DE102019128265A1

DE102019128265A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds aus einem Kunststoffbauteil und einem Metallbauteil

Info

Publication number: DE102019128265A1
Application number: DE102019128265.9A
Authority: DE
Inventors: Denis Wohlfahrt; Daniel Kugele; Matthias Mayer; Lars Merkert
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2039-10-22
Also published as: DE102019128265B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds (1) aus einem Kunststoffbauteil (9) und einem Metallbauteil (7), bei dem in einem Fügeschritt die beiden Bauteile (7, 9) unter Zwischenlage eines Metall-Hilfsfügeelements (15) an einer Fügestelle (F) aneinander gefügt werden. Erfindungsgemäß wird in dem Fügeschritt das Metall-Hilfsfügeelement (15) mittels Formschlussverbindung (A1) an das Kunststoffbauteil (9) angebunden und mittels Stoffschlussverbindung (A2) an das Metallbauteil (7) angebunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds aus einem Kunststoffbauteil und einem Metallbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie einen Bauteilverbund gemäß Anspruch 10.
Ein elektrisch betriebenes Fahrzeug kann eine auf der Fahrzeug-Unterseite verbaute Traktionsbatterie aufweisen, die sich in der Fahrzeuglängsrichtung zwischen der vorderen und hinteren Fahrzeugachse sowie in der Fahrzeugquerrichtung zwischen seitlichen Schwellern erstreckt. Der Gehäuseboden der Traktionsbatterie kann als ein Wärmetauscher realisiert sein, dessen Kühlmittelkanäle Bestandteil eines Batterie-Kühlsystems sind. Der als Wärmetauscher wirkende Gehäuseboden der Traktionsbatterie kann beispielhaft zweilagig aufgebaut sein, und zwar mit einem batterieinneren Aluminiumboden und einem batterieäußeren Aluminiumboden, zwischen denen die Kühlmittelkanäle ausgebildet sind.
In einem gattungsgemäßen Stand der Technik kann der Gehäuseboden mittels Klebverbindung hergestellt werden, bei der die beiden Aluminiumböden außerhalb der Kühlmittelkanäle miteinander fertigungstechnisch aufwendig verklebt werden.
Aus der DE 2014 010 628 A1 ist ein Kunststoff-Bauteil mit zumindest einem elektrischen Kontaktelement bekannt. Aus der DE 10 2017 211 296 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Metall-Hybrid-Bauteilen bekannt. Aus der DE 10 2015 004 896 A1 ist eine Leiterplatte als Träger für elektrische, elektronische oder elektromechanische Bauteile bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein für eine Serienfertigung geeignetes Verfahren herzustellen, bei dem ein Metallbauteil und ein Kunststoffbauteil in fertigungstechnisch einfacher Weise gefügt werden können.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einem Verfahren aus, bei dem in einem Fügeschritt ein Metallbauteil mit einem Kunststoffbauteil unter Zwischenlage eines Metall-Hilfsfügeelementes an einer Fügestelle gefügt wird.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 erfolgen in dem Fügeschritt eine Formschlussverbindung sowie eine Stoffschlussverbindung. In der Formschlussverbindung wird das Metall-Hilfsfügeelement unter Wärmeeinwirkung aufgeschmolzen. Das aufgeschmolzene Metall-Hilfsfügeelement wird in schmelzflüssiger Form mit einer Formschlusskontur des Kunststoffbauteils verbunden. Anschließend wird das schmelzflüssige Metall-Hilfsfügeelement ausgehärtet, bis es erstarrt. Bei der Stoffschlussverbindung wird das Metall-Hilfsfügeelement unter Wärmeeinwirkung ebenfalls in schmelzflüssige Form gebracht. Das schmelzflüssige Metall-Hilfsfügeelement wird mit dem Metallblechteil stoffschlüssig verbunden, das heißt damit gelötet oder damit verschweißt.
In einer technischen Umsetzung kann das Kunststoffbauteil in einem Spritzgießprozess hergestellt werden. Der Spritzgießprozess kann einen Kunststoff-Spritzgießschritt aufweisen, bei dem zunächst eine flüssige Kunststoff-Ausgangskomponente in eine Werkzeugkavität eines Spritzgießwerkzeugs eingespritzt wird und darin ausgehärtet wird. Auf diese Weise bildet sich das Kunststoffbauteil mitsamt Formschlusskontur. Die Formschlusskontur kann bevorzugt eine im Kunststoffbauteil eingeformte Bauteil-Vertiefung sein.
Der Spritzgießprozess kann nach Art einer 2K-Spritzgießtechnik realisiert sein. In diesem Fall kann der Spritzgießprozess einen Metall-Spritzgießschritt aufweisen, der nach dem Kunststoff-Spritzgießschritt folgt. Im Metall-Spritzgießschritt kann unter Druck und Wärme eine flüssige Metall-Ausgangskomponente in eine Teilkavität des Spritzgießwerkzeugs eingespritzt werden. Die Teilkavität des Spritzgießwerkzeugs wird zumindest teilweise durch die Bauteil-Vertiefung (das heißt Formschlusskontur) des Kunststoffbauteils begrenzt. Das in die Teilkavität eingespritzte flüssige Metall wird ausgehärtet, wodurch sich die Formschlussverbindung zwischen dem Metall-Hilfsfügeelement und dem Kunststoffbauteil ergibt. Bei dieser Prozessabfolge wird somit zunächst die Formschlussverbindung zwischen dem HilfsFügeelement und dem Kunststoffbauteil durchgeführt. Anschließend erfolgt prozesstechnisch nachgeschaltet die Stoffschlussverbindung zwischen dem Metall-Hilfsfügeelement und dem Metall-Blechteil (das heißt Lötvorgang oder Schweißvorgang).
In einer alternativen Prozessabfolge kann zunächst in einem separaten Prozessschritt ein Hilfsfügeelement-Vorformling bereitgestellt werden. Der Hilfsfügeelement-Vorformling kann in einem Einlegeschritt in die Bauteil-Vertiefung des Kunststoffbauteils lose eingelegt werden. Anschließend erfolgt der Fügeschritt, bei dem die Fügestelle durch eine externe Heizquelle erwärmt wird. Dadurch wird der zwischen dem Kunststoffbauteil und dem Metallbauteil befindliche Hilfsfügeelement-Vorformling aufgeschmolzen. Das aufgeschmolzene Material des Hilfsfügeelementes kann sich unter Bildung der Formschlussverbindung formschlüssig mit der Kunststoffbauteil-Formschlusskontur verbinden. Zudem kann sich das aufgeschmolzene Material des Hilfsfügeelementes gleichzeitig stoffschlüssig mit dem Metall-Bauteil verbinden (das heißt Lötvorgang oder Schweißvorgang).
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der Bauteilverbund ein Wärmetauscher, bei dem die beiden Bauteile als großflächige Platten aneinandergefügt werden. Die beiden Platten begrenzen dazwischen kühlmitteldurchströmte Wärmetauscher-Kanäle. Jeder Wärmetauscher-Kanal kann in einer Kanal-Querrichtung beidseitig jeweils eine Fügestelle aufweisen. Die Fügestelle kann sich in der Kanal-Längsrichtung durchgängig sowie unterbrechungsfrei erstrecken, so dass das Metall-Hilfsfügeelement zugleich in Doppelfunktion auch als eine Kühlmittel-Dichtung wirkt.
Im obigen Anwendungsfall kann die Vertiefung (das heißt die Formschlusskontur) des Kunststoffbauteils eine in der Kanal-Längsrichtung verlaufende Nut sein. Im Zusammenbauzustand kann das Metall-Hilfsfügeelement in Formschlussverbindung mit der im Kunststoffbauteil eingeformten Nut sein.
Im Hinblick auf einen fertigungstechnisch einfach realisierbaren Wärmetauscher kann das plattenförmige Metallbauteil komplett ebenflächig ausgebildet sein, während das plattenförmige Kunststoffbauteil einen ebenflächigen Basisabschnitt aufweist, in dem schalenförmige Kanalprofilwände eingeformt sind, die zusammen mit der ebenflächig ausgebildeten Metallplatte die Kühlmittel-Kanäle bilden.
Von besonderer Bedeutung ist es, den Wärmetauscher in einfacher Weise kühlmitteldicht abzudichten. Vor diesem Hintergrund kann die Fügestelle zwischen dem Metallbauteil und dem Kunststoffbauteil wie folgt realisiert sein: So kann in der Kanal-Querrichtung beidseitig der Nut jeweils eine Fügefläche anschließen. Im Wärmetauscher-Zusammenbauzustand können die beiden Fügeflächen des Kunststoffbauteils planparallel mit einer zugewandten Metallbauteil-Fügefläche ausgerichtet sein, und zwar unter Zwischenordnung eines geringen Fügespalts. Das im Fügeschritt aufgeschmolzene Material des Metall-Hilfsfügeelementes kann den Fügespalt zumindest teilweise auffüllen. Auf diese Weise wird die Dichtfläche zwischen dem Kunststoffbauteil und dem Metallbauteil gesteigert, wodurch auch die Kühlmittel-Dichtheit erhöht ist.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 in einer teilweisen Perspektivansicht einen Wärmetauscher im Zusammenbauzustand;
2 in einer vergrößerten Teilansicht eine Fügestelle des Wärmetauschers;
3 bis 6 jeweils Ansichten, die eine Prozessabfolge zur Herstellung des Wärmetauschers veranschaulichen; und
7 eine Ansicht entsprechend der 5, anhand der eine alternative Prozessabfolge veranschaulicht ist.

In der 1 ist in Schnittdarstellung ein Wärmetauscher 1 mit einer Mehrzahl von kühlmitteldurchströmten Wärmetauscher-Kanälen 5 gezeigt. Die Wärmetauscher-Kanäle 5 weisen jeweils einen geschlossenen Strömungsquerschnitt auf. In der 1 ist der Wärmetauscher 1 zweilagig aufgebaut, und zwar aus einem komplett ebenflächigen, plattenförmigen Metallbauteil 7 und einem ebenfalls plattenförmigen Kunststoffbauteil 9. Das Kunststoffbauteil 9 ist mit einem ebenflächigen Basisabschnitt 11 ausgebildet, in dem eine Mehrzahl von schalenförmigen Kanalprofilwänden 13 eingeformt sind.
In der 1 sind beidseitig des jeweiligen Wärmetauscher-Kanals 5 außerhalb des Strömungsquerschnitts jeweils eine Fügestelle F vorgesehen, mittels der das Metallbauteil 7 und das Kunststoffbauteil 9 miteinander verbunden sind. In der jeweiligen Fügestelle F (2) sind die beiden Bauteile 7, 9 unter Zwischenlage eines Metall-Hilfsfügeelementes 15 aneinander gefügt.
Nachfolgend wird der Aufbau der Fügestelle F beschrieben: Demzufolge weist das Kunststoffbauteil 9 an der Fügestelle F eine in Kanal-Längsrichtung x (1) verlaufende Nut 17 auf, die mit dem Material des Metall-Hilfsfügeelementes 15 gefüllt ist, und zwar unter Bildung einer Formschlussverbindung A1 (2). Die Formschlussverbindung A1 ergibt sich in der 2 zwischen einer Oberflächen-Mikrostruktur in der Nut 17 und dem Material des Metall-Hilfsfügeelements 15. Alternativ und/oder zusätzlich kann die Nut 17 mit zusätzlichen Hinterschneidungen versehen sein, um die Formschlussverbindung A1 zu verstärken. Die in dem Kunststoffbauteil 9 gebildete Nut 17 geht in der Kanal-Querrichtung y (1) beidseitig in Fügeflächen 19 über. In dem, in der 1 oder 2 gezeigten Zusammenbauzustand sind die Fügeflächen 19 des Kunststoffbauteils 9 planparallel mit einer zugewandten Metallbauteil-Fügefläche ausgerichtet, und zwar unter Zwischenordnung eines geringen Fügespalts f (2). Der Fügespalt f ist in der 1 oder 2 teilweise mit dem Material des Metall-Hilfsfügeelementes 15 aufgefüllt. Zudem ist das Metall-Hilfsfügeelement 15 in einer Stoffschlussverbindung A2 mit dem Metallbauteil 7 verlötet oder verschweißt. Auf diese Weise wirkt das Metall-Hilfsfügeelement 15 in Doppelfunktion auch als Kühlmittel-Dichtung, die eine in der Kanal-Querrichtung y ausreichend große Dichtzone d (2) bereitstellt.
Nachfolgend wird anhand der 3 bis 6 eine Prozessabfolge zur Herstellung des in der 1 gezeigten Wärmetauschers 1 beschrieben. Demzufolge wird in der 3 und 4 ein Spritzgießprozess, bestehend aus einem Kunststoff-Spritzgießschritt (3) und einem Metall-Spritzgießschritt ( 4) durchgeführt. Im Kunststoff-Spritzgießschritt (3) wird eine flüssige Kunststoff-Ausgangskomponente in eine Werkzeugkavität 21 eines Spritzgießwerkzeugs 23 eingespritzt und darin ausgehärtet. In dem Kunststoff-Spritzgießschritt (3) wird das Kunststoffbauteil 9 mitsamt Kanalprofilwänden 13 sowie Längsnuten 17 geformt.
Anschließend erfolgt der Metall-Spritzgießschritt (4), bei dem unter Druck und Wärme eine flüssige Metall-Ausgangskomponente des Metall-Hilfsfügeelementes 15 in eine Teilkavität 25 unter Druck und Wärme eingespritzt wird. Die Teilkavität 25 ist in der 4 durch eine Rückstellbewegung R der Schieber 27 im Spritzgießwerkzeug 23 freigelegt.
Der Werkstoff des Metall-Hilfsfügeelementes 15 ist im Vergleich zum Kunststoffmaterial des Kunststoffbauteils 9 niedrigschmelzender ausgelegt. Beispielhaft kann die Schmelztemperatur des Kunststoffmaterials in einer Größenordnung von 200°C liegen, während die Schmelztemperatur des Metalls in einer Größenordnung von 140°C liegen kann.
Nach erfolgtem Metall-Spritzgießschritt (4) ist das Metall-Hilfsfügeelement 15 in Formschlussverbindung A1 mit der Oberflächen-Mikrostruktur der Kunststoffbauteil-Nut 17.
Anschließend erfolgt die Stoffschlussverbindung A2 zwischen dem Metallbauteil 7 und dem bereits im Kunststoffbauteil 9 integrierten Metall-Hilfsfügeelement 15, wie es in der 5 angedeutet ist. Demzufolge wird das Metallbauteil 7 durch eine Heizquelle 29 bis auf eine Temperatur größer als die Schmelztemperatur des Metall-Hilfsfügeelementes 15 erhöht und in einem Setzschritt S (5) in Richtung auf das plattenförmige Kunststoffbauteil 9 gedrückt. Dies erfolgt unter Aufschmelzung des Metall-Hilfsfügeelementes 15 an der Kontaktfläche zum erhitzten Metallbauteil 7, wodurch das aufgeschmolzene Material des Metall-Hilfsfügeelementes 15 stoffschlüssig an das Metallbauteil 7 angebunden wird und teilweise in den Fügespalt f gedrängt wird.
In der 7 ist eine alternative Prozessabfolge angedeutet. Demzufolge wird in einem Kunststoff-Spritzgießprozess das Kunststoffbauteil 9 mitsamt KanalProfilwänden 13 und Längsnuten 17 hergestellt. Davon unabhängig wird ein Hilfsfügeelement-Vorformling 31 hergestellt. Der Hilfsfügeelement-Vorformling 31 wird in einem Einlegeschritt lose in die Kunstoffbauteil-Nuten 17 eingelegt. Anschließend erfolgt ein Setzschritt S, bei dem das Metallbauteil 7 unter Zwischenlage des Hilfsfügeelement-Vorformlings 31 gegen das Kunststoffbauteil 9 gedrückt. Gleichzeitig erfolgt eine Wärmebeaufschlagung mittels der Heizquelle 29, die beispielsweise auch eine Laserstrahleinrichtung sein kann. Dadurch wird das Metall-Hilfsfügeelement 17 aufgeschmolzen. Das aufgeschmolzene Metall-Hilfsfügeelement 15 wird daher gleichzeitig sowohl mit der Kunststoffbauteil-Nut 17 formschlüssig verbunden als auch mit dem Metallbauteil 7 stoffschlüssig verbunden. Ein weiterer Vorteil gegenüber zum Beispiel Kleben ist die Lösbarkeit der beiden Bauteile durch Wärmeeintrag. Dies kann hinsichtlich Recycling eine große Rolle spielen.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetauscher
5: Kühlmittelkanäle
7: Metallbauteil
9: Kunststoffbauteil
11: Basisabschnitt
13: Kanalprofilwände
15: Metall-Hilfsfügeelement
17: Formschlusskontur bzw. Nut
19: Fügeflächen
21: Werkzeugkavität
23: Spritzgießwerkzeug
25: Teilkavität
27: Schieber
29: Heizquelle
31: Hilfsfügeelement-Vorformling
F: Fügestelle
f: Fügespalt
d: Dichtzone
S: Setzschritt
A1: Formschlussverbindung
A2: Stoffschlussverbindung
R: Rückstellhub

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2014010628 A1 [0004]
DE 102017211296 B4 [0004]
DE 102015004896 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds (1) aus einem Kunststoffbauteil (9) und einem Metallbauteil (7), bei dem in einem Fügeschritt die beiden Bauteile (7, 9) unter Zwischenlage eines Metall-Hilfsfügeelements (15) an einer Fügestelle (F) aneinander gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fügeschritt das Metall-Hilfsfügeelement (15) mittels Formschlussverbindung (A1) an das Kunststoffbauteil (9) angebunden wird und mittels Stoffschlussverbindung (A2) an das Metallbauteil (7) angebunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Formschlussverbindung (A1) das Metall-Hilfsfügeelement (15) unter Wärmeeinwirkung aufgeschmolzen wird, in schmelzflüssiger Form formschlüssig mit einer Formschlusskontur (17) des Kunststoffbauteils (9) verbunden und anschließend ausgehärtet wird, und/oder dass bei der Stoffschlussverbindung (A2) das Metall-Hilfsfügeelement (15) unter Wärmeeinwirkung in schmelzflüssiger Form stoffschlüssig mit dem Metallbauteil (7) verbunden wird, insbesondere gelötet oder geschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil (9) in einem Spritzgießprozess hergestellt wird, bei dem in einem Kunststoff-Spritzgießschritt eine flüssige Kunststoff-Ausgangskomponente in eine Werkzeugkavität (21) eines Spritzgießwerkzeugs (23) eingespritzt wird, und darin ausgehärtet wird, und zwar unter Bildung des Kunststoffbauteils (9) mitsamt Formschlusskontur (17).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzgießprozess einen Metall-Spritzgießschritt aufweist, bei dem unter Druck und Wärme eine flüssige Metall-Ausgangskomponente des Metall-Hilfsfügeelements (17) in eine Teilkavität (25) des Spritzgießwerkzeugs (23) eingespritzt und darin ausgehärtet wird, und zwar unter Bildung der Formschlussverbindung (A1) zwischen dem Metall-Hilfsfügeelement (17) und der Formschlusskontur (17) des Kunststoffbauteils (9).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Prozessabfolge nach der Formschlussverbindung (A1) die Stoffschlussverbindung (A2) zwischen dem Metall-Hilfsfügeelement (15) und dem Metallbauteil (7) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem separaten Prozessschritt ein Hilfsfügeelement-Vorformling (31) bereitgestellt wird, und dass in einem Einlegeschritt der Hilfsfügeelement-Vorformling (31) in lose Anlage mit der Formschlusskontur (17) des Kunststoffbauteils (9) gebracht wird, und dass in dem Fügeschritt sowohl die Formschlussverbindung (A1) als auch die Stoffschlussverbindung (A2) gleichzeitig erfolgen, so dass unter Wärmeeinwirkung auf die Fügestelle (F) das aufgeschmolzene Metall-Hilfsfügeelement (15) sowohl formschlüssig mit der Kunststoffbauteil-Formschlusskontor (17) als auch stoffschlüssig mit dem Metallbauteil (7) verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilverbund ein Wärmetauscher (1) ist, bei dem die beiden Bauteile (7, 9) als großflächige Platten aneinander gefügt werden, die zumindest einen kühlmitteldurchströmten Wärmetauscher-Kanal (5) begrenzen, und dass insbesondere in einer Kanal-Querrichtung (y) beidseitig des Wärmetauscher-Kanals (3) jeweils eine Fügestelle (F) angeordnet ist, und/oder dass sich insbesondere die Fügestelle (F) in der Kanal-Längsrichtung (x) durchgängig und unterbrechungsfrei erstreckt, so dass das Metall-Hilfsfügeelement (15) als Kühlmittel-Dichtung wirkt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffbauteil-Formschlusskontur (17) eine in der Kanal-Längsrichtung (x) verlaufende Nut ist, in der das Metall-Hilfsfügeelement (15) im Zusammenbauzustand in Formschlussverbindung (A1) mit dem Kunststoffbauteil (9) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kanal-Querrichtung (y) beidseitig der Nut (17) jeweils eine Fügefläche (19) anschließt, die im Zusammenbauzustand planparallel mit einer zugewandten Metallbauteil-Fügefläche ausgerichtet ist, und zwar unter Zwischenordnung eines Fügespalts (f), und dass insbesondere das im Fügeprozess aufgeschmolzene Material des Metall-Hilfsfügeelements (15) den Fügespalt (f) zumindest teilweise auffüllt, und zwar unter Bildung einer Dichtzone (d). und/oder dass das plattenförmige Metallbauteil (7) komplett ebenflächig ausgebildet ist, und dass insbesondere das plattenförmige Kunststoffbauteil (9) einen ebenflächigen Basisabschnitt (11) aufweist, in dem zumindest eine schalenförmige Kanalprofilwand (13) eingeformt ist.
Bauteilverbund (1), hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.