DE102018132986A1

DE102018132986A1 - Laserinduzierte mikroankerstruktur- und passivierungsschicht für metall-polymer-verbundfügen und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE102018132986A1
Application number: DE102018132986.5A
Authority: DE
Inventors: Hongliang Wang; Xingcheng Xiao; Guoxian Xiao; Jorge F. Arinez; Hua-Tzu Fan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2019-06-27
Also published as: US20190193339A1; CN109940899A

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine Metall-Polymer-Verbundverbindung bereit, die eine erste Komponente und eine zweite Komponente beinhaltet. Die erste Komponente beinhaltet ein Metall. Die erste Komponente weist eine erste Fläche auf, die eine Vielzahl von Mikroankern beinhaltet. Die zweite Komponente beinhaltet ein Verbundmaterial mit einem Polymer und einer Verstärkungsfaser. Die zweite Komponente hat eine zweite Fläche, die zumindest teilweise in die erste Fläche der ersten Komponente eingreift. Ein Teil des Polymers der zweiten Komponente nimmt mindestens einen Teil der Mikroanker der ersten Komponente auf, um die zweite Komponente an der ersten Komponente zu befestigen. In einem Aspekt beinhaltet die Metall-Polymer-Verbundverbindung ferner eine Passivierungsschicht, die zwischen der ersten Fläche der ersten Komponente und der zweiten Fläche der zweiten Komponente angeordnet ist.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt sieht Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung vor, bei denen es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Metall-Polymer-Verbundverbindung und Verfahren zur Herstellung der Metall-Polymer-Verbundverbindung. Insbesondere kann die Metall-Polymer-Verbundverbindung eine laserinduzierte Mikroankerstruktur- und Passivierungsschicht beinhalten.
Die Gewichtsreduzierung zur Verbesserung der Kraftstoffeinsparung bei Fahrzeugen hat die Verwendung verschiedener leichtgewichtiger Materialien gefördert, wie z. B. Aluminium- und Magnesiumlegierungen, sowie die Verwendung leichter, verstärkter Verbundmaterialien. Während die Verwendung derartiger leichter Materialien dazu dienen kann, das Gesamtgewicht zu reduzieren und im Allgemeinen die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, können Probleme bei der Herstellung bestimmter Komponenten auftreten. So kann beispielsweise das Formen großer, komplexer Teile aus einem verstärkten Verbundmaterial schwierig oder unmöglich sein. Es kann daher wünschenswert sein, mehrere kleinere Komponenten zu verbinden. Jedoch kann das Fügen unterschiedlicher Materialien, wie beispielsweise ein Metall und ein verstärkter Polymerverbundstoff, zusätzliche Herausforderungen, wie beispielsweise niederfeste Verbindungen oder lange Zykluszeiten bei der Herstellung, darstellen. Dementsprechend wäre es wünschenswert, ein schnelles und robustes Verfahren zum Fügen von Metall- und Verbundkomponenten zu entwickeln.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt sieht eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung vor und ist keine umfassende Offenbarung des vollständigen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine Metall-Polymer-Verbundverbindung bereit. Die Metall-Polymer-Verbundverbindung beinhaltet eine erste Komponente und eine zweite Komponente. Die erste Komponente beinhaltet ein Metall. Die erste Komponente weist eine erste Fläche auf, die eine Vielzahl von Mikroankern beinhaltet. Die zweite Komponente beinhaltet ein Verbundmaterial mit einem Polymer und einer Verstärkungsfaser. Die zweite Komponente hat eine zweite Fläche, die zumindest teilweise in die erste Fläche der ersten Komponente eingreift. Ein Teil des Polymers der zweiten Komponente nimmt mindestens einen Teil der Mikroanker der ersten Komponente auf, um die zweite Komponente an der ersten Komponente zu befestigen.
In einem Aspekt definiert die erste Fläche ferner eine Vielzahl von Höhen und eine Vielzahl von Tiefen. Die Vielzahl der Höhen definiert die Vielzahl von Mikroankern.
In einem Aspekt definiert die erste Fläche ferner eine Vielzahl von länglichen Tälern und eine Vielzahl länglichen Spitzen. Die länglichen Täler sind zwischen den länglichen Spitzen angeordnet. Ein Teil der Höhen und ein Teil der Tiefen sind auf jedem länglichen Tal angeordnet. Ein Teil der Höhen und ein Teil der Tiefen sind auf jeder länglichen Spitze angeordnet.
In einem Aspekt sind die Vielzahl von länglichen Tälern und die Vielzahl von länglichen Spitzen parallel zueinander angeordnet, und die Metall-Polymer-Verbundverbindung kann Belastungen von mehr als oder gleich etwa 6 kN in einer Richtung senkrecht zu den länglichen Tälern und den länglichen Spitzen standhalten.
In einem Aspekt wird das Metall ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Edelstahl, Aluminium und Kombinationen davon.
In einem Aspekt beinhaltet das Metall Aluminium. Die erste Fläche ist zumindest teilweise mit einer Passivierungsschicht einschließlich Aluminiumoxid (Al₂O₃) beschichtet.
In einem Aspekt wird das Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Polycarbonat (PC), einem Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Polyoxymethylen (POM), einem thermoplastischen Elastomer (TPE), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), einem thermoplastischen Olefin (TPO), einem Polyamid (PA, Nylon) und Kombinationen davon.
In einem Aspekt beinhaltet das Metall Aluminium, das Polymer beinhaltet Polyamid (PA, Nylon) und die Verstärkungsfaser beinhaltet eine Kohlenstofffaser.
In einem Aspekt beinhaltet mindestens ein Teil der Mikroanker Mikroöffnungen. Jede Mikroöffnung weist einen Umfang auf, der eine verbundene Form definiert.
In verschiedenen anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine weitere Metall-Polymer-Verbundverbindung bereit. Die Metall-Polymer-Verbundverbindung beinhaltet eine erste Komponente, eine zweite Komponente und eine Passivierungsschicht. Die erste Komponente beinhaltet Aluminium und weist eine erste Fläche auf. Die zweite Komponente ist an der ersten Komponente befestigt. Die zweite Komponente beinhaltet einen Verbundwerkstoff mit einem Polymer und einer Verstärkungsfaser. Die zweite Komponente hat eine zweite Fläche, die zumindest teilweise in die erste Fläche der ersten Komponente eingreift. Die Passivierungsschicht ist auf der ersten Fläche der ersten Komponente angeordnet. Die Passivierungsschicht greift in die zweite Fläche der zweiten Komponente ein. Die Passivierungsschicht beinhaltet Aluminiumoxid (Al₂O₃). Die Metall-Polymer-Verbundverbindung weist eine Überlappungsscherfestigkeit von mehr als oder gleich etwa 6 kN nach 5 Jahren auf.
In einem Aspekt weist die Passivierungsschicht einen durchschnittlichen Atomprozentsatz von Sauerstoff von mehr als oder gleich etwa 10 % bei einer Tiefe von 500 nm auf, gemessen von der ersten Fläche der ersten Komponente.
In noch weiteren Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Verbinden unterschiedlicher Materialien bereit. Das Verfahren beinhaltet das Richten eines ersten Laserstrahls auf eine erste Fläche einer ersten Komponente, um eine Vielzahl von Mikroankern in der ersten Fläche zu bilden. Die erste Komponente beinhaltet ein Metall. Das Verfahren beinhaltet auch das Anordnen der ersten Komponente auf einer zweiten Komponente, sodass die erste Fläche der ersten Komponente zumindest teilweise in eine zweite Fläche der zweiten Komponente eingreift. Die zweite Komponente beinhaltet einen Verbundwerkstoff mit einem Polymer und einer Verstärkungsfaser. Das Verfahren beinhaltet auch das Richten einer Wärmequelle auf eine dritte Fläche der ersten Komponente, um einen Abschnitt des Polymers zu schmelzen und einen Teil der Mikroanker einzunehmen. Die dritte Fläche ist gegenüber der ersten Fläche angeordnet.
In einem Aspekt beinhaltet die erste Komponente Metall und das Richten des ersten Laserstrahls in Richtung auf die ersten Fläche der ersten Komponente wird in Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt, um ein Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃-Schicht) auf der ersten Fläche zu bilden.
In einem Aspekt beinhaltet das Richten der Wärmequelle auf die dritte Fläche der ersten Komponente das Richten eines zweiten Laserstrahls auf die dritte Fläche der ersten Komponente. Der zweite Laserstrahl ist ein Dauerstrich-Laserstrahl (CW-Laserstrahl).
In einem Aspekt weist der zweite Laserstrahl eine Leistung von größer als oder gleich etwa 500 W und kleiner als oder gleich etwa 2000 W auf. Der zweite Laserstrahl weist eine Abtastgeschwindigkeit von größer als oder gleich etwa 100 mm/s und weniger als oder gleich etwa 2 m/s auf. Der zweite Laserstrahl weist eine Punktgröße von größer als oder gleich etwa 100 µm und kleiner als oder gleich etwa 500 µm auf.
In einem Aspekt beinhaltet das Richten des zweiten Laserstrahls auf die dritte Fläche der ersten Komponente das Bewegen des zweiten Laserstrahls in Bezug auf die erste Komponente, um eine erste Vielzahl von länglichen Tälern auf der dritten Fläche zu erzeugen. Jedes längliche Tal ist im Wesentlichen parallel zu den anderen länglichen Tälern angeordnet. Eine Mittellinie jedes länglichen Tals ist größer als oder gleich etwa 0,5 mm und kleiner als oder gleich etwa 5 mm von der Mittellinie jedes anderen länglichen Tals angeordnet.
In einem Aspekt beinhaltet das Richten des zweiten Laserstrahls auf die dritte Fläche der ersten Komponente ferner das Bewegen des zweiten Laserstrahls in Bezug auf die erste Komponente, um eine zweite Vielzahl von länglichen Tälern auf der dritten Fläche zu erzeugen. Jedes längliche Tal der zweiten Vielzahl von länglichen Tälern ist im Wesentlichen parallel zu den anderen länglichen Tälern der zweiten Vielzahl von länglichen Tälern angeordnet. Eine Mittellinie jedes längliche Tal der zweiten Vielzahl von länglichen Tälern ist größer als oder gleich etwa 0,5 mm und kleiner als oder gleich etwa 5 mm von der Mittellinie jedes anderen länglichen Tals der zweiten Vielzahl von länglichen Tälern angeordnet. Die länglichen Täler der zweiten Vielzahl von länglichen Tälern sind zwischen den länglichen Tälern der ersten Vielzahl von länglichen Tälern angeordnet.
In einem Aspekt ist der erste Laserstrahl ein gepulster Nanosekundenlaserstrahl mit einer Impulsbreite von größer als oder gleich etwa 9 ns und kleiner als oder gleich etwa 200 ns. Der erste Laserstrahl weist eine Impulsüberlappung von mehr als oder gleich etwa 0 % und weniger als oder gleich etwa 50 % auf. Der erste Laserstrahl weist eine Wiederholrate von mehr als oder gleich etwa 10 kHz und weniger als oder gleich etwa 500 kHz auf.
In einem Aspekt weist der erste Laserstrahl eine Abtastleistung von mehr als oder gleich etwa 50 W und weniger als oder gleich etwa 500 W auf. Der erste Laserstrahl weist eine Abtastgeschwindigkeit von mehr als oder gleich etwa 100 mm/s und weniger als oder gleich etwa 10 m/s auf. Der erste Laserstrahl weist eine Punktgröße von mehr als oder gleich etwa 10 µm und weniger als oder gleich etwa 100 µm auf.
In einem Aspekt beinhaltet das Metall Aluminium, das Polymer beinhaltet Polyamid (PA, Nylon) und die Verstärkungsfaser beinhaltet eine Kohlenstofffaser.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zur Veranschaulichung und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.
Die 1A-1C zeigen eine Metall-Polymer-Verbundverbindung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 1A ist eine Seitenansicht der Metall-Polymer-Verbundverbindung; 1B ist eine Draufsicht auf die Metall-Polymer-Verbundverbindung; 1C ist eine Schnittansicht der Metall-Polymerverbindung von 1A, aufgenommen bei Linie 1C-1C von 1B;
Die 2A-2E sind Rasterelektronenmikroskopie-Bilder („SEM“-Bilder) einer laserbehandelten Metallfläche gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung; Die 2A-2B sind Draufsichten auf die laserbehandelte Metallfläche, die eine Vielzahl von Spitzen und eine Vielzahl von Tälern zeigt; 2C ist eine perspektivische Seitenansicht der laserbehandelten Metallfläche, die eine Vielzahl von Tiefen, eine Vielzahl von Höhen und eine Vielzahl von Mikroankern zeigt; Die 2D-2E sind Draufsichten auf die laserbehandelte Fläche, die die Vielzahl von Tiefen, die Vielzahl von Höhen und die Vielzahl von Mikroankern zeigt;

3 ist ein SEM-Bild einer Metall-Polymer-Verbundverbindung mit der laserbehandelten Aluminiumfläche der 2A-2E;
4 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Laserbehandlung einer Metallkomponente gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine Draufsicht auf die Metallkomponente von 4, die ein Lasermuster gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
6 ist eine schematische Darstellung eines Fügeverfahrens zum Bilden einer Metall-Polymer-Verbundverbindung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
7 ist eine Draufsicht auf die Metall-Polymer-Verbundverbindung von 6, die ein Lasermuster gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt;
8 zeigt alternative Lasermuster für ein Laserbehandlungsverfahren gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 8 ist eine Draufsicht auf eine Metallkomponente, die ein Lasermuster zum Bilden einer Verbindung mit hoher Überlappungsscherfestigkeit in zwei Richtungen zeigt;
Die 9A-9B zeigen alternative Lasermuster für ein Laserbehandlungsverfahren gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. 9A ist eine Draufsicht auf eine Metallkomponente, die ein Lasermuster zum Bilden einer Verbindung mit einer 360° hohen Überlappungsscherfestigkeit darstellt; 9B ist eine Schnittansicht der Metallkomponente von 9A, aufgenommen entlang der Linie 9B-9B von 9A;
10 zeigt Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS)-Tiefenprofile von (i) einer Aluminiumkomponente ohne laserbehandelte Fläche und (ii) einer Aluminiumkomponente mit einer laserbehandelten Fläche gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
11 ist eine Draufsicht auf eine Aluminium-Polymer-Verbundverbindung vor der Korrosionsprüfung einer Metall-Polymer-Verbundverbindung;
12 ist eine Draufsicht auf eine Aluminium-Polymer-Verbundverbindung nach 2,5 Jahren Korrosion;
13 ist eine grafische Darstellung der Überlappungsscherfestigkeit als Funktion der Zeit für Metall-Polymer-Verbundverbindungen, einschließlich: (i) eine Aluminiumkomponente ohne laserbehandelte Fläche, (ii) eine Aluminiumkomponente mit einer laserbehandelten Fläche und (iii) eine Edelstahlkomponente mit einer laserbehandelten Fläche; und
14 ist eine grafische Darstellung der Verschlechterung der Überlappungsscherkraft als Funktion der Zeit für die Aluminium-Polymer-Verbundverbindungen von 13.

Ähnliche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen ähnliche Teile.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff unter bestimmten Gesichtspunkten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn, im Gegensatz dazu, ein Element als „direkt an/auf“, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hierin verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, durch den Kontext eindeutig angegeben. Somit könnte ein nachstehend erläuterter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu in der am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen, sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und unter bestimmten Gesichtspunkten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus beinhaltet die Angabe von Bereichen die Angabe aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereiche.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Wie vorstehend erläutert, kann das Fügen unterschiedlicher Materialien, wie Metalle und Polymerverbundwerkstoffe, bestimmte Herausforderungen darstellen. Ein mögliches Verfahren zum Fügen einer Metallkomponente und einer Polymerverbundstoffkomponente beinhaltet das Auftragen eines Klebstoffs auf die Verbindung und das anschließende Aushärten des Klebstoffs. Allerdings stellt die Klebeverbindung von Metallen und polymeren Verbundwerkstoffen aufgrund der relativ langen Aushärtungszeit Herausforderungen für die Serienproduktion dar. So kann beispielsweise eine Aushärtung in der Größenordnung von Stunden liegen.
Ein weiteres mögliches Verfahren zum Verbinden einer Metallkomponente und einer Polymerverbundstoffkomponente beinhaltet das Schweißen der Verbindung (z. B., Ultraschallschweißen, Laserschweißen usw.). Geschweißte Metall- und Polymerverbundverbindungen können jedoch eine unerwünscht geringe Festigkeit aufweisen, da die Materialien nicht ohne weiteres chemisch miteinander verbunden werden.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine hochfeste Metall-Polymer-Verbundverbindung bereit. Die Verbindung kann eine Metallkomponente mit einer ersten Fläche beinhalten, die eine Vielzahl von Mikroankern oder Öffnungen definiert, die weiter unten beschrieben werden. Die erste Fläche der Metallkomponente kann mit einer zweiten Fläche mit einer verstärkten Polymerverbundstoffkomponente eingreifen. Ein Polymer der Polymerverbundstoffkomponente kann einen durch die Mikroanker definierten Raum einnehmen, sodass das Polymer innerhalb der Mikroanker angeordnet ist und daher mit diesen verflochten ist, um eine robuste mechanische Verbindung herzustellen. Die nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellte Verbindung kann eine Überlappungsscherfestigkeit von größer als oder gleich etwa 6 kN, optional größer als oder gleich etwa 7 kN, optional größer als oder gleich etwa 8 kN, optional größer als oder gleich etwa 9 kN, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 9,1 kN, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 9,2 kN, optional größer oder gleich etwa 9,3 kN und optional größer als oder gleich etwa 9,4 kN aufweisen.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ebenfalls eine korrosionsbeständige Metall-Polymer-Verbundverbindung bereit. Die Verbindung kann eine Passivierungsschicht beinhalten, die zwischen einer Metallkomponente und einer verstärkten Polymerverbundstoffkomponente angeordnet ist. Wenn die Metallkomponente beispielsweise Aluminium beinhaltet, kann die Passivierungsschicht Aluminiumoxid (Al₂O₃) beinhalten. Die Passivierungsschicht kann absichtlich durch Erwärmen des Aluminiums in Gegenwart von Sauerstoff gebildet werden. Die Passivierungsschicht kann die Korrosion an der Verbindung reduzieren, wodurch die Lebensdauer der Verbindung verlängert wird. Nach 2,5 Jahren kann die Verbindung eine Überlappungsscherfestigkeit von mehr als oder gleich etwa 6 kN, optional mehr als oder gleich etwa 6,5 kN, optional mehr als oder gleich etwa 7,0 kN, optional mehr als oder gleich etwa 7,5 kN und optional mehr als oder gleich etwa 7,7 kN aufweisen. Nach 5 Jahren kann die Verbindung eine Überlappungsscherfestigkeit von mehr als oder gleich etwa 6 kN, optional größer als oder gleich etwa 6,1 kN, optional größer als oder gleich etwa 6,2 kN, optional größer als oder gleich etwa 6,3 kN, optional größer als oder gleich etwa 6,4 kN, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 6,5 kN, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 6,6 kN, optional größer oder gleich etwa 6,7 kN, optional größer oder gleich etwa 6,8 kN und optional größer als oder gleich etwa 6,9 kN aufweisen.
Unter Bezugnahme auf die 1A-1C wird eine Metall-Polymer-Verbundbaugruppe 10 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Metall-Polymer-Verbundbaugruppe 10 beinhaltet eine Metallkomponente 12 (oder erste Komponente) und eine verstärkte Polymerverbundstoffkomponente 14 (oder zweite Komponente). Die Metallkomponente 12 und die verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 können sich an einem Fügebereich 16 überlappen. Genauer gesagt, können eine erste Fläche 18 der Metallkomponente 12 und eine zweite Fläche 20 der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 direkt in den Fügebereich 16 eingreifen oder diese berühren. Die Metallkomponente 12 und die verstärkte Polymerverbundstoffkomponente 14 können im Fügebereich 16 aneinander befestigt werden, um eine Metall-Polymer-Verbundverbindung 22 zu bilden. Die Metallkomponente 12 kann eine dritte Fläche 24 beinhalten, die gegenüber der ersten Fläche 18 angeordnet ist. Die verstärkte Polymerverbundstoffkomponente 14 kann eine vierte Fläche 26 beinhalten, die gegenüber der zweiten Fläche 20 angeordnet ist.
In bestimmten Variationen kann die Metallkomponente 12 Aluminium, Edelstahl (z. B., 316 Edelstahl), oder Kombinationen davon beinhalten. Die verstärkte Polymerverbundstoffkomponente 14 kann ein Polymer und ein Verstärkungsmaterial beinhalten. Das Polymer kann ein thermoplastisches Polymer sein. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Polymer ein Polycarbonat (PC), ein Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Acetal oder Polyoxymethylen (POM), ein thermoplastisches Elastomer (TPE), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), ein thermoplastisches Olefin (TPO), ein Polyamid (PA, Nylon) und Kombinationen davon beinhalten. In bestimmten Variationen kann das Verstärkungsmaterial eine Faser wie Kohlenstoff (z. B., pulverförmige Fasern, Kurzfasern, Langfasern oder Endlosfasern) oder eine Glasfaser beinhalten.
Wie am besten in 1C dargestellt, kann mindestens ein Teil der ersten Fläche 18 der Metallkomponente 12 eine Vielzahl von länglichen Spitzen 28 und eine Vielzahl von länglichen Tälern 30 beinhalten. Die länglichen Spitzen 28 und länglichen Täler 30 können auf der ersten Fläche 18 im Fügebereich 16 vorhanden sein, oder wo die erste Fläche 18 der Metallkomponente 12 mit der zweiten Fläche 20 der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 in Eingriff steht. Die Vielzahl der länglichen Täler 30 kann zwischen der Vielzahl von länglichen Spitzen 28 angeordnet sein, sodass die länglichen Spitzen 28 und die länglichen Täler 30 im Fügebereich 16 miteinander abwechseln.
Unter Bezugnahme auf die 2A-2B kann jede längliche Spitze 28 im Wesentlichen parallel zu jeder anderen länglichen Spitze 28 angeordnet sein. Desgleichen kann jedes längliche Tal 30 im Wesentlichen parallel zu jedem anderen länglichen Tal 30 angeordnet sein. Die länglichen Täler 30 können im Wesentlichen gleichmäßig innerhalb des Fügebereichs 16 der Metall-Polymer-Verbundbaugruppe 10 angeordnet sein. In anderen Variationen können die länglichen Täler 30 ungleichmäßig beabstandet sein. So können beispielsweise die länglichen Täler 30 in kleineren Untergruppen angeordnet sein (z. B., Untergruppen von fünf länglichen Tälern 30 in unmittelbarer Nähe beabstandet von anderen Untergruppen) (nicht dargestellt).
Die länglichen Spitzen 28 und länglichen Täler 30 können sich parallel zu einer ersten Achse 34 erstrecken. Die erste Achse 34 kann im Wesentlichen senkrecht zu einer zweiten Achse 36 sein. Die zweite Achse 36 kann einer Richtung der aufgebrachten Kraft entsprechen, wie durch die Pfeile 38 angezeigt. Die Anordnung der länglichen Spitzen 28 und länglichen Täler 30 kann zu einer Überlappungsscherfestigkeit der Verbindung 22 führen, die am größten entlang der zweiten Achse 36 liegt, aufgrund einer mechanischen Wechselwirkung der länglichen Spitzen 28 und länglichen Täler 30 der ersten Fläche 18 mit der zweiten Fläche 20, wenn die Kraft 38 aufgebracht wird.
Die länglichen Spitzen 28 und länglichen Täler 30 können durch Laserbehandlung der ersten Fläche 18 (als Laserbehandlung oder Flächenablationsverfahren bezeichnet) gebildet werden. Die Laserbehandlung kann das Richten eines Laserstrahls auf die erste Fläche 18 der Metallkomponente 12 beinhalten. Wie weiter unten ausführlicher erörtert wird, bewegt sich der Laserstrahl relativ zu der Metallkomponente 12, um die Vielzahl der länglichen Täler 30 zu erzeugen. Die länglichen Spitzen 28 sind auf Bereichen der ersten Fläche 18 angrenzend an die lasererzeugten länglichen Täler 30 definiert. Wenn die länglichen Täler 30 durch Bewegen des Laserstrahls über die erste Fläche 18 erzeugt werden, erwärmt der Laserstrahl die erste Fläche 18, wodurch ein Teil des Metalls an der ersten Fläche 18 der Metallkomponente 12 verflüssigt wird. Der Laserstrahl kann ein gepulster Nanosekundenlaser sein. Somit kann der Laserstrahl während eines Laserimpulses das Metall schmelzen. Das verflüssigte Metall kann sich zwischen Laserstrahlimpulsen abkühlen und verfestigen. Der relativ kurze Nanosekundenimpuls kann zu einem dynamischen Erwärmungs- und Abkühlungsverfahren führen, bevor es das Gleichgewicht erreichen und sich absetzen kann, um eine glatte Fläche zu bilden. Ein derartiges dynamisches Erwärmungs- und Abkühlungsverfahren kann die Bildung einer speziellen rauen oder unregelmäßigen Topografie auf der ersten Fläche 18 der Metallkomponente 12 erleichtern, wie hierin weiter erläutert wird.
Unter Bezugnahme auf die 2B-2E ist die erste Fläche 18 der Metallkomponente 12 dargestellt. Die erste Fläche 18 beinhaltet eine Vielzahl von Höhen 50 und eine Vielzahl von Tiefen 52. Mindestens ein Teil der Höhen 50 und mindestens ein Teil der Tiefen 52 können auf jeder länglichen Spitze 28 definiert sein. Mindestens ein Teil der Höhen 50 und mindestens ein Teil der Tiefen 52 können in jedem länglichen Tal 30 definiert sein. Die Höhen 50 und die Tiefen 52 werden erzeugt, wenn das Metall der Metallkomponente 12 während des dynamischen Erwärmungs- und Abkühlverfahrens schnell schmilzt und erstarrt. Ein Muster von Höhen 50 und Tiefen 52 kann unregelmäßig sein. Abmessungen der Höhen 50 und länglichen Tiefen 52 können auch unregelmäßig sein. So können sich beispielsweise die Höhen 50 in Größe und Form voneinander unterscheiden. Die Tiefen 52 können sich ähnlich voneinander in Größe und Form unterscheiden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann eine durchschnittliche Rauheit der ersten Fläche 18 größer als oder gleich etwa 5 µm und kleiner als oder gleich etwa 20 µm sein.
Mindestens ein Teil der Höhen 50 kann auch eine Vielzahl von Mikroankern 54 beinhalten. Die Mikroanker 54 können Invaginationen, Hohlräume, Poren, Haken und/oder Hinterschneidungsbereiche beinhalten, die während des Kühlvorgangs gebildet werden. Genauer gesagt, werden die Mikroanker gebildet, nachdem verflüssigtes Metall aufsteigt, um ein Höhe 50 zu definieren, das dann zurück zur ersten Fläche 18 zurückbricht. Die Laser, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, ermöglichen die Bildung solcher Mikroankerstrukturen durch Schmelzen und anschließendes schnelles Verfestigen des Metalls, um die Bildung solcher komplexen Strukturen zu erleichtern, die wünschenswerterweise Verlängerungen aufweisen, die in einem Winkel (z. B., im Wesentlichen senkrecht) zur Metalloberfläche stehen, um Hinterschneidungen oder Erhebungen zu bilden, die als Verankerungsbereiche für Polymer dienen (im Vergleich zum Erzeugen von Flächenrauigkeiten/Unebenheiten, die durch typische Aufrauungsverfahren gebildet werden). Ein Teil der Mikroankern 54 kann Mikroöffnungen 56 mit Umfängen sein, die verbundene Formen definieren, wie in 2C am besten dargestellt. Eine Mikroöffnung 56 wird gebildet, wenn sich feste Materialien (d. h., das Metall) um einen gesamten Umfang der Mikroöffnung 56 erstrecken. Somit kann ein Umfang der Mikroöffnung 56 im Wesentlichen frei von Lücken sein. Die Mikroanker 54 können in Größe, Form und Verteilung unregelmäßig sein. In bestimmten Variationen können sich die Mikroanker 54 überlappen.
Die Topografie der ersten Fläche 18, einschließlich der Höhen 50, der Täler 52 und der Mikroanker 54, kann einen Bereich der ersten Fläche 18 vergrößern, um einen engen Kontakt zwischen der ersten Fläche 18 und einer Passfläche zu erleichtern (z. B., die zweite Fläche 20 der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14). Zusätzlich können die Mikroanker 54 eine starke mechanische Verzahnung mit der Passfläche ermöglichen. Genauer gesagt, wie nachfolgend näher erläutert, kann ein Material der Passfläche in die Mikroanker 54 eingreifen, um die Metallkomponente 12 mechanisch mit einer Gegenkomponente zu verriegeln (z. B., die verstärkte Polymerverbundstoffkomponente 14).
Die Metall-Polymer-Verbundbaugruppe 10 kann besonders anfällig für Korrosion an der Verbindung 22 sein, wenn die verstärkte Polymerverbundstoffkomponente 14 ein leitfähiges Material beinhaltet. So kann beispielsweise die Verwendung von Kohlenstofffaser als Verstärkungsmaterial die verstärkte Polymerverbundstoffkomponente 14 elektrisch leitfähig machen. Da Kohlenstofffasern gegenüber bestimmten Metallen, wie Aluminium, sehr inert oder edel sind, kann eine Metallkomponente, die elektrisch mit einem Kohlenstofffaserverbundwerkstoff verbunden ist, besonders anfällig für galvanische Korrosion sein. Selbst wenn die Verbindung 22 eine hohe Anfangsfestigkeit aufweist, kann sie sich aufgrund der galvanischen Korrosion schnell verschlechtern und in der Festigkeit abnehmen. In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine korrosionsbeständige Verbindung mit einer Passivierungsschicht bereit, die zwischen der Metallkomponente 12 und der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 angeordnet ist. Die Passivierungsschicht kann als Schutzschicht dienen, um Korrosion der Verbindung 22 zu verhindern oder zu reduzieren.
Die Passivierungsschicht kann während der Laserbehandlung gebildet werden, die länglichen Spitzen 28 und Täler 30 erzeugt. Das heißt, die Bildung der länglichen Spitzen 28 und der Täler 30 kann gleichzeitig mit der Bildung der Passivierungsschicht erfolgen. Die Laserbehandlung kann in Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt werden, um die Bildung der Passivierungsschicht auf der ersten Fläche 18 der Metallkomponente 12 zu erleichtern. Ob die Passivierungsschicht überhaupt gebildet wird, kann von der Zusammensetzung der Metallkomponente 12 abhängig sein und ob während der Laserbehandlung Sauerstoff vorhanden ist. Eine Stärke der Passivierungsschicht kann von der Temperatur der ersten Fläche 18 während der Laserbehandlung abhängen. In einem Beispiel beinhaltet die Metallkomponente 12 Aluminium und der Laserstrahl wird in Gegenwart von Sauerstoff auf die erste Fläche 18 gerichtet (z. B., Umgebungsatmosphäre), um eine Passivierungsschicht zu bilden, die Aluminiumoxid (Al₂O₃) beinhaltet. Aluminiumoxid (Al₂O₃) ist ein stabiles, nicht leitfähiges Dielektrikum, das als Beschichtung verwendet werden kann, um Korrosion an der Verbindung 22 zu reduzieren.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Beispiel der Verbindung 22 mit der Metallkomponente 12 und der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 dargestellt. Die Metallkomponente 12 kann Aluminium beinhalten. Die verstärkte Polymerverbundstoffkomponente 14 kann ein Polymermaterial 60 und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern 62 beinhalten. Das Polymer kann Polyamid (PA, Nylon) sein und die Verstärkungsfaser kann Kohlenstofffasern beinhalten. Die erste Fläche 18 kann die länglichen Spitzen 28 und die länglichen Täler 30 beinhalten. Das Polymer 60 an der zweiten Fläche 20 der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 kann in engem Kontakt mit der ersten Fläche 18 der Metallkomponente 12 stehen. Somit kann die Verbindung 22 in bestimmten Ausführungsformen frei von jeglicher Grenzflächendelaminierung sein.
Die Verbindung 22 zwischen der Metallkomponente 12 und der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 kann durch Aufbringen von Wärme am Fügebereich 16 (1A-1C) gebildet werden. Genauer gesagt, nachdem die Metallkomponente 12 wie oben beschrieben laserbehandelt wurde, kann sie zumindest teilweise auf der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 angeordnet sein, sodass die erste Fläche 18 (d. h., die laserbehandelte Fläche) der Metallkomponente 12 direkt mit der zweiten Fläche 20 der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 in Eingriff steht. Eine Wärmequelle, wie beispielsweise ein Laserstrahl, kann auf die dritte Fläche 24 der Metallkomponente 12 gerichtet sein. Dieses Verfahren kann eine Vielzahl von länglichen Tälern oder Nuten erzeugen, die den länglichen Tälern 30 des Laserbehandlungsverfahrens ähnlich sind. Aufgrund der hohen Leitfähigkeit des Metalls kann die Wärme durch die Metallkomponente 12 von der dritten Fläche 24 zur kühleren ersten Fläche 18 übertragen werden. Die Wärme an der ersten Fläche 18 kann bewirken, dass das Polymer 60 an der angrenzenden zweiten Fläche 20 schmilzt. Das geschmolzene Polymer 60 kann um die Höhen 50 herum, in die Tiefen 52 und durch die Mikroanker 54 strömen. Das Metall kann eine höhere Schmelztemperatur als das Polymer aufweisen, sodass das Metall an der ersten Fläche 18 in fester Form bleiben kann, während ein Teil des Polymers 60 (d. h., das Polymer 60 nahe der zweiten Fläche 20) schmilzt, um durch die Mikroanker 54 zu fließen. Das Polymer 60 kann zumindest teilweise mindestens einen Teil der Mikroanker 54 einnehmen. In bestimmten Variationen kann das Polymer 60 mindestens einen Teil der Mikroanker 54 vollständig einnehmen. In bestimmten Variationen kann das Polymer 60 alle Mikroanker 54 vollständig einnehmen. Obwohl die Wärmequelle als Laserstrahl beschrieben wird, würde ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass der Fügebereich 16 als nicht einschränkendes Beispiel alternativ einem Brenner, Induktionserwärmung oder Ultraschallschweißen ausgesetzt werden kann.
Das Polymer 60 kann abkühlen und verfestigen, wenn die Anwendung von Wärme beendet wird. Das verfestigte Polymer 60 kann mit dem Metall der Metallkomponente 12 verflossen sein. Das Polymer 60 kann beispielsweise die Mikroanker 54 einnehmen, um Haken oder Schlaufen um die Mikroanker 54 herum zu bilden. Die Polymerhaken oder - schlaufen können mechanisch mit den Mikroankern 54 zusammenwirken, um eine starke Verbindung zu bilden. In bestimmten Variationen kann sich die Verbindung 22 wie ein Klettverschluss verhalten; Jedoch ist die Verbindung 22 im Gegensatz zu einem typischen Klettverschluss dauerhaft, sodass die Metallkomponente 12 nicht leicht von der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 abgezogen werden kann.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen einer Metall-Polymer-Verbundverbindung bereit. Das Verfahren kann die Laserbehandlung einer ersten Fläche einer Metallkomponente beinhalten. Die Laserbehandlung kann eine Vielzahl von Mikroankern erzeugen, wie beispielsweise Mikroöffnungen auf der ersten Fläche. In bestimmten Variationen, wenn die Laserbehandlung bei Vorhandensein von Sauerstoff durchgeführt wird, kann eine Passivierungsschicht auf der ersten Fläche gebildet werden. Die Laserbehandlung und Bildung der Passivierungsschicht kann als ein einstufiges Verfahren oder gleichzeitig durchgeführt werden. Wenn die Metallkomponente beispielsweise Aluminium beinhaltet, kann die Laserbehandlung die Bildung einer Passivierungsschicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) erleichtern. Das Verfahren kann ferner das Anordnen einer zweiten Fläche einer Polymerverbundstoffkomponente auf der ersten Fläche der Metallkomponente beinhalten. Wärme, beispielsweise von einem Laser, kann auf eine dritte Fläche der Metallkomponente gegenüber der ersten Fläche aufgebracht werden, um die Metallkomponente mit der Polymerverbundstoffkomponente zu verbinden. Genauer gesagt, kann die Wärme durch die Metallkomponente von der dritten Fläche zur ersten Fläche übertragen werden, um ein Polymer des Polymerverbundstoffs an der zweiten Fläche zu schmelzen. Das geschmolzene Polymer kann durch die Mikroanker fließen und sich verfestigen, um die Mikroanker einzunehmen, um eine hochfeste Metall-Polymer-Verbundverbindung zu bilden. Das Verfahren kann eine Zykluszeit in der Größenordnung von Sekunden aufweisen. In bestimmten Variationen kann die gleiche Laserausrüstung für das Laserbehandlungsverfahren wie für das Fügeverfahren verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf die 4-7 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Metall-Polymer-Verbundbaugruppe dargestellt. Das Verfahren wird unter Bezugnahme auf die Metall-Polymer-Verbundbaugruppe 10 aus den 1A-3 beschrieben. Unter Bezugnahme auf die 4-5 beinhaltet das Verfahren eine Laserbehandlung der ersten Fläche 18 der Metallkomponente 12. Die Laserbehandlung der ersten Fläche 18 beinhaltet das Richten eines ersten Laserstrahls 70 von einer Laserquelle 72 auf eine erste Fläche 18. Eine erste Brennebene 74 des ersten Laserstrahls 70 ist an der ersten Fläche 18 ausgerichtet. Der erste Laserstrahl 70 kann auf die erste Fläche 18 fokussiert werden, um die höchste Laserfluenz im Hinblick auf die anderen Laserbehandlungsparameter zu erreichen.
Der erste Laserstrahl 70 kann ein gepulster Nanosekundenlaserstrahl sein. Der erste Laserstrahl 70 kann eine Impulsbreite von größer als oder gleich etwa 9 ns und kleiner als oder gleich etwa 200 ns, optional größer oder gleich etwa 50 ns und kleiner als oder gleich etwa 200 ns, optional größer oder gleich etwa 100 ns und kleiner als oder gleich etwa 200 ns und optional etwa 200 ns aufweisen. Der erste Laserstrahl 70 kann eine Impulsüberlappung von mehr als oder gleich etwa 0 % und weniger als oder gleich etwa 50 %, optional mehr als oder gleich etwa 5 % und weniger als oder gleich etwa 45 %, optional mehr als oder gleich etwa 10 % und weniger als oder gleich etwa 40 % und optional etwa 35 % aufweisen. Der erste Laserstrahl kann eine Wiederholrate größer oder gleich etwa 10 kHz und kleiner als oder gleich etwa 500 kHz , optional größer oder gleich etwa 100 kHz und kleiner als oder gleich etwa 400 kHz, optional größer oder gleich etwa 150 kHz und kleiner als oder gleich etwa 300 kHz und optional etwa 200 kHz aufweisen.
Der erste Laserstrahl 70 kann sich relativ zu der Metallkomponente 12 bewegen, um ein erstes Lasermuster 76 zu erzeugen. So kann beispielsweise ein Laserkopf den ersten Laserstrahl 70 bewegen, während die Metallkomponente 12 stationär bleibt. In einem anderen Beispiel kann die Metallkomponente 12 bewegt werden, während der Laserkopf stationär bleibt. Das erste Lasermuster 76 kann eine Vielzahl von parallelen Linien 78 beinhalten (was zu der Vielzahl von länglichen Tälern 30 führt). In einem Beispiel kann der erste Laserstrahl 70 in einer ersten Richtung 80 von einem ersten Ende 82 der Metallkomponente 12 zu einem zweiten Ende 84 der Metallkomponente 12 bewegt werden, um eine erste Linie 78a zu erzeugen. Der Laserkopf kann dann zum ersten Ende 82 zurückkehren und sich in einer zweiten Richtung 86 im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung 80 in eine Ausgangsposition bewegen, um eine weitere Linie 78 angrenzend an die erste Linie 78a zu erzeugen. Das Verfahren kann wiederholt werden, um das erste Lasermuster 76 zu erzeugen.
Die Linien 78 des ersten Lasermusters 76 können im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Achse 36 angeordnet sein, die mit einer Richtung der aufgebrachten Kraft 38 ausgerichtet ist. Der erste Laserstrahl kann eine Punktgröße von mehr als oder gleich etwa 10 µm und weniger als oder gleich etwa 100 µm, optional mehr als oder gleich etwa 30 µm und weniger als oder gleich etwa 80 µm, optional mehr als oder gleich etwa 50 µm und weniger als oder gleich etwa 70 µm und optional etwa 67 µm erzeugen. Ein erster Abstand zwischen den Linien 39 kann wünschenswerterweise kleiner sein als die Punktgröße, um sicherzustellen, dass der gesamte Verbindungsbereich 16 die Höhen 50, die Tiefen 52 und die Mikroanker 54 beinhaltet. Wenn beispielsweise die Punktgröße etwa 67 mm beträgt, kann der erste Abstand 39 zwischen den Linien 78 größer oder gleich etwa 20 µm bis kleiner oder gleich etwa 60 µm, optional größer oder gleich etwa 25 µm und kleiner als oder gleich etwa 50 µm und optional etwa 50 µm sein. Der erste Laserstrahl 70 kann eine Abtastgeschwindigkeit größer oder gleich etwa 100 mm/s und kleiner als oder gleich etwa 10 m/s, optional größer oder gleich etwa 200 mm/s und kleiner als oder gleich etwa 2 m/s, optional größer oder gleich etwa 300 mm/s und kleiner als oder gleich etwa 1 m/s und optional etwa 500 mm/s aufweisen. Der erste Laserstrahl 70 kann eine Abtastleistung von mehr als oder gleich etwa 50 W und weniger als oder gleich etwa 500 W, optional mehr als oder gleich etwa 100 W und weniger als oder gleich etwa 400 W, optional mehr als oder gleich etwa 200 W und weniger als oder gleich etwa 300 W und optional etwa 240 W aufweisen.
Nachdem die erste Fläche 18 der Metallkomponente 12 laserbehandelt ist, um die Topografie zu erzeugen, einschließlich der länglichen Spitzen 28 und der länglichen Täler 30 mit den Höhen 50, den Tiefen 52, den Mikroankern 54 und den Mikroöffnungen (2A-2E), kann die Metallkomponente 12 mit der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 verbunden werden. Das Fügen kann das Aufbringen von Wärme auf die dritte Fläche 24 der Metallkomponente 12 beinhalten, während die erste Fläche 18 des Metallbauteils 12 mit der zweiten Fläche 20 der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 in Kontakt ist. In bestimmten Variationen kann die Wärmequelle die Laserquelle 72 sein. Unter Bezugnahme auf die 6-7 kann die Metallkomponente 12 auf der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 angeordnet sein. Die Komponenten 12, 14 können teilweise überlappen (d. h., am Fügebereich 16) oder vollständig (d. h., über einen Bereich größer als der Fügebereich 16). Die erste Fläche 18 kann zur zweiten Fläche 20 angeordnet sein. Die erste Fläche 18 kann direkt in die zweite Fläche 20 eingreifen oder diese berühren. Die Komponenten 12, 14 können beide innerhalb der Klemmen 100 angeordnet sein. An den Klemmen 100 kann eine Kraft 102 aufgebracht werden, um den Kontakt zwischen den Komponenten 12, 14 aufrechtzuerhalten.
Das Verbinden der Komponenten 12, 14 kann das Richten eines zweiten Laserstrahls 104 von der Laserquelle 72 zur dritten Fläche 24 beinhalten. Der zweite Laserstrahl 104 kann ein Dauerstrich-Laserstrahl (CW-Laserstrahl) sein. Eine zweite Brennebene 106 des zweiten Laserstrahls 104 kann über der dritten Fläche 24, wie in 6 dargestellt, oder unter der dritten Fläche 24 (nicht dargestellt) ausgerichtet sein. Somit ist im Gegensatz zur in den 4-5 gezeigten und beschriebenen Laserbehandlung der ersten Fläche 18 die zweite Brennebene 106 nicht mit der dritten Fläche 24 ausgerichtet. Stattdessen kann der zweite Laserstrahl 104 auf die dritte Fläche 24 defokussiert werden. Die Defokussierung des zweiten Laserstrahls 104 minimiert die Beschädigung der Metallkomponente 12 aufgrund von Überhitzung und Materialverdampfung. Der zweite Laserstrahl 104 kann innerhalb eines Bereichs von mehr als oder gleich etwa -3 mm bis weniger als oder gleich etwa +3 mm defokussiert werden.
Wie oben erörtert wird Wärme vom zweiten Laserstrahl 104 durch die Metallkomponente 12 von der dritten Fläche 24 auf die erste Fläche 18 übertragen, um die zweite Fläche 20 der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 zu erwärmen. Eine erste Schmelztemperatur der Metallkomponente 12 kann größer als eine zweite Schmelztemperatur des Polymers 60 der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 sein. So kann beispielsweise die Metallkomponente 12 Aluminium mit einer Schmelztemperatur von etwa 660°C beinhalten und die verstärkte Polymerverbundstoffkomponente 14 kann Nylon mit einer Schmelztemperatur von etwa 250°C beinhalten.
Eine Temperatur der ersten Fläche 18 der Metallkomponente 12 kann während der Anwendung des zweiten Laserstrahls 104 unterhalb der ersten Schmelztemperatur bleiben, sodass die Metallkomponente 12 in einem festen Zustand nahe der Verbindung 22 verbleibt. Die Temperatur der Metallkomponente an der ersten Fläche 18 kann im Wesentlichen unterhalb der ersten Schmelztemperatur bleiben, um Schäden an der Metallkomponente 12 zu verhindern oder zu minimieren. Eine Temperatur der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 an der zweiten Fläche 20 kann größer oder gleich der zweiten Schmelztemperatur sein, sodass ein Teil des Polymers der verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 14 schmilzt und in die Mikroanker 54 fließt (2A-2E). Somit kann eine Temperatur im Fügebereich 16 größer als die zweite Schmelztemperatur und kleiner als die erste Schmelztemperatur sein. So kann beispielsweise die Temperatur im Fügebereich 16 größer als oder gleich etwa 300 °C und kleiner als oder gleich etwa 600 °C sein. In einigen Beispielen kann eine Temperatur der dritten Fläche 24 des Metallbauteils größer als die erste Schmelztemperatur sein, was dazu führt, dass die dritte Fläche 24 während des Erwärmungsprozesses verflüssigt wird.
Der zweite Laserstrahl 104 kann sich relativ zu den Komponenten 12, 14 bewegen, um ein zweites Lasermuster 110 zu erzeugen. So kann beispielsweise der Laserkopf den zweiten Laserstrahl 104 bewegen, während die Komponenten 12, 14 stationär bleiben. In einem anderen Beispiel können die Komponenten 12, 14 bewegt werden, während der Laserkopf stationär bleibt. Das zweite Lasermuster 110 kann eine Vielzahl von parallelen Linien 112 beinhalten. Wie oben erörtert, kann es wünschenswert sein, eine Überhitzung der Metallkomponente 12 zu vermeiden. Somit kann das zweite Lasermuster 110 anders sein als das erste Lasermuster 76 der Laserbehandlung für die erste Fläche 18 (4-5). In einem Beispiel kann das zweite Lasermuster 110 zwei oder mehr Teilmengen von Linien 112 beinhalten, wie beispielsweise eine erste Teilmenge 112a, eine zweite Teilmenge 112b, eine dritte Teilmenge 112c und so weiter. Der Laserkopf kann sich in der ersten Richtung 80 bewegen, um eine erste Linie der ersten Teilmenge 112a zu erzeugen. Der Laserkopf kann sich dann in der zweiten Richtung 86 und dann in der ersten Richtung 80 bewegen, um eine weitere Linie 112a in derselben Teilmenge zu erzeugen. Ein zweiter Abstand 114 zwischen den Linien der gleichen Teilmenge kann größer oder gleich etwa 0,5 mm und kleiner oder gleich etwa 5 mm sein. Nachdem der zweite Laserstrahl 104 den ersten Abtastsatz abgeschlossen hat (z. B., sich durch alle Linien 112a der ersten Teilmenge bewegt hat), kann er sich in einer dritten Richtung 116 entgegen der zweiten Richtung 86 bewegen, um einen zweiten Abtastsatz zu beginnen. Nachdem der zweite Laserstrahl 104 den zweiten Abtastsatz abgeschlossen hat (z. B., sich durch alle Linien 112b der zweiten Teilmenge bewegt hat), kann er sich in der dritten Richtung 116 bewegen, um einen dritten Abtastsatz zu beginnen. Der vorstehende Vorgang kann wiederholt werden, bis das zweite Lasermuster 110 abgeschlossen ist. Wie in 7 dargestellt, stellen die Ellipsen 118 im zweiten Lasermuster 110 zusätzliche Abtastgruppen dar (z. B., um eine vierte Teilmenge und eine fünfte Teilmenge zu erzeugen). In bestimmten Variationen können die Linien 112 des zweiten Lasermusters 110 gleichmäßig voneinander beabstandet sein. Es kann wünschenswert sein, dass die Linien 112 nicht überlappen oder einander überschneiden, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Obwohl das zweite Lasermuster 110 im Wesentlichen mit der ersten Achse 34 ausgerichtet und im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Achse 36 dargestellt ist, werden alternative Lasermuster betrachtet. Da der zweite Laserstrahl 104 verwendet wird, um die Komponenten 12, 14 zu erwärmen, anstatt eine bestimmte Topografie zu bilden, kann die Ausrichtung des Lasermusters variiert werden. In einem Beispiel kann das Lasermuster mit der zweiten Achse 36 ausgerichtet sein. In einem anderen Beispiel kann das Lasermuster nicht mit einer Achse 34, 36 ausgerichtet sein. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass jedes Lasermuster, das die Metallkomponente 12 nicht überhitzt und beschädigt, verwendet werden kann.
Der zweite Laserstrahl kann eine Leistung größer oder gleich etwa 500 W und kleiner als oder gleich etwa 2000 W, optional größer als oder gleich etwa 800 W und kleiner als oder gleich etwa 1800 W, optional größer als oder gleich etwa 1200 W und kleiner als oder gleich etwa 1500 W und optional etwa 1400 W haben. Der zweite Laserstrahl 104 kann eine Abtastgeschwindigkeit von etwa größer oder gleich 100 mm/s und kleiner oder gleich etwa 2 m/s, optional größer oder gleich etwa 300 mm/s und kleiner oder gleich etwa 1,5 m/s, optional größer oder gleich 500 mm/s und kleiner oder gleich etwa 1 m/s und optional etwa 750 mm/s haben. Der zweite Laserstrahl 104 kann eine Punktgröße von mehr als oder gleich etwa 100 µm und weniger als oder gleich etwa 500 µm, optional mehr als oder gleich etwa 120 µm und weniger als oder gleich etwa 300 µm, optional mehr als oder gleich etwa 150 µm und weniger als oder gleich etwa 200 µm und optional etwa 180 µm erzeugen.
Unter Bezugnahme auf die 8 und 9A-9B sind alternative Lasermuster für die Laseroberflächenbehandlung dargestellt. 8 zeigt eine Metallkomponente 140 mit einer ersten Fläche 142. Ein Lasermuster 144 beinhaltet eine erste Vielzahl von parallelen Linien 146 und eine zweite Vielzahl von parallelen Linien 148. Die Linien der ersten Vielzahl von parallelen Linien 146 sind im Wesentlichen senkrecht zu den Linien der zweiten Vielzahl von parallelen Linien 148. Wenn somit die Metallkomponente 140 mit einer verstärkten Polymerverbundstoffkomponente verbunden ist, weist die resultierende Verbindung eine hohe Überlappungsscherfestigkeit in zwei Richtungen auf.
9A zeigt eine Metallkomponente 160 mit einer ersten Fläche 162. Ein Lasermuster 164 beinhaltet eine Vielzahl von konzentrischen Kreisen 166. Wenn somit die Metallkomponente 160 mit einer verstärkten Polymerverbundstoffkomponente verbunden ist, weist die resultierende Verbindung eine 360° hohe Überlappungsscherfestigkeit auf. In bestimmten Ausführungsformen können die konzentrischen Kreise 166 des Lasermusters 164 Nuten 168 mit unterschiedlichen Tiefen ergeben. So können beispielsweise Nuten 168a nahe einer Mitte der konzentrischen Kreise 166 tiefer sein als äußerste Nuten 168b. Die Tiefe einer Nut kann durch Anwendung unterschiedlicher Laserleistung gesteuert werden, um Nuten mit unterschiedlichen Tiefen zu erzeugen (d. h., eine höhere Leistung, um eine tiefere Nut zu erzeugen und eine geringere Leistung, um eine flachere Nut zu erzeugen) oder unterschiedliche Mengen von Abtastung/Durchgängen für verschiedene Nuten aufbringen (d. h., mehr Abtastungen zum Erzeugen einer tieferen Nut und weniger Abtastung oder eine einzelne Abtastung zum Erzeugen einer flacheren Nut).
Beispiel 1 - Passivierungsschicht
Unter Bezugnahme auf 10 beinhaltet eine erste Probe eine Aluminiumkomponente ohne laserbehandelte Fläche. Eine zweite Probe beinhaltet eine Aluminiumkomponente mit einer laserbehandelten Fläche. Die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) wird auf der ersten und zweiten Probe durchgeführt, um Tiefenprofile zu erhalten. Eine x-Achse 180 stellt die in Nanometern (nm) gemessene Tiefe von einer ersten Fläche (ähnlich der ersten Fläche 18) zu einer dritten Fläche (ähnlich der dritten Fläche 24) dar. Eine y-Achse 182 repräsentiert ein Atomprozent verschiedener Komponenten.
Ein erstes XPS-Tiefenprofil 184 repräsentiert den Aluminiumgehalt in der ersten Probe. Ein zweites XPS-Tiefenprofil 186 repräsentiert den Sauerstoffgehalt in der ersten Probe. Ein drittes XPS-Tiefenprofil 188 repräsentiert den Aluminiumgehalt in der zweiten Probe. Ein viertes XPS-Tiefenprofil 190 repräsentiert den Sauerstoffgehalt in der zweiten Probe. Die Atomprozentsätze, die für die ersten und zweiten Proben gezeigt sind, summieren sich möglicherweise nicht auf 100%, da XPS-Tiefenprofile anderer Komponenten für die Lesbarkeit weggelassen werden (z. B., Kohlenstoff, der typischerweise in XPS-Tiefenprofilen vorhanden ist, wird weggelassen).
Ein Vergleich der zweiten und vierten XPS-Tiefenprofile 186, 190 zeigt, dass der Sauerstoffgehalt in der zweiten Probe im Allgemeinen höher ist, was das Vorhandensein einer Passivierungsschicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) anzeigt. Der Sauerstoffgehalt in der ersten Probe ist konsistent niedriger als der Sauerstoffgehalt in der zweiten Probe. Beispielsweise ist ein Flächensauerstoffgehalt (in einer Tiefe von 0 nm) der zweiten Probe größer als etwa 35 %. Bei einer Tiefe von etwa 100 nm ist der zweite Sauerstoffgehalt der Probe größer als etwa 40 %. Bei einer Tiefe von etwa 200 nm ist der zweite Sauerstoffgehalt der Probe größer als etwa 30 %. Bei einer Tiefe von etwa 250 nm ist der zweite Sauerstoffgehalt der Probe größer als etwa 25 %. Bei einer Tiefe von etwa 300 nm ist der zweite Sauerstoffgehalt der Probe größer als etwa 20 %. Bei einer Tiefe von etwa 400 nm ist der zweite Sauerstoffgehalt der Probe größer als etwa 15 %. Bei einer Tiefe von etwa 500 nm ist der zweite Sauerstoffgehalt der Probe größer als etwa 10 %.
Beispiel 2 - Anfängliche Überlappungsscherfestigkeit und Verschlechterung der Überlappungsscherfestigkeit über die Zeit
Unter Bezugnahme auf die 11-14 beinhaltet eine erste Probe eine Metall-Polymer-Verbundbaugruppe mit einer Aluminiumkomponente ohne laserbehandelte Fläche. Eine zweite Probe 200 beinhaltet eine Metall-Polymer-Verbundbaugruppe mit einer Aluminiumkomponente, die eine laserbehandelte Fläche aufweist. Eine dritte Probe beinhaltet eine Metall-Polymer-Verbundbaugruppe mit einer Komponente aus Edelstahl (316 Edelstahl), die eine laserbehandelte Fläche aufweist. Jede der ersten, zweiten und dritten Proben beinhaltet einen kohlenstofffaserverstärkten Nylon (Nylon 6)-Verbundwerkstoff mit mehr als oder gleich etwa 20 % und weniger als oder gleich etwa 40 % Kohlenstofffaser.
Eine Überlappungsscherprüfung wird durchgeführt, um die Überlappungsscherfestigkeit jeder der Proben zu bestimmen. Ähnliche Proben werden zur Prüfung auf Korrosion gealtert. Unter Bezugnahme auf 13 stellt eine x-Achse 210 das Alter in Jahren dar. Eine y-Achse 212 repräsentiert die Überlappungsscherfestigkeit in kN. Eine erste Kurve 214 entspricht der ersten Probe, eine zweite Kurve 216 entspricht der zweiten Probe 200 und eine dritte Kurve 218 entspricht der dritten Probe.
Eine typische Festigkeitsanforderung für Automobilgelenke beträgt 6 kN. Eine Verbindung der ersten Probe beträgt immer weniger als 6 kN. Stattdessen weist die erste Probe eine anfängliche Überlappungsscherfestigkeit von etwa 2,792 kN auf. Die zweiten und dritten Proben weisen beide anfängliche Überlappungsscherfestigkeiten auf, die den Schwellenwert von 6 kN überschreiten. Die zweite Probe hat eine anfängliche Überlappungsscherfestigkeit von etwa 9,415 kN. Die dritte Probe hat eine anfängliche Überlappungsscherfestigkeit von etwa 7,382 kN.
Ähnliche Proben, die auch als erste, zweite und dritte Proben bezeichnet werden (d. h., die erste Probe beinhaltet unbehandeltes Aluminium, die zweite Probe beinhaltet laserbehandeltes Aluminium und die dritte Probe beinhaltet laserbehandelten Edelstahl), werden gealtert, um Zeit für Korrosion zu ermöglichen, und bei 2,5 Jahren getestet. Die erste Probe korrodiert über 2,5 Jahre, sodass die Verbindung bei der Marke von 2,5 Jahren vollständig abgebaut ist. Eine Verbindung der zweiten Probe 200, von der angenommen wird, dass sie eine Passivierungsschicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) zwischen dem Metall und dem Verbundwerkstoff aufweist, bleibt nach 2,5 Jahren mit einer Überlappungsscherfestigkeit von etwa 7,760 kN intakt. Wie in 12 dargestellt, tritt nach 2,5 Jahren ein Bruch 230 in einer verstärkten Polymerverbundstoffkomponente 232 der ersten Probe 200 nach 2,5 Jahren auf und nicht an einer Verbindung 234. Die dritte Probe hat eine Überlappungsscherfestigkeit von etwa 6,355 kN nach 2,5 Jahren. Somit weisen sowohl die zweite als auch die dritte Probe mit der laserbehandelten Metallkomponente nach 2,5 Jahren etwa 6 kN auf.
Zusätzliche ähnliche Proben, die auch als erste, zweite und dritte Proben bezeichnet werden (d. h., die erste Probe beinhaltet unbehandeltes Aluminium, die zweite Probe beinhaltet laserbehandeltes Aluminium und die dritte Probe beinhaltet laserbehandelten Edelstahl), werden gealtert, um Zeit für Korrosion zu ermöglichen, und bei 5 Jahren getestet. Die erste Probe korrodiert wieder, sodass die Verbindung bei der Marke von 5 Jahren vollständig abgebaut ist. Eine Verbindung der zweiten Probe 200, von der angenommen wird, dass sie eine Passivierungsschicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) zwischen dem Metall und dem Verbundwerkstoff aufweist, bleibt nach 5 Jahren mit einer Überlappungsscherfestigkeit von etwa 6,958 kN intakt. Die dritte Probe hat eine Überlappungsscherfestigkeit von etwa 6,485 kN nach 5 Jahren. Somit weisen sowohl die zweite als auch die dritte Probe mit der laserbehandelten Metallkomponente nach 5 Jahren etwa 6 kN auf.
Unter Bezugnahme auf 14 ist eine prozentuale Verschlechterung der Überlappungsscherfestigkeit der ersten, zweiten und dritten Proben im Zeitverlauf dargestellt. Eine x-Achse 240 stellt die Zeit in Jahren dar. Eine y-Achse 242 repräsentiert den prozentualen Abbau der Überlappungsscherfestigkeit ((anfängliche Überlappungsscherfestigkeit - aktuelle Überlappungsscherfestigkeit)/anfängliche Überlappungsscherfestigkeit). Eine erste Kurve 244 entspricht der ersten Probe, eine zweite Kurve 246 entspricht der zweiten Probe 246 und eine dritte Kurve 248 entspricht der dritten Probe. Der Abbau der dritten Probe, einschließlich Edelstahl, ist im Vergleich zu den Aluminiumproben niedrig, da Edelstahl nicht korrosiv ist.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht dazu bestimmt, erschöpfend zu sein und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Metall-Polymer-Verbundverbindung, umfassend: eine erste Komponente mit einem Metall und mit einer ersten Fläche mit einer Vielzahl von Mikroankern; und eine zweite Komponente, umfassend ein Verbundmaterial, umfassend ein Polymer und eine Verstärkungsfaser, wobei die zweite Komponente eine zweite Fläche aufweist, die zumindest teilweise mit der ersten Fläche der ersten Komponente in Eingriff steht, worin ein Teil des Polymers der zweiten Komponente mindestens einen Teil der Mikroanker der Vielzahl von Mikroankern der ersten Komponente einnimmt, um die zweite Komponente an der ersten Komponente zu befestigen.
Metall-Polymer-Verbundverbindung nach Anspruch 1, worin die erste Fläche ferner eine Vielzahl von Höhen und eine Vielzahl von Tiefen definiert, wobei die Vielzahl von Höhen die Vielzahl von Mikroankern definiert.
Metall-Polymer-Verbundverbindung nach Anspruch 2, worin: die erste Fläche ferner eine Vielzahl von länglichen Tälern und eine Vielzahl von länglichen Spitzen definiert, wobei die Vielzahl von länglichen Tälern zwischen der Vielzahl von länglichen Spitzen angeordnet ist; ein Teil der Vielzahl von Höhen und ein Teil der Vielzahl von Tiefen sind in jedem länglichen Tal der Vielzahl länglicher Täler angeordnet; und ein Teil der Vielzahl von Höhen und ein Teil der Vielzahl von Tiefen sind auf jeder länglichen Spitze der Vielzahl länglichen Spitzen angeordnet.
Metall-Polymer-Verbundverbindung nach Anspruch 3, worin die Vielzahl von länglichen Tälern und die Vielzahl von länglichen Spitzen parallel zueinander angeordnet sind, und die Metallpolymer-Verbundverbindung kann Belastungen von mehr als oder gleich etwa 6 kN in einer Richtung senkrecht zu den länglichen Tälern und den länglichen Spitzen standhalten.
Metall-Polymer-Verbundverbindung nach Anspruch 1, worin das Metall aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Edelstahl, Aluminium und Kombinationen davon besteht.
Metall-Polymer-Verbundverbindung nach Anspruch 5, worin: das Metall Aluminium umfasst, und die erste Fläche zumindest teilweise mit einer Passivierungsschicht einschließlich Aluminiumoxid (Al₂O₃) beschichtet ist.
Metall-Polymer-Verbundverbindung nach Anspruch 6, worin die Passivierungsschicht einen durchschnittlichen Atomprozentsatz von Sauerstoff von mehr als oder gleich etwa 10 % bei einer Tiefe von 500 nm aufweist, gemessen von der ersten Fläche der ersten Komponente.
Metall-Polymer-Verbundverbindung nach Anspruch 1, worin das Polymer ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus einem Polycarbonat (PC), einem Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Polyoxymethylen (POM), einem thermoplastischen Elastomer (TPE), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), einem thermoplastischen Olefin (TPO), einem Polyamid (PA, Nylon) und Kombinationen davon.
Metall-Polymer-Verbundverbindung nach Anspruch 1, worin das Metall Aluminium umfasst, das Polymer Polyamid (PA, Nylon) umfasst und die Verstärkungsfaser eine Kohlenstofffaser umfasst.
Metall-Polymer-Verbundverbindung nach Anspruch 1, worin mindestens ein Teil der Vielzahl von Mikroankern Mikroöffnungen umfasst, wobei jede Mikroöffnung einen Umfang aufweist, der eine verbundene Form definiert.