capacity, both with regard to the selected material and its layer thickness, so as to allow a sufficient heating of the metallic component for an application of a resistance welding, arc welding or a soldering process involving the metallic component.
Die Oberfläche des metallischen Bauteils ist hierzu derart ausgestaltet, dass sie zumindest eine Fläche aufweist, welche zur Aufnahme des für die Verbindung vorgesehenen Kunststoff-Bauteils geeignet ist. Insbesondere kann es sich bei den Oberflächen sowohl des metallischen Bauteils als auch des Kunststoff-Bauteils um weitgehend planare Flächen handeln, die sich an mindestens der Verbindungsfläche auf einfache Weise aneinanderlegen lassen. Andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich; insbesondere Oberflächen, die eine zueinander ausgerichtete Passform aufweisen.For this purpose, the surface of the metallic component is designed such that it has at least one surface which is suitable for receiving the plastic component provided for the connection. In particular, the surfaces of both the metallic component and the plastic component can be largely planar surfaces that can be placed against each other in a simple manner at least on the connection surface. Other embodiments are possible, however; in particular surfaces which have an aligned fit.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann es sich bei dem metallischen Bauteil um ein Blech handeln, dessen Werkstoff vorzugsweise Aluminium oder Stahl umfasst. Der Begriff des „Blechs“ betrifft hierbei eine Ausgestaltung des metallischen Bauteils in Form eines Gegenstands, dessen Dicke sehr viel geringer ist als dessen Länge und Breite, bevorzugt um mindestens einen Faktor 10, wobei das Blech nach seiner Herstellung einem weiteren, aufgrund seiner geringen Dicke in der Regel einfach durchzuführenden dreidimensionalen Formgebungsprozess unterworfen sein kann. In einer alternativen Ausgestaltung kann das metallische Bauteil in Form eines Gussteils vorliegen, das insbesondere mit Aluminiumdruckguss herstellbar ist. Der Begriff des Gussteils bezieht sich auf ein metallisches Formteil dessen Geometrie durch die Erstarrung einer Schmelze in einer Form gegeben ist. Andere Ausgestaltungen des metallischen Bauteils sind jedoch denkbar.In a preferred embodiment, the metallic component may be a sheet whose material preferably comprises aluminum or steel. The term "sheet" in this case relates to an embodiment of the metallic component in the form of an article whose thickness is much smaller than its length and width, preferably by at least a factor of 10, the sheet after its production another, due to its small thickness usually easy to be performed three-dimensional shaping process may be subject. In an alternative embodiment, the metallic component in the form of a Casting available, which is produced in particular with die-cast aluminum. The term casting refers to a metallic molding whose geometry is given by the solidification of a melt in a mold. However, other embodiments of the metallic component are conceivable.
Das metallische Bauteil, insbesondere das Blech, kann auf mindestens einer Seite, d.h. einseitig oder beidseitig oder, je nach Ausgestaltung des metallischen Bauteils, auch mehrseitig, mit einer Beschichtung, insbesondere mit mindestens einer Lackschicht oder einem Korrosionsschutzschicht, versehen sein. Diese Art der Ausgestaltung eignet sich insbesondere für den Automobilbau, bei dem das metallische Bauteil, das in Form einer Karosserie oder eines Teiles davon vorliegen kann und zur Aushärtung der Lackierung oder Beschichtung einige Zeit auf Temperaturen von ca. 150° bis ca. 220°C erwärmt wird. Somit kann die Verbindung von metallischem Bauteil und Kunststoff-Bauteil erst nach Lackeinbrennung erfolgen, um so thermische Degeneration, Verzug, Beschädigung oder Verfärbung des Kunststoff-Bauteils während der Lackeinbrennung zu umgehen. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung kann daher das vorliegende Verfahren an metallischen Bauteilen, insbesondere Blechen, durchgeführt werden, welche bereits ein- oder beidseitig lackiert sind. Hierzu kann die Beschichtung lokal vor der Durchführung des vorliegenden Verfahrens oder durch das vorliegende Verfahren selbst entfernt oder durchbrochen werden, insbesondere unter Einwirkung einer Kraft auf das Verbindungselement und/oder eine Gegenelektrode, in Folge der Widerstandserwärmung und/oder des Lichtbogens.The metallic component, in particular the metal sheet, may be formed on at least one side, i. one-sided or two-sided or, depending on the configuration of the metallic component, also multi-sided, be provided with a coating, in particular with at least one lacquer layer or a corrosion protection layer. This type of embodiment is particularly suitable for the automotive industry, in which the metallic component, which may be in the form of a body or a part thereof and for curing the coating or coating some time to temperatures of about 150 ° to about 220 ° C. is heated. Thus, the connection of metallic component and plastic component can be done only after paint firing, so as to avoid thermal degeneration, distortion, damage or discoloration of the plastic component during paint firing. In this advantageous embodiment, therefore, the present method can be performed on metallic components, in particular sheets, which are already painted on one or both sides. For this purpose, the coating can be removed or broken locally before carrying out the present method or by the present method itself, in particular under the action of a force on the connecting element and / or a counter electrode, as a result of the resistance heating and / or the arc.
In einer besonderen Ausgestaltung kann das metallische Bauteil hierzu mit einer Elektrode, die im Folgenden als „Gegenelektrode“ bezeichnet wird, verbunden sein. Unter dem Begriff der „Elektrode“ wird üblicherweise ein stift-, spitzen- oder plattenförmiges Element verstanden, welches dazu eingerichtet ist, um elektrische Ströme bereitzustellen oder abzuleiten. Hierzu kann die Elektrode über ein elektrisch hoch leitfähiges Material, vorzugsweise ein Metall, insbesondere Kupfer, Stahl oder Aluminium, oder alternativ, über Graphit verfügen. Andere Ausgestaltungen sind denkbar.In a particular embodiment, the metallic component can for this purpose be connected to an electrode, which is referred to below as the "counter electrode". The term "electrode" is usually understood to mean a pin-shaped, tip-shaped or plate-shaped element which is adapted to provide or derive electrical currents. For this purpose, the electrode may have an electrically highly conductive material, preferably a metal, in particular copper, steel or aluminum, or alternatively, graphite. Other embodiments are conceivable.
Für den bevorzugten Fall eines Blechs als das metallische Bauteil, kann die mit dem Blech verbundene Gegenelektrode plattenförmig ausgeführt sein. Alternativ kann das metallische Bauteil selbst als Gegenelektrode dienen. Als weitere Alternative kann die Gegenelektrode, durch einen Spalt von der Elektrode getrennt, in die Elektrode eingeführt werden. Hierzu kann die Elektrode, die in das Verbindungselement eingeführt wird, hohl ausgeführt werden, um die Gegenelektrode aufzunehmen, welche während des Verfahrens direkt mit dem metallischen Bauteil in Kontakt treten kann. Somit kann eine Kontaktierung des metallischen Bauteils innerhalb des Verbindungselements möglich werden. Um dadurch entstehende Prozesskräfte aufnehmen zu können, kann auf der anderen Seite des metallischen Bauteils ein Gegenhalter eingesetzt werden, welcher jedoch nicht dazu eingerichtet sein kann, um gleichzeitig als Gegenelektrode zu wirken. Um einen Eindruck des Gegenhalters in das metallische Bauteil in Folge der Prozesskräfte zu vermeiden, kann der Gegenhalter an seinem, Rand abgerundet sein, der Bauteilgeometrie angepasst sein und/oder zumindest teilweise einen im Vergleich zu dem metallischen Bauteil weicheren Werkstoff aufweisen, vorzugsweise einen Kunststoff, insbesondere Teflon. Andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.For the preferred case of a metal sheet as the metallic component, the counter electrode connected to the metal sheet may be plate-shaped. Alternatively, the metallic component itself can serve as a counter electrode. As a further alternative, the counterelectrode, separated by a gap from the electrode, can be introduced into the electrode. For this purpose, the electrode, which is inserted into the connecting element, be made hollow to receive the counter electrode, which can come into direct contact with the metallic component during the process. Thus, a contacting of the metallic component within the connecting element can be possible. In order to be able to absorb process forces arising therefrom, a counter holder can be used on the other side of the metallic component, which, however, can not be set up to simultaneously act as a counterelectrode. In order to avoid an impression of the counter-holder in the metallic component as a result of the process forces, the counter-holder may be rounded at its edge, be adapted to the component geometry and / or at least partially have a softer material compared to the metallic component, preferably a plastic, especially Teflon. Other embodiments are possible.
Gemäß Schritt b) des vorliegenden Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen eines Kunststoff-Bauteils. Der Begriff des „Kunststoff-Bauteils“ bezieht sich grundsätzlich auf ein beliebiges Formteil, das zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, einen beliebigen Kunststoff, welcher auch mit dem Begriff „Polymer“ bezeichnet werden kann, als Material aufweist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann der Kunststoff darüber hinaus einen Faserwerkstoff umfassen, d.h. einen Werkstoff, welcher über einen Anteil an Fasern, insbesondere an Kurzfasern und/oder an Langfasern, verfügt, der zu einer Verstärkung des Kunststoffs insbesondere im Hinblick auf seine mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften dienen kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Kunststoff-Bauteil einen plastisch verformbaren Thermoplasten oder einen nach der Aushärtung nicht mehr plastisch verformbaren Duroplasten oder eine Mischung hieraus umfassen, wobei der Kunststoff ein faserverstärkter Kunststoff, bevorzugt ein kurzfaserverstärkter Kunststoff oder ein langfaserverstärkter Kunststoff, insbesondere ein kohlefaserverstärkter Kunststoff, sein kann. Das Kunststoff-Bauteil kann durch ein bekanntes Verfahren, insbesondere durch Spritzgießen oder Laminieren, hergestellt werden.According to step b) of the present method, a provision of a plastic component takes place. The term "plastic component" basically refers to any shaped part that at least partially, preferably completely, has any plastic, which can also be designated by the term "polymer", as the material. In a particularly preferred embodiment, the plastic may further comprise a fiber material, i. a material which has a proportion of fibers, in particular short fibers and / or long fibers, which can serve to reinforce the plastic, in particular with regard to its mechanical and / or thermal properties. In a preferred embodiment, the plastic component may comprise a plastically deformable thermoplastic or a thermosetting material which is no longer plastically deformable after curing or a mixture thereof, wherein the plastic is a fiber-reinforced plastic, preferably a short fiber reinforced plastic or a long fiber reinforced plastic, in particular a carbon fiber reinforced plastic, can be. The plastic component can be produced by a known method, in particular by injection molding or lamination.
Weiterhin weist das gemäß Schritt b) bereitgestellte Kunststoff-Bauteil mindestens eine Aussparung auf, in welcher sich ein metallisches Verbindungselement befindet. Der Begriff des „Verbindungselements“ oder „Fügeelements“ bezeichnet hierbei einen zusätzlich zu den beiden zu verbindenden Teilen, metallisches Bauteil und Kunststoff-Bauteil, vorhandenen Gegenstand, welcher dazu eingerichtet ist, um die angestrebte Verbindung zwischen den beiden zu verbindenden Teilen zu bewirken. Hierbei kann das Verbindungselement in eine vorhandene Aussparung, welche bereits bei der Herstellung des Kunststoff-Bauteils vorgesehen wurde, eingeführt werden. In einer besonderen Ausführung kann das Kunststoff-Bauteil mindestens zwei, räumlich voneinander getrennte Aussparungen aufweisen, wobei mindestens zwei metallische Verbindungselemente gleichzeitig oder nacheinander in die Aussparungen eingebracht werden können. Bei einer zeitlich aufeinanderfolgenden Verwendung der beiden Verbindungselemente kann das zuerst eingesetzte Verbindungselement eine besonders gute Kontaktierung des metallischen Bauteils zu der Elektrode oder Gegenelektrode ermöglichen. Werden dagegen die beiden Verbindungselemente gleichzeitig eingesetzt, so kann zur Herstellung der Verbindung vorzugsweise ein elektrischer Wechselstrom dienen, insbesondere um eine möglichst gleichmäßige Verbindung des metallischen Bauteils und des Kunststoff-Bauteils erzielen zu können. Ein Verbindungselement kann hierbei dem jeweils anderen als Gegenelektrode dienen; eine zusätzliche Kontaktierung insbesondere bereits lackierter metallischer Bauteile ist nicht erforderlich. In einer besonderen Ausgestaltung können die beiden Elektroden mechanisch fest miteinander verbunden sein und daher das metallische Bauteil in Form einer gemeinsamen Bewegung beaufschlagen. Alternativ können die beiden Elektroden unabhängig voneinander beweglich sein und, bevorzugt über mindestens eine Feder, miteinander verbunden sein. Weitere Ausführungen sind jedoch möglich.Furthermore, the plastic component provided according to step b) has at least one recess in which a metallic connecting element is located. The term "connecting element" or "joining element" here refers to an object, in addition to the two parts to be connected, metallic component and plastic component, which is arranged to effect the desired connection between the two parts to be joined. Here, the connecting element in an existing recess, which was already provided in the manufacture of the plastic component, are introduced. In a particular embodiment, the plastic component may have at least two spatially separate recesses, wherein at least two metallic connecting elements can be introduced simultaneously or successively in the recesses. With a temporally successive use of the two connecting elements, the first used connecting element can allow a particularly good contact of the metallic component to the electrode or counter electrode. If, on the other hand, the two connecting elements are used at the same time, an electrical alternating current can preferably be used to produce the connection, in particular in order to be able to achieve the most uniform possible connection of the metallic component and the plastic component. A connecting element can in this case serve each other as a counter electrode; additional contact, in particular already painted metallic components is not required. In a particular embodiment, the two electrodes may be mechanically fixed together and therefore act on the metallic component in the form of a common movement. Alternatively, the two electrodes can be movable independently of one another and, preferably via at least one spring, connected to one another. Other versions are possible.
Bevorzugt kann das Einführen des Verbindungselements in das Kunststoff-Bauteil formschlüssig und/oder kraftschlüssig erfolgen. Hierbei bezeichnet der Begriff des „Formschlusses“ eine Verbindung, bei welcher die zu verbindenden Teile derart ineinandergreifen, dass sie sich ohne Kraftübertragung nicht voneinander lösen lassen. Dies kann, wie zum Beispiel aus den nachfolgenden Figuren hervorgeht, durch eine entsprechend ausgestaltete Form insbesondere des Verbindungselements, aber auch des Kunststoff-Bauteils, etwa in Form von in das Kunststoff-Bauteil eindringenden Vorsprüngen des Verbindungselements, erreicht werden. Andere Ausgestaltungen sind möglich. Im Gegensatz hierzu bezeichnet der Begriff des „Kraftschlusses“ eine Verbindung der beiden Teile, welche aufgrund einer einseitigen oder gegenseitigen Krafteinwirkung solange besteht, wie sie durch eine, mittels Haftreibung erzeugte Gegenkraft nicht überschritten wird. Ein Kraftschluss kann im vorliegenden Fall insbesondere dadurch erzielt werden, dass das Kunststoff-Bauteil eine Vorspannung auf das Verbindungselement ausüben kann, etwa indem die Form der Aussparung in dem Verbindungselement entsprechend ausgeführt wird.Preferably, the insertion of the connecting element into the plastic component can take place in a positive-locking and / or non-positive manner. Here, the term of the "positive locking" refers to a compound in which the parts to be joined interlock in such a way that they can not be detached from each other without power transmission. This can, as is apparent, for example, from the following figures, by a suitably designed shape in particular of the connecting element, but also the plastic component, for example in the form of penetrating into the plastic component projections of the connecting element can be achieved. Other embodiments are possible. In contrast, the term "adhesion" refers to a compound of the two parts, which exists as long as due to a one-sided or mutual force, as it is not exceeded by a generated by static friction counterforce. A frictional connection can be achieved in the present case in particular by the fact that the plastic component can exert a bias on the connecting element, such as by the shape of the recess in the connecting element is carried out accordingly.
In einer alternativen Ausgestaltung kann das Verbindungselement bereits bei der Herstellung des Kunststoff-Bauteils in das Kunststoff-Bauteil integriert werden. Auch hier kann das Verbindungselement vorzugsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig in das Kunststoff-Bauteil integriert wird. Hierzu kann das metallische Verbindungselement in eine Kunststoff-Spritzguss-Form eingelegt werden, so dass während des Spritzgießens das metallische Verbindungselement und das Kunststoff-Bauteil formschlüssig und ggf. stoffschlüssig miteinander verbunden werden können. Andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Damit weist das gemäß Schritt b) bereitgestellte Kunststoff-Bauteil in dieser alternativen Ausgestaltung bereits ein metallisches Verbindungselement auf, welches in der dadurch geschaffenen Aussparung des Kunststoff-Bauteils positioniert ist.In an alternative embodiment, the connecting element can already be integrated in the production of the plastic component in the plastic component. Again, the connecting element is preferably integrated positively and / or non-positively in the plastic component. For this purpose, the metallic connecting element can be inserted into a plastic injection mold, so that during the injection molding, the metallic connecting element and the plastic component can be positively connected to each other and possibly materially. Other embodiments are possible. Thus, the plastic component provided in step b) in this alternative embodiment already has a metallic connecting element which is positioned in the recess of the plastic component created thereby.
Vorzugsweise kann das Verbindungselement über ein Material verfügen, ausgewählt aus Stahl oder Aluminium. Bevorzugt lassen sich hier Stähle verwenden, welche auch bei einer hohen Abkühlgeschwindigkeit keine Aufhärtung zeigen. Derartige Stähle zeichnen sich insbesondere durch einen einerseits geringen Gehalt an Kohlenstoff und andererseits durch einen hohen Gehalt an Chrom, Nickel und/oder Mangan aus. Darüber hinaus kann das Verbindungselement in vorteilhafter Weise auf seiner äußeren, der Aussparung im Kunststoff-Bauteil zugewandten Oberfläche eine Beschichtung aus einem Haftvermittler und/oder einem elektrisch und/oder thermisch isolierenden Material aufweisen, um auf diese Weise eine möglichst gute und innige Verbindung zu dem Kunststoff-Bauteil zu ermöglichen, eine Kontaktkorrosion zu einem vorhandenen Faserwerkstoff zu verhindern und insgesamt eine thermische Belastung des Kunststoffs möglichst weitgehend zu vermeiden. Das Verbindungselement kann hierzu bevorzugt mittels eines Umformverfahrens, insbesondere mittels Warm- oder Kaltfließpressen oder Blechumformung, hergestellt werden. Alternativ kann das Verbindungselement selbst mittels Spritzguss hergestellt werden; hierbei können vorzugsweise Fasern in das Verbindungselement eingebracht werden, insbesondere mittels Einweben oder Einfädeln.Preferably, the connecting element may have a material selected from steel or aluminum. Steels can preferably be used here, which show no hardening even at a high cooling rate. Such steels are characterized in particular by a low content of carbon on the one hand and by a high content of chromium, nickel and / or manganese on the other hand. In addition, the connecting element can advantageously on its outer, the recess in the plastic component facing surface having a coating of a bonding agent and / or an electrically and / or thermally insulating material, in order to achieve the best possible and intimate connection to the To allow plastic component to prevent contact corrosion to an existing fiber material and to avoid total thermal stress on the plastic as much as possible. For this purpose, the connecting element can preferably be produced by means of a forming process, in particular by hot or cold extrusion or sheet metal forming. Alternatively, the connecting element itself can be produced by means of injection molding; In this case, fibers can preferably be introduced into the connecting element, in particular by weaving or threading.
Das Verbindungselement kann grundsätzlich jede geeignete Form annehmen, wobei eine rotationssymmetrische, ovale oder längliche Grundform bevorzugt ist. Insbesondere in Bezug auf die Verbindungsfläche kann das Verbindungselement über einen von der Verbindungsfläche abgewandten Kopfteil, einen der Verbindungsfläche zugewandten Endteil sowie über einen zwischen dem Kopfteil und dem Endteil befindlichen Mittelteil verfügen.The connecting element can in principle take any suitable form, wherein a rotationally symmetrical, oval or elongated basic shape is preferred. In particular with regard to the connection surface, the connection element can have a head part facing away from the connection surface, an end part facing the connection surface and a middle part located between the head part and the end part.
Der Mittelteil kann vorzugsweise parallel oder konisch geformt sein und weist ferner eine Vertiefung auf, welche zur Aufnahme einer Elektrode eingerichtet ist. Die Vertiefung befindet sich hierbei vorzugsweise auf seiner inneren, der Aussparung im Kunststoff-Bauteil abgewandten Oberfläche des Verbindungselements, und kann insbesondere auch als Durchgangsloch zum Endteil des Verbindungselements hin ausgestaltet sein. Die zur Aufnahme der Elektrode eingerichtete Vertiefung kann ebenfalls in Form einer konischen Ausführung oder einer zylindrischen Ausführung vorliegen. Entsprechende bevorzugte Ausführungen finden sich in den nachfolgenden Figuren. Das Mittelteil kann hierbei über eine Wandstärke verfügen, die im Verhältnis zu den Gesamtabmessungen des Verbindungselements gering ist, vorzugsweise geringer ist als 2,0 mm, besonders bevorzugt geringer als 1,0 mm. Der Begriff der „Gesamtabmessungen“ betrifft hierbei eine maximale Ausdehnung des Verbindungselements in einer Richtung, vorzugsweise die gesamte Höhe des Verbindungselements, wobei der Begriff „gering“ einen Wert von höchstens 20 %, bevorzugt von höchstens 10 % der Gesamtabmessungen des Verbindungselements bezeichnet.The middle part can preferably be shaped in parallel or conically and furthermore has a depression which is set up to receive an electrode. The recess is in this case preferably on its inner, the recess in the plastic component facing away from the surface of the connecting element, and may be configured in particular as a through hole to the end portion of the connecting element. The recess provided for receiving the electrode can also be in the form of a conical design or a cylindrical version available. Corresponding preferred embodiments can be found in the following figures. The middle part can in this case have a wall thickness which is small in relation to the overall dimensions of the connecting element, preferably less than 2.0 mm, particularly preferably less than 1.0 mm. The term "overall dimensions" in this case relates to a maximum extension of the connecting element in one direction, preferably the entire height of the connecting element, wherein the term "low" denotes a value of at most 20%, preferably not more than 10% of the total dimensions of the connecting element.
An dem Kopfteil des Verbindungselements kann sich vorzugsweise ein Flansch oder ein Kopf befinden, der derart ausgestaltet ist, dass sich der oben beschrieben Formschluss des Verbindungselements und des Kunststoff-Bauteils verbessern lässt. In einer besonderen Ausgestaltung kann das Verbindungselement, etwa in Analogie zu einem Schrauben- oder Nagelkopf, insbesondere an dem Kopfteil eine größere Breite im Vergleich zu der Breite des Verbindungselements an dem Endteil aufweisen. Diese und weitere vorteilhafte Ausführungen finden sich in den nachfolgenden Figuren.At the head part of the connecting element may preferably be a flange or a head, which is designed such that the above-described positive connection of the connecting element and the plastic component can be improved. In a particular embodiment, the connecting element, for example in analogy to a screw or nail head, in particular on the head part have a greater width compared to the width of the connecting element at the end part. These and other advantageous embodiments can be found in the following figures.
Das Endteil des Verbindungselements kann geschlossen oder offen ausgeführt sein. Vorzugsweise kann das Endteil hierzu über eine Aufstandsfläche verfügen, welche in Bezug auf das metallische Bauelement ausgerichtet sein kann. Insbesondere zur Erhöhung einer Konzentration des elektrischen Stroms und damit zu einer erhöhten Lokalisierung eines Wärmeeintrags kann die Aufstandsfläche lokal verringert sein. Hierzu können insbesondere ein Absatz, ein Stift zur Lichtbogenzündung, eine Phase und/oder ein Anschrägen des Endteils vorgesehen sein. Vorteilhafte Ausführungen für das Endteil des Verbindungselements finden sich in den nachfolgenden Figuren.The end part of the connecting element may be closed or open. For this purpose, the end part can preferably have a contact surface, which can be aligned with respect to the metallic component. In particular, in order to increase a concentration of the electrical current and thus to an increased localization of a heat input, the footprint can be locally reduced. For this purpose, in particular a shoulder, a pin for arc ignition, a phase and / or a beveling of the end part may be provided. Advantageous embodiments for the end part of the connecting element can be found in the following figures.
Gemäß Schritt c) des vorliegenden Verfahrens wird die Elektrode in die dafür vorgesehene Vertiefung des Verbindungselements eingebracht oder eingetaucht, wobei das Einbringen oder Eintauchen derart erfolgt, dass die Elektrode und das Verbindungselement miteinander in Kontakt treten. Wie oben erwähnt, bezeichnet der Begriff der „Elektrode“ üblicherweise ein stift-, spitzen- oder plattenförmiges Element aus einem elektrisch hoch leitfähigen Material, welches dazu eingerichtet ist, um elektrische Ströme bereitzustellen oder abzuleiten. Für den bevorzugten Fall der konischen oder zylindrischen Ausführung der Vertiefung in dem Mittelteil des Verbindungselements kann die hierin einzuführende Elektrode bevorzugt stift- oder spitzenförmig ausgeführt sein. In einer bevorzugten Ausführung kann das Einbringen oder Eintauchen der Elektrode in die Vertiefung des Verbindungselements durch ein Aufpressen des Verbindungselements auf die Elektrode erfolgen.According to step c) of the present method, the electrode is introduced or immersed in the recess provided for this of the connecting element, wherein the introduction or immersion takes place such that the electrode and the connecting element come into contact with each other. As noted above, the term "electrode" commonly refers to a pin, tip or plate shaped member of electrically highly conductive material that is configured to provide or dissipate electrical currents. For the preferred case of the conical or cylindrical configuration of the recess in the central part of the connecting element, the electrode to be introduced here may preferably be designed in the form of a pencil or a point. In a preferred embodiment, the introduction or immersion of the electrode in the recess of the connecting element can be effected by pressing the connecting element onto the electrode.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das Einbringen der Elektrode in die Vertiefung des Verbindungselements gemäß Schritt c) derart erfolgen, dass die Elektrode mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 75 %, einer gesamter Höhe des Verbindungselements in die in die Vertiefung eindringt. Für den Fall, dass die Endseite des Verbindungselements offen ausgestaltet ist, kann darüber hinaus ein Eindringen der Elektrode in die Vertiefung des Verbindungselements zu mindestens 80 %, bevorzugt zu 90 %, besonders vorteilhaft sein. Aufgrund eines so erzielbaren innigen Kontakts zwischen der Elektrode und dem Verbindungselement kann damit ein geringer Übergangswiderstand zwischen der Elektrode und dem Verbindungselement erreicht werden. Gleichzeitig lässt sich hierdurch das Verbindungselement kraftschlüssig derart auf der Elektrode fixieren, dass darüber hinaus das Verbindungselement durch die Bewegung der Elektrode positioniert und gehandhabt werden kann.In a particularly preferred embodiment of the present invention, the introduction of the electrode into the depression of the connecting element according to step c) can take place such that the electrode penetrates into the depression at least 50%, preferably at least 75%, of an entire height of the connecting element. In the event that the end side of the connecting element is configured open, moreover, penetration of the electrode into the recess of the connecting element may be at least 80%, preferably 90%, particularly advantageous. Due to an intimate contact that can be achieved between the electrode and the connecting element, it is thus possible to achieve a low contact resistance between the electrode and the connecting element. At the same time, this allows the connecting element to be positively fixed in such a way on the electrode, that in addition the connecting element can be positioned and handled by the movement of the electrode.
Gemäß Schritt d) des vorliegenden Verfahrens wird das mit der Elektrode und dem Verbindungselement verbundene Kunststoff-Bauteil an der Verbindungsfläche an, auf oder unter das metallische Bauteil gelegt und aufeinandergepresst. Für das Aufeinanderpressen des metallischen Bauteils und des Verbindungselements können hierzu fachmännisch übliche Maßnahmen eingesetzt werden. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann hierzu insbesondere die Elektrode, welche kraftschlüssig mit dem Verbindungselement verbunden ist, dienen. Das metallische Bauteil kann hierfür auf eine Unterlage liegen und/oder auf einen Gegenhalter aufgebracht sein.According to step d) of the present method, the plastic component connected to the electrode and the connecting element is applied to the connecting surface, on or under the metallic component and pressed on each other. For the pressing together of the metallic component and the connecting element for this purpose expertly customary measures can be used. In a particularly preferred embodiment, in particular the electrode, which is non-positively connected to the connecting element, serve for this purpose. For this purpose, the metallic component can rest on a base and / or be applied to a counter-holder.
Gemäß Schritt e) des vorliegenden Verfahrens erfolgt nach, während oder vor Schritt d) derart eine Beaufschlagung des Verbindungselements und des metallischen Bauteils mittels eines elektrischen Stroms, dass mittels des Verbindungselements eine indirekte Verbindung des metallischen Bauteils mit dem Kunststoff-Bauteil hergestellt wird. Zur Herstellung eines Stromflusses ist hierzu das Verbindungselement mit der Elektrode verbunden, während das metallische Bauteil hierzu mit einer Gegenelektrode verbunden werden kann oder selbst die Gegenelektrode darstellen kann. Wie bereits erwähnt, kann alternativ die Gegenelektrode in die Elektrode integriert sein. Bei dem Stromfluss kann es sich um elektrischen Gleichstrom oder Wechselstrom handeln. Für den Stromfluss ergibt sich hierbei, dass insbesondere ein geringer Übergangswiderstand zwischen der Elektrode und dem damit vorzugsweise formschlüssig kontaktierten Verbindungselement sowie ein hoher Übergangswiderstand zwischen der Elektrode und dem metallischen Bauteil vorliegen können. Entsprechend der Ausführung des Kunststoff-Bauteils und den damit verbundenen Bauteilen Elektrode und Verbindungselement kann die Elektrode bis nahe an das metallische Bauteil in das Verbindungselement eindringen, wodurch ein hoher Wärmeübergang von der Elektrode und dem Verbindungselement zu dem metallischen Bauteil erzielt werden kann. Nach Entfernen der Elektrode kann auf diese Weise ein Formschluss zwischen dem Kunststoff-Bauteil, dem metallischem Bauteil und dem zwischen dem Kunststoff-Bauteil und dem metallischem Bauteil eingebrachten Verbindungselement gebildet werden.According to step e) of the present method takes place after, during or before step d) such an application of the connecting element and the metallic component by means of an electric current, that by means of the connecting element, an indirect connection of the metallic component is made with the plastic component. To produce a current flow for this purpose, the connecting element is connected to the electrode, while the metallic component can be connected for this purpose with a counter electrode or even can represent the counter electrode. As already mentioned, the counterelectrode may alternatively be integrated into the electrode. The current flow may be DC electrical or AC. In this case, the current flow results in that, in particular, a low contact resistance between the electrode and the preferably positively contacted connecting element as well as a high contact resistance between the electrode and the metallic component can be present. According to the embodiment of the plastic component and the associated components electrode and connecting element, the electrode can penetrate to near the metallic component in the connecting element, whereby a high heat transfer from the electrode and the connecting element to the metallic component can be achieved. After removal of the electrode can be formed in this way a positive connection between the plastic component, the metallic component and the introduced between the plastic component and the metallic component connecting element.
Erfindungsgemäß taucht die Elektrode derart tief in das Verbindungselement ein, insbesondere zu mindestens 50 %, bevorzugt zu mindestens 75 %, der gesamten Höhe des Verbindungselements, dass das Verbindungselement selbst nicht vollständig durch den Strom durchflossen und daher nicht vollständig erwärmt werden kann. Durch die innige Verbindung zwischen der Elektrode und dem Verbindungselement ergibt sich einerseits eine große Kontaktfläche zwischen Elektrode und Verbindungselement und aus der Flächenpressung zwischen der Elektrode und dem Verbindungselement resultiert andererseits eine hohe Anpresskraft als Prozesskraft, wobei sowohl die große Kontaktfläche als auch die hohe Anpresskraft sowohl die Kontaktfläche als auch die Anpresskraft zwischen dem Verbindungselement und dem metallischem Bauteil übersteigen. Hierdurch kann eine lokal sehr begrenzte Wärmeeinbringung zwischen dem Verbindungselement und dem metallischem Bauteil erfolgen, welche sich in einem hohen Kontaktwiderstand äußern kann oder durch welche sich, in einer besonderen Ausgestaltung, zwischen dem Verbindungselement und dem metallischem Bauteil ein Lichtbogen ausbilden kann. Gleichzeitig kann sich die Elektrode aufgrund ihrer hohen intrinsischen Wärmeleitfähigkeit in besonders vorteilhafter Weise kühlend auf das Verbindungselement und das hieran angrenzende Kunststoff-Bauteil, welches nicht durch thermische Degeneration beschädigt werden soll, auswirken.According to the invention, the electrode dips so deeply into the connecting element, in particular at least 50%, preferably at least 75%, of the entire height of the connecting element that the connecting element itself does not completely flow through the current and therefore can not be completely heated. The intimate connection between the electrode and the connecting element results in a large contact area between electrode and connecting element and from the surface pressure between the electrode and the connecting element results on the other hand, a high contact pressure as a process force, both the large contact surface and the high contact pressure both Contact surface and the contact force between the connecting element and the metallic component exceed. This allows a locally very limited heat input between the connecting element and the metallic component done, which can be expressed in a high contact resistance or through which, in a particular embodiment, between the connecting element and the metallic component can form an arc. At the same time, the electrode can due to their high intrinsic thermal conductivity in a particularly advantageous cooling on the connecting element and the adjacent thereto plastic component, which should not be damaged by thermal degeneration effect.
Je nach Material und Dimensionen des metallischen Bauteils, des Kunststoff-Bauteils und des Verbindungselements sowie der elektrischen Leistung des über die Elektrode in das Verbindungselement und das metallische Bauteil eingebrachten Stromflusses kann die während Schritt e) hervorgerufene Erwärmung des Verbindungselements und des metallischen Bauteils zu der Verbindung des erwärmten metallischen Bauteils und des erwärmten Verbindungselements mittels Widerstandsschweißens führen oder ein zwischen dem Verbindungselement und dem metallischen Bauteil erzeugter Lichtbogen kann zu der Verbindung des metallischen Bauteils und des Verbindungselements mittels Lichtbogenschweißens führen. Der Begriff des „Lichtbogens“ bezeichnet hierbei eine bei einer ausreichend hohen elektrischen Potentialdifferenz zwischen der Elektrode und dem metallischen Bauteil kurzzeitig beobachtbare Ionisierung von Gasteilchen, welche sich in einer Lücke zwischen dem Verbindungselement und dem metallischen Bauteil befinden, wobei die durch die Ionisierung gebildeten Elektronen einen Strompfad zwischen der Elektrode, dem Verbindungselement und dem metallischen Bauteil ausbilden können.Depending on the material and dimensions of the metallic component, the plastic component and the connecting element as well as the electrical power of the introduced over the electrode in the connecting element and the metallic component current flow caused during step e) heating of the connecting element and the metallic component to the compound the heated metallic component and the heated connecting element by means of resistance welding or an arc generated between the connecting element and the metallic component can lead to the connection of the metallic component and the connecting element by means of arc welding. The term "arc" here refers to a short-term observable at a sufficiently high electrical potential difference between the electrode and the metallic component ionization of gas particles, which are located in a gap between the connecting element and the metallic component, wherein the electrons formed by the ionization Form current path between the electrode, the connecting element and the metallic component.
In der Ausführung gemäß Schritt e), bei welcher neben dem zur Erwärmung eingesetzten Kontaktwiderstand zwischen dem Verbindungselement und dem metallischen Bauteil ein Lichtbogen gezündet wird, kann eine Spitzenzündung oder eine Hubzündung eingesetzt werden. Bei der Spitzenzündung befindet sich bei Beginn des Stromflusses mindestens eine Spitze des Verbindungselements in Kontakt mit dem metallischen Bauteil. Aufgrund einer hohen Strombelastung kann die Spitze abschmelzen oder verdampfen, wodurch sich der gewünschte Lichtbogen ausbilden kann. Bei der Hubzündung wird das Verbindungselement zum Zünden des Lichtbogens zunächst mit dem metallischen Bauteil in Kontakt gebracht und kann nach erfolgtem Anlegen des Stroms mittels eines Aktuators, insbesondere eines Elektromagneten, von dem metallischen Bauteil getrennt werden. Hierzu kann insbesondere eine Kondensatorbatterie mit einer Ladespannung von 20 V bis 600 V und einer Kapazität von 10.000 µF bis 500.000 µF für die Stromversorgung dienen. Zusätzlich kann in dieser Ausführung, bei der ein Lichtbogen eingesetzt wird, der Lichtbogen durch ein externes Magnetfeld in Rotation versetzt werden, um so eine räumlich gleichmäßigere Anbindung des Verbindungselements und des metallischen Bauelements zu erzielen.In the embodiment according to step e), in which in addition to the contact resistance used for heating between the connecting element and the metallic component, an arc is ignited, a tip ignition or a lift ignition can be used. At the peak ignition, at the beginning of the current flow, at least one tip of the connecting element is in contact with the metallic component. Due to a high current load, the tip can melt or evaporate, which can form the desired arc. In the case of lifting ignition, the connecting element for igniting the arc is first brought into contact with the metallic component and, after the current has been applied, can be separated from the metallic component by means of an actuator, in particular an electromagnet. For this purpose, in particular a capacitor bank with a charging voltage of 20 V to 600 V and a capacity of 10,000 μF to 500,000 μF can be used for the power supply. In addition, in this embodiment, in which an arc is used, the arc can be set in rotation by an external magnetic field, so as to achieve a spatially uniform connection of the connecting element and the metallic component.
In einer alternativen Ausgestaltung kann die Verbindung des metallischen Bauteils und des Verbindungselements während Schritt e) mittels eines Lötvorgangs, wozu Löten als auch Schweißlöten gehören können, erfolgen. Hierzu kann das Material des Verbindungselements insbesondere zumindest teilweise einen Lotwerkstoff umfassen. Grundsätzlich kann sogar das gesamte Verbindungselement aus einem Werkstoff bestehen, dessen Schmelztemperatur unter der des metallischen Bauelements liegt und in dieser Hinsicht als Lot fungiert. Alternativ oder zusätzlich kann das Endteil des Verbindungselements mit einem Lot beschichtet sein. Hierzu kann das Lot auf ein Verbindungselement mit vergrößerter Aufstandsfläche aufgebracht sein. Als Lotwerkstoffe eignen sich insbesondere Aluminiumlote, Kupferlote, Bleilote, Zinnlote und/oder Zinklote. Andere Lotwerkstoffe sind denkbar.In an alternative embodiment, the connection of the metallic component and the connecting element during step e) by means of a soldering operation, which may include soldering and welding brazing, take place. For this purpose, the material of the connecting element may in particular at least partially comprise a solder material. In principle, even the entire connecting element may consist of a material whose melting temperature is lower than that of the metallic component and acts as solder in this regard. Alternatively or additionally, the end part of the connecting element may be coated with a solder. For this purpose, the solder can be applied to a connecting element with an enlarged footprint. In particular, aluminum solders, copper solders, lead solders, tin solders and / or zinc solders are suitable as brazing materials. Other solder materials are conceivable.
Bei einer Durchführung des vorliegenden Verfahrens mittels eines Lötvorgangs ist es vorteilhaft für einen Erhalt der mechanischen Festigkeit des metallischen Bauteils, wenn dieses während des Lötvorgangs nicht aufgeschmolzen wird. Insbesondere bei einem Metallblech aus hochfestem Stahl ist es besonders vorteilhaft, wenn durch das vorliegende Verfahren die Austenitisierungstemperatur (AC1-Temperatur) nicht erreicht oder gar überschritten wird. Durch Wahl einer Temperatur unterhalb der AC1-Temperatur und eine kurze Einwirkungszeit dieser Temperatur auf das metallische Bauteil kann somit eine Entfestigung des hochfesten, vergüteten oder gehärteten Stahls oder Stahlblechs weitgehend verhindert werden.In carrying out the present method by means of a soldering operation, it is advantageous for maintaining the mechanical strength of the metallic component, if this during the Soldering process is not melted. Particularly in the case of a metal sheet made of high-strength steel, it is particularly advantageous if the austenitizing temperature (AC1 temperature) is not reached or even exceeded by the present process. By choosing a temperature below the AC1 temperature and a short exposure time of this temperature on the metallic component thus a softening of the high-strength, tempered or hardened steel or steel sheet can be largely prevented.
In einer besonderen Ausführung können die in das Verbindungselement eintauchende Elektrode und/oder eine gegebenenfalls vorhandene Gegenelektrode gekühlt werden. Hierbei kann einerseits ein geschlossener Kühlkreislauf vorgesehen werden, andererseits kann eine Bohrung durch die Elektrode eingesetzt werden, um Kühlfluid direkt auf das Verbindungselement und/oder das metallische Bauteil zu leiten. Hierdurch können sehr hohe Abkühlraten erzielt werden, welche in vorteilhafter Weise eine Beschädigung des Kunststoff-Bauteils vermeiden lassen. als Kühlmedium können insbesondere Wasser, Druckluft oder Ethanol sowie ein Gemisch hiervon eingesetzt werden.In a particular embodiment, the electrode immersed in the connection element and / or an optionally present counterelectrode can be cooled. In this case, on the one hand a closed cooling circuit can be provided, on the other hand, a hole can be used through the electrode to direct cooling fluid directly to the connecting element and / or the metallic component. As a result, very high cooling rates can be achieved, which can advantageously avoid damage to the plastic component. in particular water, compressed air or ethanol and a mixture thereof can be used as the cooling medium.
In einer besonderen Ausgestaltung kann die Verbindungsfläche nach Ablauf von Schritt e) mit einem Mittel, ausgewählt aus einem Korrosionsschutzmittel, einem Klebstoff und einem als Korrosionsschutzmittel wirkenden Klebstoff, behandelt, insbesondere versiegelt, werden. Hierbei kann das Mittel mittels eines Zugangs durch die Elektrode oder durch ein separates Werkzeug auf die Verbindungsfläche aufgebracht werden. Insbesondere kann der Klebstoff durch Verpressung unter hohem Druck an und/oder um das Verbindungselement eingebracht werden, um eventuell vorhandene Öffnungen in dem Verbindungselement zu dem Kunststoff-Bauteil und/oder zu dem metallischen Bauteil zu verfüllen. Hierzu können insbesondere Öffnungen oder Aussparungen in dem Verbindungselement vorgesehen sein, welche dazu eingerichtet sein können, um einen Spalt zwischen dem Verbindungselement und dem Kunststoff-Bauteil zu erzeugen, durch den das Mittel eindringen kann.In a particular embodiment, after the end of step e), the bonding surface may be treated, in particular sealed, with an agent selected from a corrosion inhibitor, an adhesive and an adhesive acting as a corrosion inhibitor. In this case, the means can be applied by means of an access through the electrode or by a separate tool on the connection surface. In particular, the adhesive can be introduced by pressing under high pressure on and / or around the connecting element to fill any existing openings in the connecting element to the plastic component and / or to the metallic component. For this purpose, in particular openings or recesses may be provided in the connecting element, which may be adapted to produce a gap between the connecting element and the plastic component, through which the agent can penetrate.
Erfindungsgemäß wird ein auf dem bekannten Widerstandselementschweißen basierendes Verfahren vorgeschlagen, bei welchem elektrische Energie , welche in Form einer elektrischen Widerstandsheizung und/oder als Lichtbogen bereitgestellt werden kann, dazu eingesetzt wird, um ein Kunststoff-Bauteil und ein metallisches Bauteil unter Verwendung eines Verbindungselements miteinander zu verbinden. Im Unterschied zu bekannten Verfahren wird bei dem hier vorgestellten Verfahren das Verbindungselement weder vollständig axial von dem elektrischen Strom durchflossen noch von der Elektrode axial kontaktiert. Dadurch kann eine Anpresskraft zwischen dem Verbindungselement und der Elektrode größer als die Anpresskraft zwischen dem Verbindungselement und dem metallischem Bauteil eingestellt werden. Dies kann erfindungsgemäß durch ein hohles oder in der Mitte vertieftes, insbesondere innen konisches Verbindungselement erreicht werden, so dass die Elektrode in das Verbindungselement eintauchen kann und so einerseits den Kontaktwiderstand zwischen dem Verbindungselement und der Elektrode verringern und andererseits für eine Kühlung des Verbindungselements und des daran anliegenden Kunststoff-Bauteils sorgen kann.According to the invention, a method based on the known resistance element welding method is proposed, in which electrical energy, which can be provided in the form of an electrical resistance heater and / or as an arc, is used to connect a plastic component and a metallic component using a connecting element connect. In contrast to known methods, in the method presented here, the connecting element is neither completely flowed through axially by the electric current nor contacted axially by the electrode. As a result, a contact pressure between the connecting element and the electrode can be set greater than the contact pressure between the connecting element and the metallic component. This can be achieved according to the invention by a hollow or recessed in the middle, in particular internally conical connecting element, so that the electrode can dip into the connecting element and so on the one hand reduce the contact resistance between the connecting element and the electrode and on the other hand for cooling of the connecting element and the thereto attached plastic component can provide.
Damit unterscheidet sich das vorgeschlagene Verfahren von dem bekannten Widerstandselementschweißen, indem das Verbindungselement derart ausgestaltet ist, dass die Elektrode darin eintauchen kann, dass aufgrund der Anordnung von Elektrode, Verbindungselement und metallischen Bauteil ein Lichtbogen zwischen dem Verbindungselement und dem metallischen Bauteil gezündet werden, was bei dem Widerstandselementschweißen aufgrund eines hohen Nebenschlusses nicht möglich ist, dass der Strom aufgrund des Einbringens der Elektrode in das Verbindungselement das Verbindungselement nicht vollständig in axialer Richtung durchfließen kann und dadurch dass eine Aussparung in dem Kunststoff-Bauteil vorgesehen ist, in welcher sich das Verbindungselement befindet.Thus, the proposed method differs from the known resistance element welding in that the connecting element is designed such that the electrode can dip therein that due to the arrangement of the electrode, connecting element and metallic component, an arc between the connecting element and the metallic component are ignited, resulting in the resistance element welding due to a high shunt is not possible that the current due to the introduction of the electrode in the connecting element, the connecting element can not flow completely through in the axial direction and in that a recess is provided in the plastic component, in which the connecting element is located.
Weiterhin unterscheidet sich das vorgeschlagene Verfahren von dem bekannten Fügen mittels Gewindebolzen, da zusätzlich zum Gewindebolzen hier ein weiteres Element zur Herstellung eines Form- und/oder Kraftschlusses eingesetzt wird. Im Unterschied hierzu wird bei einem Verbinden mittels Gewindebolzens der Gewindebolzen zunächst auf das metallische Bauteil aufgeschweißt und erst dann ein weiteres Element, insbesondere eine Mutter oder Schraube, welche über einen großen Kopf verfügt, an dem Gewindebolzen befestigt, um so den Form- und/oder Kraftschluss zwischen dem metallischen Bauteil und dem Kunststoff-Bauteil erzielen zu können.Furthermore, the proposed method differs from the known joining by means of threaded bolts, since in addition to the threaded bolt here another element for producing a positive and / or adhesion is used. In contrast, in a connection by means of threaded bolt of the threaded bolt is first welded to the metallic component and only then another element, in particular a nut or screw, which has a large head, attached to the threaded bolt so as to the shape and / or To be able to achieve adhesion between the metallic component and the plastic component.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verbundteil, das mit dem beschrieben Verfahren und den zugehörigen Ausgestaltungen erhältlich ist. Der Begriff des „Verbundteil“ bezeichnet hierbei ein integriertes Bauteil, welches die beiden zu fügenden Teile umfasst, wobei die Verbindung in dem Verbundteil mechanisch derart stabil und fest ist, dass sich die beiden Teile aus dem Verbundteil nur unter lokal begrenzter Entfernung eines die Verbindung erzeugenden Verbundelements, insbesondere durch Ausbohren oder Zerspanen, wieder vereinzeln lassen. Für weitere Einzelheiten wird daher auf die Beschreibung des Verfahrens verwiesen. In a further aspect, the present invention relates to a composite part obtainable by the described method and the associated embodiments. The term "composite part" in this case refers to an integrated component comprising the two parts to be joined, wherein the compound in the composite part is mechanically stable and strong such that the two parts of the composite part only with locally limited removal of a compound generating Allow composite element, in particular by drilling or chipping, to separate again. For further details, reference is therefore made to the description of the method.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung des Verbundteils als Bauteil oder als Bauteilkomponente im Fahrzeug-, Flugzeug- oder Schiffsbau oder bei einer Herstellung von elektrischen Geräten.In a further aspect, the present invention relates to a use of the composite part as a component or as a component component in vehicle, aircraft or shipbuilding or in the manufacture of electrical equipment.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das vorliegende Verfahren zur Verbindung eines metallischen Bauteils und eines Kunststoff-Bauteils sowie mit diesem Verfahren erhältliche Verbundteile weisen eine Vielzahl von Vorteilen auf.The present method for joining a metallic component and a plastic component as well as composite parts obtainable by this method have a multiplicity of advantages.
In besonders vorteilhafter Weise lassen sich damit unterschiedliche Halbzeuge miteinander verbinden, wobei sich spezifische Eigenschaften der Halbzeuge und der dafür jeweils verwendeten Werkstoffe sehr gut ergänzen können. Als Beispiele hierfür können eine hohe Duktilität und glatte Oberflächen des metallischen Bauteils sowie weitgehende Gestaltungsfreiheit und lokale Versteifungsstrukturen bei dem Kunststoff-Bauteil genannt werden. Insbesondere lassen sich so tragende Einbauten aus Kunststoff, wie z.B. Abdeckungen, und eine Rohkarosserie miteinander verbinden. Eine Vielzahl weiterer Anwendungen ist möglich.In a particularly advantageous manner, different semifinished products can be connected to one another, wherein specific properties of the semi-finished products and the materials used for each can complement each other very well. As examples of this, a high ductility and smooth surfaces of the metallic component as well as extensive design freedom and local stiffening structures in the plastic component can be mentioned. In particular, such load-bearing internals made of plastic, such. Covers, and connect a body shell together. A variety of other applications is possible.
Zur Herstellung der Verbindung mittels elektrischen Widerstandselementschweißen oder bei Verwendung eines Lichtbogens ist eine einseitige Zugänglichkeit der vorgesehenen Vierbindungsfläche ausreichend. Zur Verringerung der Prozesstemperatur und damit zur Vermeidung von Anlasseffekten bei pressgehärteten Stahlen kann eine Variante des vorliegenden Verfahrens, die auf der Verwendung von niedrig schmelzenden Loten basiert, einsetzt werden. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht darüber hinaus eine aktive Kühlung, insbesondere durch eine im Verbindungselement bereits vorhandene Vertiefung hindurch. Die erfindungsgemäße Verbindung des metallischen Bauteils und des Kunststoff-Bauteils ist zudem bedingst lösbar, insbesondere durch Vornahme eines Ausbohren des für die Verbindung eingesetzten Verbindungselements. Eine gemäß einer Variante des vorgeschlagenen Verfahrens erfolgende Verpressung von Verbindungselement, metallischem Bauteil und Kunststoff-Bauteil durch Klebstoff, Korrosionsschutzmittel oder als Korrosionsschutzmittel wirkenden Klebstoff kann insbesondere zu einer Verbesserung von Steifigkeit, Festigkeit und/oder Korrosionsbeständigkeit eines mit dem vorliegenden Verfahren erhältlichen Verbundteils eingesetzt werden.To produce the connection by means of electrical resistance element welding or when using an arc, one-sided accessibility of the intended four-bonding surface is sufficient. To reduce the process temperature and thus to avoid tempering effects in press-hardened steels, a variant of the present process based on the use of low-melting solders can be used. The proposed method moreover allows active cooling, in particular through a recess already present in the connecting element. The compound according to the invention of the metallic component and of the plastic component is also conditionally releasable, in particular by performing a boring out of the connecting element used for the connection. A pressing of connecting element, metallic component and plastic component by adhesive, anticorrosion agent or anticorrosive agent acting according to a variant of the proposed method can be used in particular to improve the rigidity, strength and / or corrosion resistance of a composite part obtainable by the present method.
Figurenlistelist of figures
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1A bis1D schematische Darstellungen von vier bevorzugten Ausführungen des vorliegenden Verfahrens; -
2A bis2C schematische Darstellungen von drei bevorzugten Ausführungen für ein Verbindungselement; -
3A bis3D schematische Darstellungen von vier bevorzugten formschlüssigen Ausführungen für das Verbindungselement; -
4A bis4F schematische Darstellungen von sechs bevorzugten Ausführungen für ein Endteil des Verbindungselements; -
5A und5B schematische Darstellungen von zwei Ausführungsbeispielen für eine bevorzugte Kühlung; -
6 A und6B schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen für eine bevorzugte Verpressung eines Klebstoffs; und -
7 eine schematische Darstellung eines weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiels für das vorliegende Verfahren.
-
1A to1D schematic representations of four preferred embodiments of the present method; -
2A to2C schematic representations of three preferred embodiments for a connecting element; -
3A to3D schematic representations of four preferred form-locking versions for the connecting element; -
4A to4F schematic representations of six preferred embodiments for an end portion of the connecting element; -
5A and5B schematic representations of two embodiments for a preferred cooling; -
6 A and6B schematic representations of embodiments for a preferred compression of an adhesive; and -
7 a schematic representation of another preferred embodiment of the present method.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den
Gemäß Schritt b) weist das Kunststoff-Bauteil
Das Verbindungselement
Gemäß Schritt d) werden das metallische Bauteil
Gemäß Schritt e) erfolgt ein Beaufschlagen des metallischen Bauteils
In
Für einen Stromfluss durch den Stromkreis
Wie weiterhin in den
Je nach Material und Dimensionen des metallischen Bauteils
Aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit kann die Elektrode
Nach Entfernen der Elektrode
Die
Wie oben erwähnt, ist es für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens besonders vorteilhaft, wenn das Verbindungselement
Die
Die
Die
Die Bohrung
Wie in den
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 110110
- metallisches Bauteilmetallic component
- 112112
- Kunststoff-BauteilPlastic component
- 114114
- Blechsheet
- 116116
- FaserwerkstoffFiber material
- 118, 118'118, 118 '
- Aussparungrecess
- 120, 120'120, 120 '
- (metallisches) Verbindungselement(metallic) connecting element
- 122122
- Vertiefungdeepening
- 124124
- Elektrodeelectrode
- 126126
- Kupferelektrodecopper electrode
- 128128
- äußere Oberflächeouter surface
- 130, 130'130, 130 '
- Verbindungsflächeinterface
- 132132
- Lückegap
- 134134
- (elektrischer) Stromkreis(electrical) circuit
- 136136
- Gegenelektrodecounter electrode
- 137137
- Gegenhalterbackstop
- 138138
- zylindrische Ausführungcylindrical design
- 140140
- konische Ausführungconical design
- 142142
- Endteilend
- 144144
- flacher, offener Bodenflat, open ground
- 146146
- offener, angeschrägter Bodenopen, tapered bottom
- 148148
- flacher, geschlosser Bodenflat, closed ground
- 150150
- Vorsprunghead Start
- 152152
- Nutgroove
- 154, 154'154, 154 '
- Formschlussform-fit
- 156156
- Kopfteilheadboard
- 158158
- Aufstandsflächefootprint
- 160160
- Absatzparagraph
- 162162
- Stift zur LichtbogenzündungPen for arc ignition
- 164164
- Phasephase
- 166166
- angeschrägtes Endteilbevelled end part
- 167167
- Spaltgap
- 168, 168'168, 168 '
- Bohrungdrilling
- 169169
- elastisches Dichtelementelastic sealing element
- 170170
- Mittel (Korrosionsschutzmittel und/oder Klebstoff)Agent (corrosion inhibitor and / or adhesive)
- 172172
- Düsejet
- 174174
- Öffnungopening
- 176176
- Spaltgap
- 178178
- Lotwerkstoff (Lot)Solder material (solder)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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