DE102019116459A1

DE102019116459A1 - Verfahren zum verbinden eines bauteils mit einem kunststoffteil

Info

Publication number: DE102019116459A1
Application number: DE102019116459.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Buske
Original assignee: Plasmatreat GmbH
Current assignee: Plasmatreat GmbH
Priority date: 2019-06-18
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2020-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Bauteils (44) mit einem Kunststoffteil (64), bei dem die Oberfläche eines Bauteils in einem Fügebereich (46) mit einem atmosphärischen Plasmastrahl (26, 48) und einem Precursor (28, 50) beaufschlagt wird, so dass das Bauteil (44) im Fügebereich (46) mit einer haftvermittelnden Schicht (52) versehen wird, und bei dem ein mit dem Bauteil (44) zu verbindendes Kunststoffteil (64) im Fügebereich (46) mit dem Bauteil (44) in Kontakt gebracht und durch Anwendung von Hitze mit diesem verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Bauteils, insbesondere eines Metallteils, mit einem Kunststoffteil.
In verschiedenen technischen Fertigungsbereichen, insbesondere in der Automobilindustrie, sind feste und langzeitbeständige Verbindungen zwischen Metallteilen und Kunststoffteilen erforderlich.
Kraft- und/oder formschlüssige Verbindungen, z.B. durch Verschrauben, haben den Nachteil, dass Kräfte zwischen dem Metallteil und dem Kunststoffteil typischerweise nur über kleine Verbindungsflächenflächen übertragen werden, so dass es bei höherer Kraftbeanspruchung zum vorzeitigen Versagen der Verbindung kommen kann. Klebeverbindungen haben demgegenüber den Vorteil, dass auf mechanische Verbindungsmittel verzichtet werden kann und Kräfte über eine recht große Verbindungsfläche übertragen werden können.
Die Herstellung fester und langzeitbeständiger Klebeverbindungen zwischen Metallen und Kunststoffen ist jedoch nicht einfach und erfordert einigen apparativen Aufwand.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Bauteil, insbesondere ein Metallteil, und ein Kunststoffteil fest und langzeitbeständig sowie auf prozessökonomische Weise miteinander verbunden werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Verbinden eines Bauteils mit einem Kunststoffteil, bei dem die Oberfläche eines Bauteils in einem Fügebereich mit einem atmosphärischen Plasmastrahl und einem Precursor beaufschlagt wird, so dass das Bauteil im Fügebereich mit einer haftvermittelnden Schicht versehen wird, und bei dem ein mit dem Bauteil zu verbindendes Kunststoffteil im Fügebereich mit dem Bauteil in Kontakt gebracht und durch Anwendung von Hitze mit diesem verbunden wird.
Es wurde festgestellt, dass sich eine feste und langzeitbeständige Verbindung zwischen einem Bauteil, insbesondere Metallteil, und einem Kunststoffteil bereits durch die Herstellung einer haftvermittelnden Plasmabeschichtung im Fügebereich des Bauteils sowie durch Anwendung von Hitze im Fügebereich herstellen lässt. Auf einen gesonderten Klebstoff kann verzichtet werden. Die Plasmabeschichtung und die Anwendung von Hitze im Fügebereich lässt sich zudem einfach in eine Prozesskette integrieren, insbesondere inline, so dass ein prozessökonomisches Verbinden von Bauteil, insbesondere Metallteil, und Kunststoffteil erreicht wird.
Die Oberfläche des Bauteils wird in einem Fügebereich mit einer haftvermittelnden Schicht (Haftvermittlerschicht) versehen. Die Haftvermittlerschicht kann abschnittsweise oder vollflächig im Fügebereich aufgebracht werden. Weiterhin ist es denkbar, dass die Haftvermittlerschicht auch über den Fügbereich hinaus auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird.
Das Kunststoffteil wird im Fügebereich mit dem Bauteil in Kontakt gebracht und mit diesem verbunden. Auf diese Weise wird im Fügebereich eine flächige Verbindung zwischen Bauteil und Kunststoffteil hergestellt, die auch bei hoher Kraftübertragung zwischen dem Bauteil und Kunststoffteil langzeitbeständig ist.
Die Verbindung zwischen Bauteil und Kunststoffteil wird durch Anwendung von Hitze bewirkt. Durch die Hitze wird das Kunststoffteil insbesondere so erwärmt, dass es an seiner Kontaktfläche zum Bauteil erweicht oder anschmilzt, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Kunststoffteil hergestellt wird. Die durch Plasmabeschichtung aufgebrachte haftvermittelnde Schicht bewirkt, dass diese Verbindung zwischen Bauteil und Kunststoffteil hohen Kräften widerstehen kann und langzeitbeständig ist. Das Erweichen und/oder Anschmelzen des Kunststoffteils ist vorzugsweise auf einen Bereich um die Kontaktfläche zwischen Bauteil und Kunststoffteil, insbesondere im Wesentlichen auf den Fügebereich, beschränkt, so dass das Kunststoffteil im Übrigen seine Formgebung behält. Insbesondere erfolgt kein vollständiges Aufschmelzen des gesamten Kunststoffteils.
Die Hitze kann zum Beispiel durch ein Heizelement bewirkt werden, beispielsweise einen beheizten Stempel, mit dem das Kunststoffteil gegen das Bauteil gedrückt wird. Die Hitze kann auch durch Reibungshitze zwischen Bauteil und Kunststoffteil bewirkt werden, insbesondere durch eine zwischen Bauteil und Kunststoffteil bewirkte Vibration. Auf diese Arten kann die Hitze bzw. das Erweichen und/oder Anschmelzen des Kunststoffteils punktuell im Fügebereich bewirkt werden.
Das Bauteil weist im Fügebereich vorzugsweise eine anorganische Oberfläche, insbesondere eine Metalloberfläche oder eine Glasoberfläche auf. Insbesondere kann es sich bei dem Bauteil um ein Metallteil oder um ein Glasteil handeln. Feste und langzeitstabile Verbindungen von Kunststoffteilen mit Metall- oder Glasteilen sind nicht einfach herzustellen. Durch das hier beschriebene Verfahren können derartige Verbindungen auf prozessökonomisch hergestellt werden.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das Bauteil im Fügebereich eine Kunststoffoberfläche aufweist, insbesondere ein Bauteil aus Kunststoff ist. Bei dem Kunststoff des Bauteils kann es sich beispielsweise um einen duroplastischen Kunststoff oder um einen Kunststoff mit einer höheren Schmelz- oder Erweichungstemperatur als der Kunststoff des Kunststoffteils handeln.
Das Kunststoffteil weist insbesondere im Bereich der Kontaktfläche mit dem Bauteil Kunststoff auf. Insbesondere kann das Kunststoffteil im Wesentlichen aus Kunststoff bestehen, beispielsweise zu mindestens 90%. Es ist aber auch denkbar, dass das Kunststoffteil weitere Materialien umfasst, beispielsweise ein Einlegeteil aus einem anderen Material als Kunststoff, wenn es sich bei dem Kunststoffteil zum Beispiel um ein Spritzgussteil handelt, oder Bewehrungsmittel, wie zum Beispiel in das Kunststoffteil eingebettete Fasern.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens beschrieben, wobei die einzelnen Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden können.
Bei einer Ausführungsform wird das Kunststoffteil durch Anwendung von Hitze und Druck mit dem Bauteil verbunden. Auf diese Weise wird eine noch festere Verbindung zwischen Bauteil und Kunststoffteil erreicht. Zudem kann bei der Anwendung von Druck die anzuwendende Hitze reduziert werden, da bereits ein leichtes Erweichen oder Anschmelzen der Kontaktfläche des Kunststoffteils bei Anwendung von Druck eine feste Verbindung zum Bauteil, insbesondere Metallteil, bewirkt.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Kunststoffteil thermisch auf das Bauteil aufgepresst, vorzugsweise mit einem beheizten Stempel. Ein solches Heißverpressen des Kunststoffteils mit dem Bauteil erfordert nur geringen apparativen Aufwand und lässt sich prozessökonomisch in eine Prozesskette einbetten. Zudem wurden in Versuchen gute Festigkeitsergebnisse für eine auf diese Weise hergestellte Verbindung von Bauteil, insbesondere Metallteil, und Kunststoffteil erreicht.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Kunststoffteil auf das Bauteil aufgeschweißt, insbesondere durch Vibrationsschweißen, vorzugsweise Ultraschall-Schweißen. Auch ein Verschweißen lässt sich mit recht geringem apparativen Aufwand in eine Prozesskette einbetten. Beim Vibrations-, insbesondere Ultraschall-Schweißen werden hochfrequente mechanische Schwingungen, insbesondere im Ultraschallbereich, in das Bauteil und/oder das Kunststoffteil eingekoppelt, beispielsweise mit einer Sonotrode. Hierdurch kommt es zu Vibrationen zwischen dem Bauteil, insbesondere Metallteil, und dem Kunststoffteil im Fügebereich, die zur Hitzeentwicklung und damit zum Verschweißen der beiden Komponenten führen.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der atmosphärische Plasmastrahl mit einer Plasmadüse erzeugt, wobei die Plasmadüse eine Düsenöffnung aufweist, aus der im Betrieb der Plasmastrahl austritt. Auf diese Weise kann die Richtung des Plasmastrahls durch die Ausrichtung der Plasmadüse eingestellt werden, so dass eine zielgenaue Beaufschlagung der Oberfläche des Bauteils im Fügebereich ermöglicht wird. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, die Oberfläche des Bauteils im Fügebereich mit einer haftvermittelnden Schicht zu beschichten. Weiterhin lässt sich die relative Positionierung einer solchen Plasmadüse zum Bauteil gut automatisieren, so dass ein effizienter Produktionsverlauf ermöglicht wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der atmosphärische Plasmastrahl mittels einer bogenartigen Entladung in einem Arbeitsgas erzeugt, wobei die bogenartige Entladung durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektroden erzeugt wird. Als Arbeitsgas wird vorzugsweise Stickstoff verwendet. Unter einer hochfrequenten Hochspannung wird typischerweise eine Spannung von 1 - 100 kV, insbesondere 1 - 50 kV, vorzugsweise 10 - 50 kV, bei einer Frequenz von 1 - 300 kHz, insbesondere 1 - 100 kHz, vorzugsweise 10 - 100 kHz, weiter bevorzugt 10 - 50 kHz verstanden. Auf diese Weise kann ein Plasmastrahl erzeugt werden, der sich gut fokussieren lässt und sich zudem gut für eine Plasmabeschichtung eignet. Insbesondere weit ein derart erzeugter Plasmastrahl eine verhältnismäßig geringe Temperatur auf, so dass eine Zersetzung des Precursors verhindert werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Precursor in den Plasmastrahl eingeleitet. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Plasmadüse mit integrierter Precursorzufuhr verwendet werden. Der Precursor kann beispielsweise im Bereich des Düsenauslasses der Plasmadüse in den Plasmastrahl eingeleitet werden. Durch die Wechselwirkung des Precursors mit dem Plasmastrahl kann der Precursor chemisch aktiviert werden, so dass er auf der Oberfläche des Bauteils eine dünne und gleichmäßige Schicht bildet. Insbesondere kann der Plasmastrahl eine Polymerisation des Precursors hervorrufen, so dass die Moleküle des Precursors miteinander vernetzen und damit eine vernetzte Schicht auf der Oberfläche des Bauteils bilden.
Das Einbringen des Precursors in den Plasmastrahl hat zudem den Vorteil, dass der Precursor fragmentiert und gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt werden kann.
Aus der EP 1 230 414 B1 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche eines Werkstücks bekannt, bei der in den Bereich des Plasmastrahls ein Precursor eingebracht wird. Der Precursor kann dabei in der Düsenöffnung selbst oder im Bereich strömungsabwärts der Düsenöffnung in den Plasmastrahl eingebracht werden. Der Precursor reagiert dann innerhalb des Plasmas und bildet ein Reaktionsprodukt, das auf der Oberfläche des Bauteils abgeschieden wird. Somit lässt sich die Oberfläche des Bauteils mittels Plasmabeschichtung im Fügebereich gleichmäßig beschichten.
Das Precursormaterial wird bevorzugt im gasförmigen Zustand in den Plasmastrahl eingebracht. Zudem kann der Precursor auch in einem flüssigen Zustand, zum Beispiel gelöst oder dispergiert in einem Fluid, oder in festem, vorzugsweise pulverförmigem Zustand eingespeist werden. In diesem Fall verdampft bzw. schmilzt das Precursormaterial erst in der Reaktionszone des Plasmastrahls.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird als Precursor ein organischer, vorzugsweise siliziumorganischer, insbesondere ein siliziumorganisch funktionalisierter Precursor verwendet.
Mögliche Präkursoren sind: Siliziumorganische Verbindungen wie Hexamethyldisiloxan (HMDSO) oder Tetraethoxysilan (TEOS), aber auch funktionalisierte siliziumorganische Verbindungen mit Epoxidgruppe wie z. B. 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane, mit Acrylatgruppe wie y-Methacryloxypropyl trimethoxysilan, mit Aminogruppe wie 3-Aminopropyltrimethoxysilane, 3-Aminopropyltriethoxysilan oder [3-(2-Aminoethyl)aminopropyl]trimethoxysilan, mit Vinylgruppe wie Vinyltrimethoxysilan oder 1,3-Divinyltetramethyldisiloxan, mit Thiolgruppen wie (3-Mercaptopropyl)trimethoxysilan oder Sulfangruppen wie Bis[3-(triethoxysilyl)propyl]tetrasulfid. Desweiteren können auch rein organische also aliphatische, cyclische und aromatische Präkursoren eingesetzt werden wie z. B. Heptan, 1-Hexen, 1-Okten, 1-Heptin, 1,7-Oktadien, 1,5-Hexadien, 1,5-Cyclooktadien, Tolul und Xylole.
Ein besonders bevorzugter Precursor ist γ-Methacryloxypropyl trimethoxysilan, mit dem gute Haftvermittlereigenschaften erreicht wurden.
Weiterhin kann als Precursor auch eine Mischung aus mehreren der oben genannten Verbindungen verwendet werden.
Die zuvor beschriebenen Präkursoren haben sich als besonders geeignet erwiesen, um eine feste und langzeitbeständige Verbindung zwischen dem Bauteil, insbesondere Metallteil, und dem Kunststoffteil zu vermitteln.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kunststoffteil einen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonat (PC), ein Flüssigkristallpolymer oder Mischungen daraus, wie zum Beispiel eine Mischung aus Polyamid und Polycarbonat. Das Kunststoffteil kann auch im Wesentlichen aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere den zuvor genannten oder Mischungen daraus, bestehen. Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich Festigkeit und Langzeitbeständigkeit der Verbindung wurden mit Polyamid, insbesondere mit PA6, PA66 und PA66/6 erzielt.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kunststoffteil faserverstärkten Kunststoff. Vorzugsweise besteht das Kunststoffteil im Wesentlichen aus faserverstärktem Kunststoff. Insbesondere kann das Kunststoffteil eine in Kunststoff getränkte Fasermatte aufweisen. Das Kunststoffteil kann insbesondere Kohlenstoff- und/oder Glasfasern aufweisen, insbesondere eine Kohlenstofffasermatte oder Glasfasermatte.
Die Bewehrung des Kunststoffteils mit Fasern, insbesondere einer Fasermatte, erhöht die Formstabilität des Kunststoffteils, insbesondere beim Erweichen oder Anschmelzen des Kunststoffteils im Fügebereich mit dem Bauteil. Besonders bevorzugt ist ein mit Fasern, insbesondere einer Fasermatte, bewehrtes Kunststoffteil bei Bewirkung der Verbindung zwischen Kunststoffteil und Bauteil mittels Hitze und Druck, insbesondere beim thermischen Verpressen. Die Fasern bzw. die Fasermatte verhindern, dass das Kunststoffteil beim Andrücken des Kunststoffteils gegen das Bauteil durchgedrückt wird.
Weitere Vorteile und Merkmale des Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.
In der Zeichnung zeigen

1 ein Ausführungsbeispiel für eine Plasmadüse, die für das Verfahren verwendet werden kann,
2a-c ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Verbinden eines Bauteils mit einem Kunststoffteil,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Verbinden eines Bauteils mit einem Kunststoffteil und
4 einen Verbund aus einem Kunststoffteil und einem Baulteil, das mit dem anhand der 2a-c beschriebenen Verfahren hergestellt wurde.

1 zeigt in schematischer Schnittansicht zunächst eine Plasmadüse, die in dem beschriebenen Verfahren zum Verbinden eines Bauteils, insbesondere Metallteils, mit einem Kunststoffteil eingesetzt werden kann.
Die Plasmadüse 2 weist ein Düsenrohr 4 aus Metall auf, das sich konisch zu einer Düsenöffnung 6 verjüngt. Am der Düsenöffnung 6 entgegengesetzten Ende weist das Düsenrohr 4 eine Dralleinrichtung 8 mit einem Einlass 10 für ein Arbeitsgas auf, beispielsweise für Stickstoff.
Eine Zwischenwand 12 der Dralleinrichtung 8 weist einen Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 14 auf, durch die das Arbeitsgas verdrallt wird. Der stromabwärtige, konisch verjüngte Teil des Düsenrohres wird deshalb von dem Arbeitsgas in der Form eines Wirbels 16 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohres verläuft. An der Unterseite der Zwischenwand 12 ist mittig eine Elektrode 18 angeordnet, die koaxial in Richtung des verjüngten Abschnittes in das Düsenrohr hineinragt. Die Elektrode 18 ist elektrisch mit der Zwischenwand 12 und den übrigen Teilen der Dralleinrichtung 8 verbunden. Die Dralleinrichtung 8 ist durch ein Keramikrohr 20 elektrisch gegen das Düsenrohr 4 isoliert. Über die Dralleinrichtung 8 wird an die Elektrode 18 eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die von einem Transformator 22 erzeugt wird. Der Einlass 10 ist über einen nicht gezeigten Schlauch mit einer unter Druck stehenden Arbeitsgasquelle mit variablem Durchsatz verbunden. Das Düsenrohr 4 ist geerdet. Durch die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in der Form eines Lichtbogens 24 zwischen der Elektrode 18 und dem Düsenrohr 4 erzeugt.
Die Begriffe „Lichtbogen“, „Bogenentladung“ bzw. „bogenartige Entladung“ werden vorliegend als phänomenologische Beschreibung der Entladung verwendet, da die Entladung in Form eines Lichtbogens auftritt. Der Begriff „Lichtbogen“ wird anderweitig auch als Entladungsform bei Gleichspannungsentladungen mit im Wesentlichen konstanten Spannungswerten verwendet. Vorliegend handelt es sich jedoch um eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens, also um eine hochfrequente, bogenartige Entladung.
Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen jedoch im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres 4 kanalisiert, so dass er sich erst im Bereich der Düsenöffnung 6 zur Wand des Düsenrohres 4 verzweigt. Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 24 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so dass ein atmosphärischer Plasmastrahl 26 durch die Düsenöffnung 6 aus der Plasmadüse 2 austritt.
Zur Plasmabeschichtung einer Oberfläche wird die Oberfläche mit dem Plasmastrahl 26 und einem geeigneten Precursor 28 beaufschlagt. Insbesondere kann der Precursor 28 in den Plasmastrahl 26 eingebracht werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise im Bereich der Düsenöffnung 6 eine Precursorzuleitung angeordnet sein, die den Precursor 28 in den Plasmastrahl 26 einleitet. Eine solche Precursorzuleitung kann auch in die Plasmadüse 2 integriert sein. Beispielsweise kann an die Düsenöffnung 6 ein Rohr mit einer Precursorzuleitung angeschlossen sein, so dass der Plasmastrahl 26 durch das Rohr geführt wird und der Precursor im Rohr in den Plasmastrahl eingebracht wird. Ebenfalls ist eine Precursorzuleitung denkbar, die den Precursor in den Innenraum des Düsenrohrs 4 einbringt. Der Precursor kann auch zusammen mit dem Arbeitsgas durch den Einlass 10 in das Düsenrohr 4 eingebracht werden. Bevorzugt ist es jedoch, den Precursor 28 außerhalb des Düsenrohrs 4 in den Plasmastrahl einzubringen, um den Precursor 28 durch den Lichtbogen 24 oder die hohen Temperaturen innerhalb des Düsenrohrs 4 nicht zu beeinträchtigen.
Die Wechselwirkung des Plasmastrahls 26 mit dem Precursor 28 führt zu einer Aktivierung und ggf. Fragmentierung des Precursors 28. Der aktivierte Precursor 28 bildet dann beim Auftreffen auf die zu beschichtende Oberfläche eine gleichmäßige Schicht aus.
Die 2a-c zeigen nun ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Verbindung eines Bauteils, insbesondere Metallteils, mit einem Kunststoffteil in schematischer Teilschnittansicht.
2a zeigt einen ersten Schritt des Verfahrens, bei dem die Oberfläche 42 eines bereitgestellten Bauteils 44, insbesondere Metallteils, in einem Fügebereich 46 mit einem atmosphärischen Plasmastrahl 48 und einem Precursor 50 beaufschlagt wird, so dass sich auf der Oberfläche 42 des Bauteils 44 eine Haftvermittlerschicht 52 bildet.
Der atmosphärische Plasmastrahl 48 wird mit einer Plasmadüse 54 erzeugt, die insbesondere wie die in 1 gezeigte Plasmadüse 2 ausgebildet sein kann.
Der Precursor 50 wird vorzugsweise in den Plasmastrahl 48 eingebracht, so dass dieser durch den Plasmastrahl 48 teilweise fragmentiert und aktiviert wird. Der Precursor 50 kann wie in 2a gezeigt in den Plasmastrahl 48 eingebracht werden, nachdem dieser die Plasmadüse 54 verlassen hat. Alternativ dazu kann der Precursor 50 auch in die Plasmadüse 54, insbesondere in einen Düsenkopf 56 der Plasmadüse 54 oder zusammen mit einem die Plasmadüse 54 versorgenden Arbeitsgas 58 eingebracht werden.
Bei dem Precursor kann es sich zum Beispiel um eine organische, insbesondere siliziumorganische Verbindung handeln, beispielsweise um HMDSO oder TEOS. Besonders vorteilhaft sind zudem funktionalisierte siliziumorganische Verbindungen. Die siliziumorganischen Verbindungen, insbesondere funktionalisierten siliziumorganischen Verbindungen, werden im Plasmastrahl 48 aktiviert und/oder plasmapolymerisiert, so dass sich auf der Oberfläche 42 des Bauteils 44 die Haftervermittlerschicht 52 bildet.
Der Einsatz der Plasmabeschichtung zur Erzeugung der Haftvermittlerschicht ermöglicht eine einfache Integration der Beschichtung in den Prozessfluss, zum Beispiel als Inline-Beschichtung. Weiterhin lässt sich mit dem gerichteten Plasmastrahl 48 die Haftvermittlerschicht gezielt an gewünschter Stelle auf der Oberfläche 42 des Bauteils 44 aufbringen.
2b zeigt einen zweiten Schritt des Verfahrens, bei dem ein mit dem Bauteil 44 zu verbindendes Kunststoffteil 64 bereitgestellt und im Fügebereich 46 mit dem Bauteil 44 in Kontakt gebracht wird. Das Kunststoffteil 64 besteht vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoff. Insbesondere kann das Kunststoffteil 64 eine Fasermatte, zum Beispiel aus Kohlefasern und/oder Glasfasern, enthalten, die in Kunststoff, insbesondere thermoplastischen Kunststoff, eingebettet ist.
Bei oder nach dem Inkontaktbringen von Bauteil 44 und Kunststoffteil 64 wird das Kunststoffteil 64 durch Anwendung von Hitze und Druck mit dem Bauteil 44 verbunden. Bei dem in 2b dargestellten Beispiel erfolgt das Verbinden mittels Heißverpressen, bei dem das Kunststoffteil 64 mit einem erhitzten Pressstempel 66 sowie einem Gegenstempel 68 gegen das Bauteil 44 gepresst wird (Pfeile 70, 72). Das Kunststoffteil 64 erweicht im Fügebereich 46 bzw. schmilzt dort an und kann sich durch die eingebrachte Presskraft leicht verformen. Nach dem Abkühlen des Kunststoffteils 64 ergibt sich dann, vermittelt durch die Haftvermittlerschicht 52, eine starke und langzeitbeständige Verbindung zwischen dem Bauteil 44 und dem Kunststoffteil 64 (s. 2c).
3 zeigt den Verbund 74 von Bauteil 44, insbesondere Metallteil, und Kunststoffteil 64 in isometrischer Ansicht. Wie in 3 dargestellt, wurde das beim Heißverpressen teilweise erweichte Kunststoffteil 64 durch den in diesem Beispiel ringförmigen Pressstempel 66 leicht zusammengepresst (s. Bezugszeichen 76). Die vorzugsweise vorgesehene Faserbewehrung, insbesondere Fasermatte, im Kunststoffteil 64 hat jedoch ein Durchdrücken und damit ein Zerstören des Kunststoffteils 64 durch den Pressstempel 66 zuverlässig verhindert.
Bei dem anhand der 2a-c dargestellten Verfahren erfolgt das Verbinden von Bauteil 44 und Kunststoffteil 64 wie in 2b dargestellt durch Heißverpressen. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem das Verbinden von Bauteil 44, insbesondere Metallteil, und Kunststoffteil 64 durch Vibrationsschweißen, insbesondere Ultraschallschweißen erfolgt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Bauteil 44 zunächst durch Plasmabeschichten entsprechend dem in 2a dargestellten Schritt mit einer Haftvermittlerschicht 52 versehen. Anschließend werden das Bauteil 44 und das Kunststoffteil 64 wie in 4 dargestellt im Fügebereich 46 miteinander in Kontakt gebracht. Auf dem Kunststoffteil 64 wird im Fügebereich 46 eine Sonotrode 80 aufgesetzt, während das Bauteil 44 mit einem Gegenlager 82 abestützt wird. Über die Sonotrode 80 wird eine hochfrequente Vibration (Doppelpfeil 84) in das Kunststoffteil 64 eingekoppelt, wodurch es zu Vibrationen zwischen Kunststoffteil 64 und Bauteil 44 kommt. Durch die dabei entstehende Hitze verschmilzt das Kunststoffteil 64 mit dem Bauteil 44 und bildet auf diese Weise, vermittelt durch die Haftvermittlerschicht 52, eine feste und langzeitbeständige Verbindung.
Im Rahmen der Erfindung wurden Versuche durchgeführt, die im Folgenden beschrieben werden sollen:

Hierzu wurden Metallprobenkörper aus verschiedenen Materialien hergestellt, nämlich aus Aluminium EN AW 6016 (Ac120), Aluminium EN AW 5005A (eloxiert E6 EV1) und Stahl DC 04. Die Probengeometrie entsprach DIN EN 1465. Insbesondere betrug die Größe der Metallprobenkörper 100 mm × 25 mm.

Die Metallprobenkörper wurden plasmabeschichtet, wobei eine der in 1 gezeigten Plasmadüse 2 entsprechende Plasmadüse und 1-Okten als Precursor eingesetzt wurde. Die Metallprobenkörper wurden dann mittels eines induktiv geheizten Pressstempels mit Kunststoffteilen aus Polyamid 6 mit 30 % Glasfaseranteil (PA6 GF30) entsprechender Größe zu Verbundprobekörpern verbunden. Der Überlapp zwischen Metallprobenkörper und Kunststoffteil betrug jeweils 12,5 mm, so dass Metallprobenkörper und jeweiliges Kunststoffteil auf einer Fläche von jeweils 12,5 mm × 25 mm miteinander verbunden wurden.
Anschließend wurden an den jeweiligen Verbundprobekörpern aus Metallprobenkörper und Kunststoffteil Zugscherversuche nach EN AW nach DIN EN 1465 durchgeführt.
Darüber hinaus wurden Vergleichsversuche durchgeführt, wozu entsprechende Verbundprobekörper aus Metallprobenkörper und Kunststoffteil hergestellt wurden, jedoch ohne vorige Plasmabeschichtung der Metallprobenkörper.
Es zeigte sich in den Zugscherversuchen, dass bei dem Verfahren mit Plasmabeschichten des Metallkörpers durchgehend gute Zugscherfestigkeiten von mehr als 8 MPa erreicht wurden.
Noch bessere Ergebnisse für die Zugscherfestigkeit konnten in entsprechenden Versuchen erreicht werden, bei denen anstelle von Okten ein siliziumorganischer Precursor verwendet wurde.
Die Verbundprobekörper ohne Plasmabehandlung und Precursorbeaufschlagung fielen demgegenüber direkt oder schon bei sehr geringer Kraftbeanspruchung auseinander (Zugscherfestigkeit < 1 MPa).
Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren zum Verbinden eines Bauteils, insbesondere Metallteils, mit einem Kunststoffteil kann damit auf prozessökonomische Weise eine feste und langzeitstabile Verbindung erreicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1230414 B1 [0023]

Claims

Verfahren zum Verbinden eines Bauteils (44) mit einem Kunststoffteil (64), - bei dem die Oberfläche eines Bauteils in einem Fügebereich (46) mit einem atmosphärischen Plasmastrahl (26, 48) und einem Precursor (28, 50) beaufschlagt wird, so dass das Bauteil (44) im Fügebereich (46) mit einer haftvermittelnden Schicht (52) versehen wird, und - bei dem ein mit dem Bauteil (44) zu verbindendes Kunststoffteil (64) im Fügebereich (46) mit dem Bauteil (44) in Kontakt gebracht und durch Anwendung von Hitze mit diesem verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (44) im Fügebereich eine Metalloberfläche oder eine Glasoberfläche aufweist, insbesondere ein Metallteil oder ein Glasteil ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffteil (64) durch Anwendung von Hitze und Druck mit dem Bauteil (44) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffteil (64) thermisch auf das Bauteil (44) aufgepresst wird, vorzugsweise mit einem beheizten Stempel (66).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffteil (64) auf das Bauteil (44) aufgeschweißt wird, insbesondere durch Vibrationsschweißen, vorzugsweise Ultraschall-Schweißen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der atmosphärische Plasmastrahl (16, 48) mit einer Plasmadüse (2, 54) erzeugt wird, wobei die Plasmadüse (2, 54) eine Düsenöffnung (6) aufweist, aus der im Betrieb der Plasmastrahl (16, 48) austritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der atmosphärische Plasmastrahl (16, 48) mittels einer bogenartigen Entladung in einem Arbeitsgas (58) erzeugt wird, wobei die bogenartige Entladung durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektroden erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Precursor (28, 50) in den Plasmastrahl (26, 48) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Precursor (28, 50) ein organischer, insbesondere siliziumorganischer, vorzugsweise siliziumorganisch funktionalisierter Precursor verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffteil (64) einen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Polycarbonat, ein Flüssigkristallpolymer oder Mischungen daraus, umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffteil (64) faserverstärkten Kunststoff umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht.