DE102018125338A1

DE102018125338A1 - Verfahren zur Herstellung eines profilierten Aluminiumelements mit Haftvermittlerschicht

Info

Publication number: DE102018125338A1
Application number: DE102018125338.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Siemen; Wilhelm Schenkel; Volker Denkmann
Original assignee: Hydro Aluminium Rolled Products GmbH
Current assignee: Speira GmbH
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines profilierten Aluminiumelements (10) für ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil (12). Die Aufgabe, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermindern und insbesondere eine einfachere großtechnische Herstellung zu ermöglichen, wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein Band (2) aus einer Aluminiumlegierung durch Warm- und/oder Kaltwalzen bereitgestellt wird, wobei das Band (2) eine Längsrichtung aufweist, bei dem das Band (2) einer Bandbeschichtung unterzogen wird, wobei mit der Bandbeschichtung auf das Band (2) zumindest abschnittsweise eine Haftvermittlerschicht (4) aufgebracht wird, bei dem das Band (2) oder ein aus dem Band (2) abgeteiltes Blech einem Rollformen unterzogen wird, wobei mit dem Rollformen im Band (2) oder Blech ein Profil im Querschnitt zur Längsrichtung erzeugt wird. Weiter werden ein profiliertes Aluminiumelement (10), eine gefügte Metallkonstruktion (22) und ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil (12) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines profilierten Aluminiumelements für ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil. Weiter betrifft die Erfindung ein profiliertes Aluminiumelement für ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteils, insbesondere hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, mit einer Längsrichtung, mit einem Profil in einem Querschnitt zur Längsrichtung, wobei ein Verankerungsbereich und ein Anschlussbereich vorgesehen ist und wobei zumindest der Verankerungsbereich eine Haftvermittlerschicht zur Verbindung mit einem Kunststoffelement aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine gefügte Metallkonstruktion, aufweisend mindestens ein erfindungsgemäßes profiliertes Aluminiumelement sowie ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil mit mindestens einer Aluminiumlage und mindestens einer kunststoffhaltigen Lage.
Metall-Kunststoff-Verbundbauteile werden im Automobilbereich eingesetzt. Insbesondere im Bereich der Konstruktion und Herstellung von Karosserien sind verschiedene technische Anforderungen und Vorgaben zu erfüllen, die bei der Auswahl der Werkstoffe für die Karosserie berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise erfordert die Konstruktion eines Unterbodenbereichs für ein Kraftfahrzeug eine Optimierung hinsichtlich der Geräuschentwicklung, des Luftwiderstandbeiwertes, der Stabilität und des Crash-Verhaltens. Weiterhin sollen die eingesetzten Werkstoffe und Bauteile auch ein möglichst geringes Gewicht aufweisen, um dadurch beispielsweise einen optimierten Kraftstoffverbrauch erreichen zu können. Metall- bzw. Aluminium-Kunststoff-Verbundbauteile können als entsprechende Leichtbauelemente beispielsweise schwerere Stahlmodule ersetzen.
Beispielsweise werden für Unterbodenbereiche von Kraftfahrzeugen Verkleidungen eingesetzt, die aus einem einfachen einteiligen Aufbau aus Polypropylen mit Glasfaserfüllung bestehen, um auf diese Weise eine gute Schallisolation und einen verbesserten Luftwiderstandsbeiwert c_w zu erreichen. Hierzu werden insbesondere langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT), glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT) oder Low Weight Reinforced Thermoplastics (LWRT)-Werkstoffe eingesetzt.
Die EP 2 965 902 A1 beschreibt hierzu ein mehrschichtiges Strukturbauteilmit einer Schichtstruktur aufweisend Fasermaterial mit einem thermoplastischen Bindemittel und mindestens einer Aluminiumschicht. Ein Anschlusselement mit einem zwischen den Schichten der Schichtstruktur angeordneten Verankerungsbereich und einem Anschlussbereich zum Verbinden mit einem weiteren Bauteil sind vorgesehen. Bei dem Anschlusselement kann es sich um ein extrudiertes Aluminiumprofil handeln. Entsprechende Anschlusselemente können eine Haftvermittlerschicht erforderlich machen, welche dafür vorgesehen ist, die Haftung zwischen dem Anschlusselement und den umgebenden Kunststoff- bzw. Faserschichten zu erhöhen.
Bei einer Herstellung eines Anschlusselements für ein Aluminium-Kunststoff-Verbundbauteil über eine Extrusion bzw. einem Strangpressen wird das Anschlusselement über die Herstellung geformt und direkt als Aluminiumprofil mit einem vordefinierten Profil in einem Querschnitt zu einer Längsrichtung erzeugt. Die extrudierten Aluminiumprofile werden üblicherweise auf eine vorgesehene Länge abgeteilt und dann zur Aufbringung einer Haftvermittlerschicht stückbehandelt, d.h. einzelne Anschlusselemente werden vorbehandelt und beschichtet, beispielsweise in einer Tauchbehandlung mit anschließender Pulverlackierung oder Nasslackierung.
Das Strangpressen ist ein vergleichsweise kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Aluminiumprofilen, da die Profilierung direkt durch die Herstellung erreicht wird. Für die Anwendung in Metall-Kunststoff-Verbundbauteilen ist jedoch die üblicherweise anfallende Behandlung eher aufwändig, da die Profile zur Vorbehandlung und Beschichtung bzw. Lackierung einzeln stückbehandelt werden müssen. Ebenfalls ist die Ausgestaltung der Aluminiumprofile aufgrund der Anforderungen des Extrudierens gewissen Beschränkungen unterworfen, beispielsweise hinsichtlich der Legierungsauswahl sowie der erzielbaren minimalen Wandstärke.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines profilierten Aluminiumelements für ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile aus dem Stand der Technik vermindert und insbesondere eine einfachere großtechnische Herstellung ermöglicht wird. Ebenso wird ein profiliertes Aluminiumelement für ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil, eine gefügte Metallkonstruktion sowie ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen.
Gemäß einer ersten Lehre wird die Aufgabe in Bezug auf ein Verfahren zur Herstellung eines profilierten Aluminiumelements für ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil gelöst, bei dem ein Band aus einer Aluminiumlegierung durch Warm- und/oder Kaltwalzen bereitgestellt wird, wobei das Band eine Längsrichtung aufweist, bei dem das Band einer Bandbeschichtung unterzogen wird, wobei mit der Bandbeschichtung auf das Band zumindest abschnittsweise eine Haftvermittlerschicht aufgebracht wird, bei dem das Band und/oder ein aus dem Band abgeteiltes Blech einem Rollformen unterzogen wird, wobei mit dem Rollformen im Band und/oder Blech ein Profil im Querschnitt zur Längsrichtung erzeugt wird.
Die Bereitstellung von Bändern aus Aluminiumlegierungen durch Warm- und/oder Kaltwalzen ist hierbei besonders wirtschaftlich. Beispielsweise ist ein Direct-Chill-Verfahren vorgesehen, wobei ein Walzbarren aus einer Aluminiumlegierung gegossen wird. Der Walzbarren kann optional homogenisiert und/oder gefräst werden. Anschließend kann der Walzbarren durch ein Warm- und/oder Kaltwalzen zu einem Band mit der vorgesehen Enddicke weiterverarbeitet werden, wobei die Enddicke beispielsweise der vorgesehenen (Wand-)Dicke des profilierten Aluminiumelements entspricht. Die Walzschritte können hierbei optional ein Zwischenglühen umfassen, insbesondere zwischen mehreren Kaltwalzstichen. Ebenso kann eine Besäumung und/oder Teilung des gewalzten Bands vorgenommen werden.
Alternativ zu einem Direct-Chill-Verfahren kann ein Bandgießen bzw. ein Continuous-Casting-Verfahren vorgesehen sein, mit welchem die Aluminiumlegierung direkt in eine Bandform gebracht wird, bevor ein Warm- und/oder Kaltwalzen durchgeführt wird.
Durch die Herstellung über ein Warm- und/oder Kaltwalzen entsteht neben einem charakteristischen, im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften vorteilhaften Gefüge auch eine Ausdehnung eines Bands in einer Längsrichtung. Mit der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass über eine Bandbeschichtung bzw. ein Coil-Coating-Verfahren besonders wirtschaftlich eine für eine Verwendung in einem Metall-Kunststoff-Verbundbauteil vorteilhafte Haftvermittlerschicht aufgebracht werden kann. Beispielsweise wird die Beschichtung an einem laufenden Band in Längsrichtung durchgeführt, womit die Beschichtung im Wesentlichen über die gesamte Länge eines Bands in Längsrichtung in einem einzigen Schritt und optional einseitig oder beidseitig über die gesamte Breite des Bands aufgebracht werden kann. Eine Bandbeschichtung kann hierbei mit sehr hohen Produktionsgeschwindigkeiten unter gleichzeitiger Erzielung einer hohen Beschichtungsqualität und hohem Haftvermögen durchgeführt werden. Eine aufwendige Stückbehandlung einzelner Aluminiumprofile kann somit entfallen. Das Band kann (ggf. in einem Schritt) einseitig oder zweiseitig, abschnittsweise (streifenförmig) oder über die volle Breite beschichtet werden.
Das Band kann einem Rollformen unterzogen werden, wobei das Band bevorzugt nach der Bandbeschichtung einem Rollformen unterzogen wird. Bei einem Rollformen werden insbesondere Biegemittel wie beispielsweise Umformrollen verwendet. Das Band läuft durch die Biegemittel, um ein Profil in einem Querschnitt zur Längsrichtung zu erhalten. Auch ein Rollformen kann mit vergleichsweise hohen Durchlaufgeschwindigkeiten durchgeführt werden, wobei auch in einem einzigen Schritt im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Bands ein Profil erzeugt wird.
Zudem ist ein Rollformen flexibel einstellbar im Hinblick auf das zu erzeugende Profil, da beispielsweise Biegemittel wie Umformrollen verstellbar ausgestaltet werden können. Entsprechend können verschiedene Profile mit der gleichen Rollformvorrichtung erzielt werden. Die Bandbeschichtung kann auf einfache Weise am flachen, unverformten Band durchgeführt werden und durch die bei der Umformung bereits vorhandene Beschichtung entsteht auch im profilierten Band eine gleichmäßige Haftvermittlerschicht im Wesentlichen unabhängig vom erzeugten Profil.
Das Rollformen kann hierbei direkt am gewalzten Band im Wesentlichen entlang der vollen Breite und/oder vollen Länge durchgeführt werden. Ebenso kann ein Rollformen an einem in Längsrichtung abgeteilten Band vorgenommen werden. Beispielsweise ist mindestens ein Bandteiler vorgesehen, welcher vom Band durchlaufen wird. Hiermit wird das Band in Längsrichtung zu mehreren Bändern mit geringerer Breite abgeteilt. Entsprechend können mehrere profilierte Bänder gleichzeitig bereitgestellt werden, insbesondere mit verschiedenen Profilen.
Denkbar ist allerdings auch, dass aus dem Band Bleche abgeteilt werden und die Bleche einem Rollformen unterzogen werden. Beispielsweise werden die Bleche direkt auf die für die spätere Verwendung vorgesehene Dimension abgelängt. Auch die Ausgestaltungen von weiteren Verfahrensschritten gemäß der nachfolgenden Beschreibung können prinzipiell auch an vom Band abgeteilten Blechen durchgeführt werden.
Im Ergebnis wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von beschichteten und profilierten Aluminiumelementen für Metall-Kunststoff-Verbundbauteile insbesondere im Vergleich zu extrudierten Aluminiumprofilen deutlich vereinfacht. Eine Stückbehandlung kann entfallen, da die Beschichtung und optional auch eine Vorbehandlung bereits auf wirtschaftliche Weise mit einer Bandbehandlung bereitgestellt wird.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Bandbeschichtung in einem Rinse-Verfahren oder bevorzugt in einem No-Rinse-Verfahren durchgeführt, insbesondere mittels eines zuvor beschriebenen Roll-Coaters. No-Rinse-Verfahren können hierbei sehr wirtschaftlich sein und neben einer Einsparung einer Spülflüssigkeit auch eine Einsparung des aufzutragenden Beschichtungsmaterials bewirken.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Bandbeschichtung mit einem Roll-Coater durchgeführt. Mindestens eine Auftragswalze kann vorgesehen sein, welche beispielsweise das Material der Haftvermittlerschicht aus einem Bad aufträgt. Ebenso können weitere Beschichtungswalzen vorgesehen sein, beispielsweise Transferwalzen und Pick-Up-Walzen. Roll-Coater können einseitig oder beidseitig vorgesehen sein.
In einer Bandbeschichtung, insbesondere mit einem Roll-Coater, werden in Ausgestaltungen des Verfahrens Beschichtungen mit einer Massenbelegung von 1 g/m² bis 50 g/m², insbesondere 2 g/m² bis 15 g/m² für die Haftvermittlerschicht aufgebracht. Weiter bevorzugte Bereiche für die Massenbelegung sind 2 bis 30 g/m², 5 bis 10g/m² und 6 bis 8 g/m². Die Untergrenze gewährleistet hierbei eine zuverlässige Haftung zu Kunststoffschichten des Verbundbauteils sowie ggf. einen Oberflächenschutz (z.B. einen Korrosionsschutz) des Aluminiumelements. Die Obergrenzen können beispielsweise zur Materialeinsparung herangezogen werden.
Die Schichtdicke der Haftvermittlerschicht kann beispielsweise von 1 µm bis 50 µm, insbesondere von 5 µm bis 15 µm betragen. Auch hier kann die Untergrenze eine zuverlässige Haftung zu Kunststoffschichten des Verbundbauteils sowie ggf. einen Oberflächenschutz des Aluminiumelements sicherstellen. Zur Materialeinsparung kann die maximale Schichtdicke berücksichtigt werden.
Die Haftvermittlerschicht kann als Primer und/oder Haftlack aufgebracht werden. Die Haftvermittlerschicht kann gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens auf thermoplastischem Kunststoff basieren. Thermoplastischer Kunststoff kann beispielsweise durch Erweichen bzw. Aufschmelzen eine besonders stabile Verbindung zwischen dem Aluminiumelement und einem Kunststoffelement bereitstellen. Beispiele für die Haftung gegen thermoplastische Kunststoffe sind Polypropylene (PP), Polyamide (PA), Polyethylene (PE) wie Polyethylenterephthalat (PET), Polystyrol (PS), Polycarbonate (PC), welche auch als Kombination vorgesehen sein können. Ebenso kann die Haftvermittlerschicht auf duroplastischem Kunststoff basieren bzw. duroplastische Kunststoffe aufweisen, insbesondere mindestens ein Epoxidharz und/oder Polyesterharz.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der ersten Lehre wird das Profil mit dem Rollformen als Halbschalenprofil, Hohlprofil oder Mehrkammerprofil ausgebildet. Entsprechende Profile erlauben eine gute Anbindung an Kunststoffelemente eines Verbundbauteils. Halbschalen-, Hohl- oder Mehrkammerprofile können ebenfalls dazu verwendet werden, Leitungen in den entstehenden Hohlräumen oder Kammern aufzunehmen, was beispielsweise für Anwendungen im Automobilbereich vorteilhaft ist.
Insbesondere können profilierte Aluminiumelemente zu einem geschlossenen Hohlprofil oder Mehrkammerprofil gefügt werden, beispielsweise durch ein thermisches Fügen wie ein Schweißen oder ein Löten. Ebenso ist ein Fügen über ein Verkleben und/oder einen Formschluss, beispielsweise eine Umbördelung möglich. Das Fügen kann auch am Band vorgenommen werden, beispielsweise beim bzw. nach dem Rollformen, so dass die geschlossenen Profile besonders wirtschaftlich erzeugt werden.
In einer nächsten Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der ersten Lehre wird das Band mit der Bandbeschichtung streifenförmig beschichtet. Beispielsweise wird eine Beschichtung streifenförmig in Längsrichtung aufgetragen, so dass im Profil Bereiche mit verschiedenen Beschichtungen oder auch blanke Bereiche (unbeschichtete Bereiche bzw. Bereiche ohne Haftvermittlerschicht) entstehen.
Denkbar ist es, dass Teile des Bands maskiert werden und anschließend die Bandbeschichtung vorgenommen wird, so dass maskierte Bereiche zunächst keine Beschichtung erhalten. Coil-Coating-Verfahren können allerdings auch erlauben, eine streifenförmige Beschichtung ohne eine Maskierung durchzuführen. Beispielsweise können Roll-Coater verwendet werden, deren Kontaktbreite kleiner ist als die Breite des zu beschichteten Bands, womit nur einzelne Bereiche des Bands in Längsrichtung beschichtet werden.
Die streifenförmige Beschichtung erlaubt eine besonders vielseitige Ausgestaltung des profilierten Aluminiumelements. Beispielsweise kann ein Verankerungsbereich mit einer Haftvermittlerschicht beschichtet sein, während ein Anschlussbereich beispielsweise unbeschichtet ist oder mit dekorativen Lacken und/oder Korrosionsschutz versehen ist. Über eine Bandbeschichtung kann eine solche streifenförmige Beschichtung besonders einfach und wirtschaftlich in einem einzigen Durchlauf eines Bands aufgebracht werden.
Gemäß einer nächsten Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Bandvorbehandlung des Bands durchgeführt wird, insbesondere eine der Bandbeschichtung vorangehende (separate) Bandvorbehandlung und/oder eine mit der Bandbeschichtung und der Aufbringung der Haftvermittlerschicht erfolgende Bandvorbehandlung. Insbesondere kann eine Bandvorbehandlung zum Korrosionsschutz, zur Konditionierung der Oberfläche des Bandes und/oder zur Säuberung der Oberfläche des Bandes vorgenommen werden.
Prinzipiell ist es denkbar, dass eine Bandbeschichtung an einem walzfettigen bzw. nicht vorbehandelten Band durchgeführt wird. Hierbei sind jedoch üblicherweise Rückstände wie Walzöl und vom Walzvorgang verbleibende Partikel wie Abrieb auf der Oberfläche des Bands vorhanden. Ebenso kann die Oxidschicht an der Oberfläche durch den Walzvorgang derart beschaffen sein, dass eine Bandbeschichtung negativ beeinflusst wird.
Mit einer Entfettung kann die Oberfläche des gewalzten Bands beispielsweise von Rückständen der Walzemulsionen befreit und für eine Bandbeschichtung vorbereitet werden. Eine Entfettung kann chemisch, mechanisch und/oder thermisch erfolgen. Eine thermische Entfettung mit einer Wärmebehandlung zur Überführung in einen glühentfetteten Zustand kann jedoch das Gefüge des Aluminiumlegierungsbands in einen unerwünschten Zustand überführen, beispielsweise einen aufgeweichten Zustand.
Mit einer chemischen Behandlung in der Bandvorbehandlung können entsprechende Nachteile einer thermischen Behandlung vermieden werden und die Oberfläche auf die Bandbeschichtung vorbereitet werden. Eine Entfettung wird beispielsweise über eine alkalische und/oder saure Entfettungslösung bewirkt. Neben dem Entfernen von Rückständen auf der Oberfläche des Bands kann auch ein Entfernen der Oxidschicht vorgenommen werden. In einer optionalen Dekapierung wird beispielsweise eine dünne Schicht der Oberfläche des Bands entfernt. Eine Dekapierung kann nach einer Entfettung, mit bzw. während einer Entfettung oder unabhängig von einer Entfettung durchgeführt werden.
Mit einem Anodisieren des Bands wird eine im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften und Korrosion beständigere Oberfläche erzeugt, welche ebenfalls eine besonders haltbare und gleichmäßige Bandbeschichtung ermöglichen kann. Ein Anodisieren kann insbesondere zur Erzeugung einer anodisierten Schicht mit einer Schichtdicke von 50 nm bis 150 nm erfolgen und wird beispeilsweise mittels eines Hot AC-Dünnschicht-Anodisierens vorgenommen. Eine chemische Vorbehandlung (z.B. Entfettung und/oder Dekapierung), eine Wärmebehandlung und/oder ein Anodisieren wird beispielsweise inline mit der Bandbeschichtung durchgeführt.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der ersten Lehre wird das Band mit einer Vorbehandlungsschicht beschichtet. Beispielsweise handelt es sich um eine Korrosionsschutzschicht bzw. eine Konversionsschicht, wodurch die Beständigkeit der hergestellten Aluminiumelemente verbessert wird. Zudem kann durch eine Vorbehandlungsschicht wie einer Konversionsschicht die Haftung der Haftvermittlerschicht verbessert werden. Die Vorbehandlungsschicht wird beispielsweise ebenfalls mit einer Bandbeschichtung und/Bandvorbehandlung und insbesondere vor der Haftvermittlerschicht aufgebracht. Ebenso ist es denkbar, dass weitere funktionale Beschichtungen vorgesehen sind.
Weiter kann eine Vorbehandlungsschicht aufweisend Ti-/Zr-Komplexe aufgebracht werden. Beispielsweise sind komplexe Ti- und/oder Zi-Fluoride vorgesehen. Die Vorbehandlungsschicht kann chromfrei sein, womit die umwelttechnischen Nachteile von Chromverbindungen bei der Verarbeitung und der Entsorgung der Aluminiumelemente vermieden werden.
In einer Ausgestaltung weist das Band eine Dicke von 50 µm bis 5 mm, insbesondere 100 µm bis 500 µm auf, welche beispielsweise für die mechanischen und gewichtsspezifischen Anforderungen im Automobilbau wie in der Karosserietechnik besonders geeignet ist. Mit der Dicke des Bands ergeben sich entsprechende (d.h. im Wesentlichen gleiche) Wanddicken bzw. Materialstärken des hergestellten Aluminiumelements.
Mit der Bandbeschichtung und insbesondere einer Rollformung eines Bands können auch geringere Dicken des Aluminiumelements erreicht werden, welche für eine Extrusion weniger geeignet sind bzw. welche über eine Extrusion nicht erreicht werden können. Beispielsweise kann über eine Herstellung aus einem warm- bzw. kaltgewalzten Band ohne weiteres eine Dicke von 100 µm bis 1000 µm erreicht werden. Bevorzugte weitere Dicken können 100 µm bis 500 µm oder 100 µm bis 300 µm betragen.
Mit der Bereitstellung als Band und einem Rollformen ergibt sich auch die Möglichkeit, Aluminiumlegierungen auszuwählen, welche für eine Extrusion weniger geeignet sind und auch hochfeste Aluminiumlegierungen zu verwenden. Die entsprechenden Legierungen können beispielsweise in einem Direct-Chill-Verfahren bereitgestellt werden. Verschiedene Aluminiumlegierungen sind denkbar, insbesondere Legierungen des Typs AA 3xxx, AA 5xxx (z.B. AA 5083) und AA 6xxx.
Gemäß einer zweiten Lehre wird die oben genannte Aufgabe durch ein profiliertes Aluminiumelement für ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil dadurch gelöst, dass das Aluminiumelement ein warmgewalztes und/oder kaltgewalztes Gefüge aufweist.
Der Verankerungsbereich des Aluminiumelements ist vorzugsweise flach ausgebildet, beispielsweise blech- bzw. laschenförmig, so dass der Verankerungsbereich flach zwischen zwei Schichten einer Kunststoffschichtstruktur eingebettet werden kann. Ein solcher flacher Verankerungsbereich kann auf einfache Weise aus einem Band bereitgestellt werden und weist eine große Oberfläche zur Verbindung mit Kunststoffelementen auf. Eine flache Ausgestaltung des Verankerungsbereichs kann zudem den grundsätzlichen Schichtaufbau einer Kunststoffschichtstruktur erhalten.
Der Anschlussbereich des Aluminiumelements kann beispielsweise einem weiteren Bauteil korrespondierende Verbindungsmittel aufweisen wie korrespondierende Bohrungen für Schraub- oder Nietverbindungen oder korrespondierende Flansche für eine Löt- oder Schweißverbindung.
Über ein Warm- und/oder Kaltwalzen wird im Aluminiumelement ein bestimmtes Gefüge eingestellt, welcher sich strukturell beispielsweise vom Gefüge eines extrudierten Aluminiumprofils unterscheidet. Neben der im Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß der ersten Lehre dargestellten vereinfachten Herstellung des Aluminiumelements kann ein warmgewalztes und/oder kaltgewalztes Gefüge auch im Vergleich zu extrudierten Aluminiumprofilen vorteilhafte mechanische Eigenschaften aufweisen, welche mit der Erfindung für Metall-Kunststoff-Bauteile genutzt werden können.
In einer nächsten Ausgestaltung gemäß der zweiten Lehre ist das profilierte Aluminiumelement in Längsrichtung streifenweise beschichtet, wobei der Verankerungsbereich eine streifenförmige Haftvermittlerschicht aufweist. Beispielsweise ist nur der Verankerungsbereich beschichtet und die restlichen Bereiche und insbesondere der Anschlussbereich sind blank oder weisen eine andere Beschichtung auf, etwa eine Konversionsschicht, eine Korrosionsschutzschicht, ein KTL-Ersatzsystem und/oder dekorative Beschichtungen. Entsprechende Streifen können in Längsrichtung vorgesehen sein, welche beispielsweise durch ein abschnittsweises Coil-Coating erreicht werden, wobei unter anderem mindestens eine dekorative Beschichtung und/oder mindestens ein blanker Streifen möglich sind.
Gemäß einer dritten Lehre wird zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch eine gefügte Metallkonstruktion angegeben, welche mindestens ein profiliertes Aluminiumelement gemäß der zweiten Lehre und mindestens ein weiteres Metallelement aufweist. Das profilierte Aluminiumelement ist mit dem weiteren Metallelement durch Fügen verbunden, beispielsweise durch ein thermisches Fügen wie ein Schweißen oder ein Löten. Ebenso ist ein Fügen über ein Verkleben und/oder einen Formschluss, beispielsweise eine Umbördelung möglich. Über eine gefügte Metallkonstruktion ist es möglich, das vorteilhafte Aluminiumelement gemäß der zweiten Lehre mit weiteren funktionalen Metallelementen zu verbinden und diese in einem Metall-Kunststoff-Verbundbauteil einzubinden. Bei dem weiteren Metallelement kann es sich um ein Element aus einer Aluminiumlegierung handeln. Insbesondere handelt es sich ebenfalls um ein rollgeformtes Aluminiumelement, beispielsweise gemäß der zweiten Lehre, und/oder um Metallelemente aus Stahl oder Stahllegierungen. Die gefügte Metallkonstruktion kann insbesondere für den Fahrzeugbau ausgestaltet sein.
Die oben genannte Aufgabe wird zudem gemäß einer vierten Lehre der Erfindung durch ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil dadurch gelöst, dass die mindestens eine Aluminiumlage zumindest teilweise durch ein profiliertes Aluminiumelement nach der zweiten Lehre gebildet ist, wobei die Haftvermittlerschicht des beschichteten Aluminiumelements mit der mindestens einen kunststoffhaltigen Lage verbunden ist. Die Haftvermittlerschicht ist insbesondere durch einen Stoffschluss bzw. Materialschluss, beispielsweise über ein Aufweichen, Verschmelzen und/oder Verkleben mit der kunststoffhaltigen Lage verbunden.
Insbesondere weist die kunststoffhaltige Lage einen faserverstärkten Kunststoff auf. Als Fasern für die Verstärkung können insbesondere Glasfaser, Kohlefaser, Aramidfasern, Keramikfasern und/oder Quarzfasern verwendet werden. Insbesondere ist das Metall-Kunststoff-Verbundbauteil mit langfaserverstärkten Thermoplasten (LFT), glasmattenverstärkten Thermoplasten (GMT) oder Low Weight Reinforced Thermoplastics (LWRT)-Werkstoffen versehen.
Die Schichtstruktur kann eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinander angeordneten Schichten umfassen, wobei die Schichtstruktur mindestens eine Faserschicht aus einem Fasermaterial und einem (z.B. thermoplastischen) Bindemittel und die mindestens eine Aluminiumschicht umfasst. Die Schichtstruktur kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl übereinander angeordneter Schichten umfassen. Vorzugsweise weist die Schichtstruktur jedoch zumindest zwei Faserschichten und mindestens zwei Aluminiumschichten auf. Die Schichtstruktur weist in Stapelrichtung vorzugsweise einen symmetrischen Aufbau auf, insbesondere mit zwei mittig angeordneten, benachbarten Faserschichten, zwischen denen der Verankerungsbereich eingebettet ist.
Das Metall-Kunststoff-Verbundbauteil kann durch ein Heißverpressen hergestellt werden. Die Schichten der Schichtstruktur und das Anschlusselement können derart in einem Formwerkzeug in Stapelrichtung übereinander angeordnet werden, dass der Verankerungsbereich des Anschlusselements zwischen zwei in Stapelrichtung benachbarten Schichten der Schichtstruktur eingebettet ist, insbesondere zwischen zwei Faserschichten, und bei dem die Schichten und das Aluminiumelement zumindest im Verankerungsbereich heißverpresst werden.
Unter dem Heißverpressen wird verstanden, dass die Schichten der Schichtstruktur vor oder beim Verpressen derart erwärmt werden, dass etwa ein thermoplastisches Bindemittel der Faserschichten und/oder die Haftvermittlerschicht erweicht.
Das Metall-Kunststoff-Verbundbauteil kann insbesondere als Karosseriebauteil oder Karosserieanbauteil eines Fahrzeugs, insbesondere eines Automobils ausgestaltet sein.
Die zuvor in dieser Beschreibung wiedergegebenen beispielhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sollen auch in allen Kombinationen miteinander offenbart verstanden werden. Insbesondere sollen beispielhafte Ausgestaltungen in Bezug auf die unterschiedlichen Lehren offenbart verstanden werden. Insbesondere sollen durch die vorherige oder folgende Beschreibung von Verfahrensschritten gemäß bevorzugter Ausführungsformen eines Verfahrens auch entsprechende Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte durch bevorzugte Ausführungsformen einer Vorrichtung offenbart sein.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden detaillierten Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, insbesondere in Verbindung mit der Zeichnung, zu entnehmen. Die Zeichnung zeigt in

1a-d schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens gemäß der ersten Lehre, eines profilierten Aluminiumelements gemäß der zweiten Lehre sowie eines Metall-Kunststoff-Verbundbauteils gemäß der vierten Lehre,
2a-d eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels,
3a-b eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels mit einer gefügten Metallkonstruktion gemäß der dritten Lehre und
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer gefügten Metallkonstruktion gemäß der dritten Lehre.

1a-d zeigt schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens gemäß der ersten Lehre.
In 1a ist zunächst schematisch der Querschnitt eines Bands 2 quer zu einer Längsrichtung dargestellt. Das Band 2 wird aus einer Aluminiumlegierung durch Warm- und/oder Kaltwalzen bereitgestellt, womit im Band 2 ein für einen Walzvorgang charakteristisches Gefüge entsteht. Beispielsweise wird im Direct-Chill-Verfahren ein Walzbarren aus einer Aluminiumlegierung gegossen, homogenisiert und durch ein Warm- und/oder Kaltwalzen zu einem Band 2 weiterverarbeitet.
Das Band 2 kann walzhart oder mit einer Wärmebehandlung zur Einstellung des Gefügezustands verwendet werden. Im nächsten Schritt wird das Band vorbehandelt (entfettet und konversionsbeschichtet). Die Vorbehandlungsschicht weist Ti-/Zr-Komplexe (insbesondere Ti- und/oder Zr-Fluoride als Komplex) auf und ist chromfrei.
Das Band 2 wird einer Bandbeschichtung unterzogen, wobei wie in 1b gezeigt auf dem Band 2 eine Haftvermittlerschicht 4 aufgebracht wird. Die Haftvermittlerschicht 4 kann einseitig oder - wie hier dargestellt - zweiseitig aufgebracht werden. Die Bandbeschichtung wird mit einem Coil-Coating-Verfahren durchgeführt, wobei die Haftvermittlerschicht 4 mit einem Roll-Coater aufgebracht wird. Die Haftvermittlerschicht 4 wird mit einer Massenbelegung von 1 g/m² bis 50 g/m² aufgetragen.
Die Haftvermittlerschicht 4 basiert hierbei auf Polymermaterialien, insbesondere Thermoplasten wie PP, PA, PET und/oder PE. Alternativ können auch Duroplaste für die Haftvermittlerschicht 4 vorgesehen sein, beispielsweise Epoxidharze und/oder Polyesterharze.
Das Band 2 wird einem Rollformen unterzogen, beispielsweise indem das Band 2 durch Umformrollen hindurchgeführt wird. Somit wird über das Rollformen im Band 2 ein Profil im Querschnitt zur Längsrichtung erzeugt, vgl. 1c. Insbesondere mit der Form des Profils ist ein Verankerungsbereich 6 und ein Anschlussbereich 8 vorgegeben, wobei die Haftvermittlerschicht 4 auch im Verankerungsbereich 6 vorgesehen ist, so dass der Verankerungsbereich 6 mit einem Kunststoffelement verbunden werden kann.
Entsprechend wird ein profiliertes Aluminiumelement 10 für ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil gebildet, wobei das Aluminiumelement 10 über das profilierte Band 2 ein warmgewalztes und/oder kaltgewalztes Gefüge aufweist. Das profilierte Aluminiumelement 10 kann eine Dicke bzw. Wandstärke von 100 µm bis 5 mm aufweisen, welche auf die Dicke des gewalzten Bands 2 zurückgeht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Herstellung von beschichteten und profilierten Aluminiumelementen 10 für Metall-Kunststoff-Verbundbauteile insbesondere im Vergleich zu extrudierten Aluminiumprofilen deutlich vereinfacht, wobei beispielsweise durch die Bandbeschichtung mit der Haftvermittlerschicht 4 und der Vorbehandlung am Band 2 eine Stückbehandlung entfallen kann.
Das profilierte Aluminiumelement 10 kann wie in 1d gezeigt in einem Metall-Kunststoff-Verbundbauteil 12 verwendet werden. Hierzu wird das profilierte Aluminiumelement 10 mit einem Kunststoffelement 14 verbunden. Das Kunststoffelement 14 weist mehrere kunststoffhaltige Lagen 16 auf, welche durch Faserlagen 18 (beispielsweise Glas- und/oder Kohlefasern) verstärkt sind. Der Verankerungsbereich 6 des profilierten Aluminiumelements 10 stellt hierbei eine Aluminiumlage bereit, welche in die kunststoffhaltigen Lagen 16 eingebettet werden kann. Hierbei wird die Haftvermittlerschicht 4 des profilierten Aluminiumelements 10 mit den kunststoffhaltigen Lagen 16 verbunden, insbesondere durch ein Erweichen oder Aufschmelzen der Haftvermittlerschicht 4 und/oder der kunststoffhaltigen Lagen 16, wobei ein Materialschluss entsteht. Das Metall-Kunststoff-Verbundbauteil 12 ist beispielsweise als Verbund mit LFT-, GMT- oder LWRT-Werkstoffen ausgestaltet.
2a-d zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels, wobei die Nummerierung der Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente beibehalten wurde. In 2a ist hierbei ein Band 2 dargestellt, welches wie oben zur 1a beschrieben bereitgestellt wird.
In 2b ist das Band 2 nach einer Bandbeschichtung mit einer Haftvermittlerschicht 4 dargestellt, wobei allerdings das Band 2 mit der Bandbeschichtung streifenförmig beschichtet wird. Die Haftvermittlerschicht 4 wird somit nur bereichsweise aufgebracht, was insbesondere über Roll-Coater bewirkt wird. Weiter können Streifen in Längsrichtung mit mindestens einer dekorativen Beschichtung (nicht dargestellt) und/oder blanke Streifen vorgesehen sein.
Mit einem Rollformen wird ein Profil eingebracht, womit wie in 2c gezeigt ein profiliertes Aluminiumelement 10 erzeugt wird. Durch die streifenförmige Beschichtung ist im Wesentlichen nur der Verankerungsbereich 6 mit der Haftvermittlerschicht 4 beschichtet. Der Anschlussbereich 8 weist beispielsweise keine weitere Beschichtung oder eine andere Beschichtung (etwa eine dekorative Beschichtung) auf.
Wie in 2d gezeigt, kann das profilierte Aluminiumelement 10 über den mit der Haftvermittlerschicht 4 versehenen Verankerungsbereich 6 mit einem Kunststoffelement 14 verbunden werden, wobei eine Aluminiumlage in kunststoffhaltigen Lagen 16 mit Faserlagen 18 eingebettet ist.
Über eine streifenförmige Bandbeschichtung lässt sich die Haftvermittlerschicht 4 besonders wirtschaftlich bereichsweise aufbringen, wobei beispielsweise Roll-Coater verwendet werden, welche nur bereichsweise über die Breite des Bands 2 in Kontakt stehen. Eine Maskierung ist bei der bereichsweisen Beschichtung nicht zwingend notwendig.
3a-b zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels mit einer gefügten Metallkonstruktion gemäß der dritten Lehre. Ausgehend von dem in 2c gezeigten profilierten Aluminiumelement 10, welches als Halbschalenprofil ausgestaltet ist, wird das profilierte Aluminiumelement 10 mit einem weiteren Metallelement 20 gefügt, beispielsweise am umgeformten Band 2 geschweißt. Hierdurch entsteht wie in 3a gezeigt eine als Hohlprofil ausgestaltete gefügte Metallkonstruktion. Das weitere Metallelement 20 ist beispielsweise ebenfalls ein profiliertes Aluminiumelement gemäß der zweiten Lehre oder ein unbeschichtetes profiliertes Aluminiumelement, welches ebenfalls durch Rollformen eines warm- und/oder kaltgewalzten Bands hergestellt wurde.
3b zeigt weiter die Verwendung der gefügten Metallkonstruktion aus 3a in einem Metall-Kunststoff-Verbundbauteil ähnlich zu den Ausführungsbeispielen aus 1d und 2d.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer gefügten Metallkonstruktion 22 gemäß der dritten Lehre in einer perspektivischen Darstellung. Hierbei sind zwei rollgeformte und beschichtete Aluminiumelemente 10 mit einem Metallelement 20 verschweißt. Die rollgeformten Aluminiumelemente 10 können weiter mit Kunststoffelementen (nicht gezeigt) verbunden werden, um beispielsweise ein Karosseriebauteil eines Fahrzeugs herzustellen.
Zur Prüfung der Qualität und der Haftfähigkeit der Verbindung zwischen bandbeschichteten Aluminiumelementen mit Haftvermittlerschicht und thermoplastischen Bauteilen wurden zudem Versuche durchgeführt. Hierbei wurden auf mehrere Aluminiumelemente mit einer Dicke von etwa 0,4 mm Haftvermittlerschichten mit Massenbelegungen von 2 bis 30 g/m², 5 bis 10g/m² sowie 6 bis 8 g/m² aufgetragen. Als Haftvermittlerschichten wurden Haftlacke auf Basis von Epoxidharz (Kennzeichnung 008Y198 zum Verbund gegen PP) und Polyesterharz (Kennzeichnung 008Y765 zum Verbund gegen PET) verwendet. Mit den verschiedenen Massenbelegungen und mit beiden Haftlacksystemen wurden hierbei Haftwerte von mehr als 3N/mm bei Siegelung gegen die Thermoplaste erzielt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2965902 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines profilierten Aluminiumelements (10) für ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil (12), - bei dem ein Band (2) aus einer Aluminiumlegierung durch Warm- und/oder Kaltwalzen bereitgestellt wird, wobei das Band (2) eine Längsrichtung aufweist, - bei dem das Band (2) einer Bandbeschichtung unterzogen wird, wobei mit der Bandbeschichtung auf das Band (2) zumindest abschnittsweise eine Haftvermittlerschicht (4) aufgebracht wird, - bei dem das Band (2) oder ein aus dem Band (2) abgeteiltes Blech einem Rollformen unterzogen wird, - wobei mit dem Rollformen im Band (2) oder Blech ein Profil im Querschnitt zur Längsrichtung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandbeschichtung mit einem Roll-Coater durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Haftvermittlerschicht (4) basierend auf thermoplastischem Kunststoff, insbesondere PP, PA, PE, PET, PS, PC aufgebracht wird; und/oder - eine Haftvermittlerschicht (4) basierend auf duroplastischem Kunststoff, insbesondere mindestens einem Epoxidharz und/oder Polyesterharz aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Profil mit dem Rollformen als Halbschalenprofil, Hohlprofil oder Mehrkammerprofil ausgebildet wird und insbesondere zu einem geschlossenen Hohlprofil oder Mehrkammerprofil gefügt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Band (2) mit der Bandbeschichtung streifenförmig beschichtet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Bandvorbehandlung des Bands (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass - die Bandvorbehandlung eine chemische Behandlung umfasst, insbesondere eine Entfettung, Dekapierung und/oder Spülung; - die Bandvorbehandlung eine Anodisation umfasst, insbesondere mittels Hot AC-Dünnschicht-Anodisation; und/oder - die Bandvorbehandlung eine Wärmebehandlung umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Band (2) zusätzlich mit mindestens einer Vorbehandlungsschicht beschichtet wird, insbesondere umfassend mindestens eine Korrosionsschutzschicht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens eine Vorbehandlungsschicht aufweisend Ti-/Zr-Komplexe und insbesondere mindestens eine chromfreie Vorbehandlungsschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Haftvermittlerschicht (4) eine Schichtdicke von 1 µm bis 50 µm, insbesondere eine Schichtdicke von 5 µm bis 15 µm aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Band (2) eine Dicke von 50 µm bis 5 mm aufweist, insbesondere eine Dicke von 100 µm bis 500 µm.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Band (2) auf einer Aluminiumlegierung des Typs AA 3xxx, AA 5xxx, AA 5083 oder AA 6xxx basiert.
Profiliertes Aluminiumelement (10) für ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil (12), insbesondere hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, - mit einer Längsrichtung, - mit einem Profil in einem Querschnitt zur Längsrichtung, - wobei ein Verankerungsbereich (6) und ein Anschlussbereich (8) vorgesehen sind, - wobei zumindest der Verankerungsbereich (6) eine Haftvermittlerschicht (4) zur Verbindung mit einem Kunststoffelement (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - das profilierte Aluminiumelement (10) ein warmgewalztes und/oder kaltgewalztes Gefüge aufweist.
Profiliertes Aluminiumelement (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass - das profilierte Aluminiumelement (10) in Längsrichtung streifenweise beschichtet ist, wobei der Verankerungsbereich (6) eine streifenförmige Haftvermittlerschicht (4) aufweist.
Profiliertes Aluminiumelement (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass - Streifen in Längsrichtung mit mindestens einer dekorativen Beschichtung und/oder blanke Streifen vorgesehen sind.
Gefügte Metallkonstruktion (22), - aufweisend mindestens ein profiliertes Aluminiumelement (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15 und mindestens ein weiteres Metallelement (20, 24), - wobei das profilierte Aluminiumelement (10) mit dem weiteren Metallelement (20, 24) durch Fügen verbunden ist.
Metall-Kunststoff-Verbundbauteil (12), - mit mindestens einer Aluminiumlage und mindestens einer kunststoffhaltigen Lage (16), dadurch gekennzeichnet, dass - die mindestens eine Aluminiumlage zumindest teilweise durch ein profiliertes Aluminiumelement (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15 gebildet ist, - wobei die Haftvermittlerschicht (4) des profilierten Aluminiumelements (10) mit der mindestens einen kunststoffhaltigen Lage (16) verbunden ist.