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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtungsanordnung für ein Bauteil, insbesondere ein Mg-Bauteil (Magnesium-Bauteil), in beispielhafter Ausführung für ein Fahrzeug, wobei die Beschichtungsanordnung aus mindestens drei Schichten ausgebildet ist, wobei eine erste Schicht eine Konversionsschicht ist, eine zweite Schicht eine kathodische Tauchlackierung (KTL-Schicht) ist und eine dritte Schicht eine Pulverlackschicht ist, wobei auf die Schichten mit einer mechanischen Fügetechnik gefügt werden kann. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung jeweils ein Verfahren zur Herstellung und Strukturintegration einer Beschichtungsanordnung für ein Mg-Bauteil.
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Aktuell wird zunehmend auch auf alternative Antriebe (Elektrifizierung) und effektiven Leichtbau gesetzt.
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Die im Stand der Technik bekannten Fahrzeugkarosserien weisen einen hohen Stahlanteil auf. Um das Gewicht zu verringern, werden Mg-Bauteile eingesetzt. Bei Mg-Bauteilen werden üblicherweise aufgrund von Korrosionsaspekten die Bauteile vor dem Verbau mit einer Beschichtungsanordnung aus Konversionsschicht, kathodischer Tauchlackierung (KTL) und Pulverlackschicht versehen.
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Übliche Pulverlackschichten bestehen entweder aus Polyethylenstyrol (PES) oder Epoxidharzen (Epoxy) mit einer Glasübergangstemperatur von ca. 75°C bis 115°C. Eine niedrige Glasübergangstemperatur führt zu einer sehr weichen, verformungsfähigen Beschichtung, während eine hohe Glasübergangstemperatur zu harten und spröden Schichten führt.
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Die Mg-Bauteile werden nach der Beschichtung mit anderen Bauteilen, in einer beispielhaften Ausführung einem Karosseriebauteil, zusammengefügt. Der Einsatz von Mg-Bauteilen ohne Beschichtungsanordnung ist aufgrund von galvanischer Korrosion des Mg-Bauteils im Bereich der Fügestelle des Mg-Bauteils und den Fügepartnern unter Salzbelastung nicht möglich. Die bisher bekannten beschichteten Mg-Bauteile können mittels einer mechanischen Verbindungstechnik beispielsweise in die Karosserie integriert werden. In der Folge kann die Beschichtung jedoch beschädigt werden und aufgrund der elektrochemischen Potentialunterschiede zwischen dem einzubindenden Mg-Bauteil und dem Fügepartner sowie dem Fügeelement, üblicherweise aus Stahl, kann unter Anwesenheit von Elektrolyten, z.B. Wasser, Korrosion an dem Mg-Bauteil entstehen.
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Werden Mg-Bauteile mit einer Beschichtungsanordnung nach dem Stand der Technik beschichtet und anschließend mittels mechanischer Fügetechnik gefügt, kann es unter bestimmten Umständen unter mechanischer Dauer- und Temperaturbeanspruchung des Mg-Bauteils zu Problemen mit dem Setzverhalten der mechanischen Fügetechnik kommen. Dies kann zu einem Abfall der Vorspannkraft führen, was eine Schwächung der Eigenschaften des mechanischen Verbunds über Fahrzeuglebensdauer zur Folge haben kann.
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Die im Stand der Technik bekannte Strukturintegration von Mg-Bauteilen in eine Karosseriestruktur ist für die Verwendung im Nassbereich hinsichtlich der Anforderungen bezüglich des Korrosionsschutzes und der mechanischen Eigenschaften des gefügten Mg-Bauteils noch verbesserbar.
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So ist im Stand der Technik aus dem Dokument
DE 10 2012 109 517 A1 ein Kraftfahrzeugrohbau und Verfahren zum Herstellen desselben bekannt. Das Verfahren dient zum unlösbaren Verbinden eines Aluminiumbauteils mit einem Magnesiumbauteil mittels einer Klebeverbindung in Kombination mit einer Nietverbindung, wobei eine Oberfläche des Magnesiumbauteils zunächst mit Epoxidharz einzelteilbeschichtet wird und im Anschluss an das unlösbare Verbinden eine kathodische Tauchlackierung ausgeführt und zwischen dem Magnesiumbauteil und dem Aluminiumbauteil eine Nahtabdichtung in Form eines PVC-Werkstoffs aufgetragen wird.
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Aus dem Dokument
DE 19 744 312 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Fügepartnern aus einem Magnesiumwerkstoff bekannt. Das Verfahren dient zum Verbinden eines Magnesiumbauteils mit einem Fahrzeugbauteil mittels einer Niet-Klebe-Verbindung, wobei das Magnesiumbauteil mittels Anodisierbädern vorbehandelt wird.
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Aus dem Dokument
DE 19 800 035 A1 ist ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Fügepartnern im Fahrzeug-Karosseriebau bekannt. Das Verfahren dient zum Verbinden eines Kunststoffbauteils mit einem Magnesiumbauteil mittels einer Niet-Klebe-Verbindung, wobei als Kleber ein Epoxidkleber verwendet wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mg-Bauteil sowie ein Verfahren zur Strukturintegration von Mg-Bauteilen in eine Struktur, insbesondere Karosseriestruktur bereitzustellen, die auch im Nassbereich einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Beschichtungsanordnung gemäß dem Anspruch 1 sowie durch ein Mg-Bauteil nach Anspruch 6, ein Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 8 und ein Verfahren zu Strukturintegration nach Anspruch 9 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind Teil der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Beschichtungsanordnung für ein Bauteil, insbesondere ein Mg-Bauteil wobei die Beschichtungsanordnung aus mindestens drei Schichten ausgebildet ist, wobei eine erste Schicht eine Konversionsschicht ist, eine zweite Schicht eine kathodische Tauchlackierung (KTL-Schicht) ist und eine dritte Schicht eine Pulverlackschicht ist. Die beschichteten Bauteile können mit einer mechanischen Fügetechnik gefügt werden. In beispielhafter Ausführung ist das Mg-Bauteil zur Verwendung in einem Fahrzeug vorgesehen. Mg-Bauteile werden in der Regel aufgrund von Korrosionsaspekten mit dem voranstehend beschriebenen Dreischichtaufbau aus Konversionsschicht, KTL-Schicht und Pulverlackschicht versehen.
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Erfindungsgemäß ist die Pulverlackschicht aus einem hybriden Material ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass die Pulverlackschicht nicht zu hart und nicht zu weich ausgebildet ist. Hart bedeutet dabei eine hohe Schichtsteifigkeit, eine geringe Elastizität sowie eine geringe plastische Fließfähigkeit des Materials, wobei diese während des Fügeprozesses zu Rissen oder Abplatzungen führen. Weich bedeutet dabei eine geringe Schichtsteifigkeit, eine hohe Elastizität sowie eine hohe plastische Fließfähigkeit, wobei diese zu einer Herabsetzung der Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Beschädigung bei einem Fügevorgang bzw. später im Betrieb führen. Zudem wäre bei einer zu weichen Pulverbeschichtung das Setzverhalten der Vorspannkraft zu groß. Durch die Verwendung eines hybriden Material für die Pulverlackschicht wird somit eine bruchfeste und dennoch flexible Ausgestaltung der Pulverlackschicht erzielt.
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In einer alternativen Ausgestaltung, für den Fall eines Verbaus der gefügten Mg-Bauteile in einer gering belasteten korrosiven Umgebung, umfasst die Beschichtungsanordnung zwei Schichten, eine Konversionsschicht und eine Pulverlackschicht. Die Pulverlackschicht aus dem hybriden Material bietet den Vorteil, dass die Beschichtungsanordnung optimal gegen Korrosion im geringer korrosiv belasteten Nassbereich geschützt ist, wodurch auf die Aufbringung einer KTL-Schicht verzichtet werden kann. Durch die Verwendung einer Pulverlackschicht mit optimierten Eigenschaften bzgl. Schichtsteifigkeit, Elastizität, plastischer Verformbarkeit und Setzverhalten wird der mit mechanischer Fügetechnik erzeugte Verbundverbessert. Insbesondere wird der Korrosionsschutz des Mg-Bauteils, welches mit der erfindungsgemäßen Beschichtungsanordnung beschichtet ist, verbessert.
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In Ausgestaltung ist das hybride Material eine Basis aus einem Polyester (PES) und einem Epoxidharz. Die Mischung eines Polyesters (PES) und des Epoxidharzes bildet für den Korrosionsschutz eine optimale Materialeigenschaft aus. Der zusammengefügte Verbund mit der Beschichtungsanordnung umfassend die Pulverlackschicht aus der Polyester-/Epoxidharzbasis weist gegenüber einer herkömmlichen Pulverlackschicht mit Glasübergangstemperaturen von <50°C ein geringeres Setzverhalten unter Dauerbetriebs- und Temperaturbelastung auf.
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In weiterer Ausgestaltung weist die hybride PES-/Epoxidharzbasis eine Glasübergangstemperatur zwischen 50°C und 73°C auf. Durch diesen Glasübergangstemperaturbereich besteht eine geringere Beschädigungsgefahr während des Fügeprozesses bzw. im Fahrzeugbetrieb im Vergleich zu Pulverschichten auf alleiniger Basis von Polyethylenstyrol oder Epoxidharz mit Glasübergangstemperaturen <50°C bzw. >75°C. In der Regel ist eine herkömmliche Pulverlackschicht bei einer Glasübergangstemperatur von <50°C zu fließfähig (Wulstbildung) und neigt zu Beschädigungen, welche zu Korrosion führen. Bei Glasübergangstemperaturen von >75° ist eine herkömmliche Pulverlackschicht zu hart und spröde, was sich in einer starken Rissigkeit und Schichtablösung bei verformender mechanischer Fügetechnik äußert. Durch das hybride Material der Pulverlackschicht ist somit eine Glasübergangstemperatur zwischen 50° C und 73°C erzielbar und es ist eine Pulverlackschicht ausbildbar, die weder zu hart und spröde ist, noch zu weich und fließfähig. Dies führt in der Folge zu einer guten Korrosionsbeständigkeit bei guter Betriebsfestigkeit.
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In Ausgestaltung beträgt die Pulverlackschicht eine Schichtdicke zwischen 50 µm bis 150 µm. Eine derartige Schichtdicke bietet eine optimale Schichtstärke der Pulverlackschicht, um zum einen eine ausreichende Barrierewirkung gegenüber mechanischen Beschädigungen und zum anderen keine Eigenspannungen aufzuweisen. Somit wird zudem ein überflüssiger Materialeinsatz vermieden und optimale mechanische Schichteigenschaften generiert.
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In einer Weiterbildung ist das beschichtete Mg-Bauteil in einem Fügeverfahren mit einem Fügepartner zusammenfügbar. Der Beschichtungsaufbau, bestehend aus Konversionsschicht, kathodische Tauchlackierung und die erfindungsgemäße Pulverlackschicht weist eine geringere Korrosionsneigung aufgrund einer geringeren Schichtschädigungsneigung während des Fügevorgangs bzw. während des laufenden Betriebes auf. Durch den optimierten Härtegrad der Pulverlackschicht tritt keine oder eine deutlich geringere Rissigkeit auf. Dadurch bleibt ein Abplatzen der Pulverlackschicht von dem beschichteten Bauteil aus. Die erfindungsgemäße Pulverlackschicht ist zudem eingerichtet, eine plastische Verformung rissfrei einzugehen. Dies beugt einer Wulstbildung vor, die zu Abplatzungen führen kann.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Bauteil, insbesondere Mg-Bauteil, umfassend eine Beschichtungsanordnung nach einem der voranstehend beschriebenen Merkmale. Erfindungsgemäß ist das Bauteil eingerichtet, an ein Bauteil, insbesondere eines Fahrzeuges, anfügbar zu sein. Das erfindungsgemäße Bauteil mit der erfindungsgemäßen Beschichtungsanordnung ist optimal gegen Korrosion geschützt und kann im Nassbereich eingesetzt werden, ohne zu korrodieren. Das erfindungsgemäße Bauteil ist eingerichtet, mit einem weiteren Bauteil oder einem Anbauteil zusammenfügbar zu sein. In beispielhafter Ausführung ist das Bauteil eingerichtet, an eine Karosseriestruktur eines Fahrzeuges anbringbar zu sein.
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In Ausgestaltung umfasst das Bauteil einen Fügebereich zur Zusammenfügung mit einem weiteren Bauteil oder einem Anbauteil einer Karosserie, wobei der Fügebereich zur Aufnahme eines Klebstoffs eingerichtet ist. Der Fügebereich ist eingerichtet, einen Klebstoff und/oder eine Nietverbindung aufzunehmen. Die Einbindung des erfindungsgemäßen beschichteten Mg-Bauteils in eine Karosseriestruktur eines Fahrzeuges erfolgt vorzugsweise mittels Nietverbindungen zu weiteren unbeschichteten Karosserie- bzw. Anbaugruppenteilen. Dabei ist der Fügebereich eingerichtet, eine Naht aus aushärtbarem Flüssigklebstoff aufzunehmen, der auf die Beschichtungsanordnung appliziert wird. In der Regel sind die Fügebereiche Nietbereiche, insbesondere Stanznietbereiche, in denen eine Beschädigung der Oberflächenbeschichtung durch den Nietprozess stattfindet und die nach dem Zusammenfügen in einer vorteilhaften Ausführung durch eine aushärtbare PVC-Dichtraupe abdichtbar sind.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Mg-Bauteils mit einer Beschichtungsanordnung nach einem der voranstehend beschriebenen Merkmale.
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Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt das Mg-Bauteil mit der ersten und der zweiten Schicht der Beschichtungsanordnung beschichtet. In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird in einem ersten Schritt das Mg-Bauteil mit der ersten Schicht beschichtet. Die erste Schicht ist dabei eine Konversionsschicht und die zweite Schicht ist eine kathodische Tauchlackierung (KTL-Schicht).
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In einem weiteren Schritt wird das Mg-Bauteil mit der dritten Schicht der Beschichtungsanordnung mit dem hybriden Material beschichtet. Die dritte Schicht der Beschichtungsanordnung ist die voranstehend beschriebene erfindungsgemäße Beschichtungsanordnung umfassend eine Pulverlackschicht aus einem hybriden Material, wobei das hybride Material eine Basis aus einem Polyester (PES) und einem Epoxidharz ist. Somit wird die erfindungsgemäße Beschichtungsanordnung vor einem Fügeprozess entweder auf das Mg-Bauteil oder auf den Fügepartner aufgetragen.
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Eine Glasübergangstemperatur von über 73°C kann zum Abplatzen bzw. zur Erzeugung von Rissigkeiten der Pulverlackschicht während des Fügevorgangs führen. Abplatzungen bzw. Rissigkeiten in der Pulverbeschichtung während des Fügevorgangs resultieren stets in einer Korrosionsproblematik. Wenn ein Riss in der Beschichtungsanordnung entsteht, erstreckt sich dieser in der Regel bis auf das metallische Bauteil, d. h. die KTL-Schicht reißt mit ein, sodass Feuchtigkeit an das Mg-Bauteil gelangt.
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Eine geringere Glasübergangstemperatur, geringer als 50°C, würde zu einem Verlust der Vorspannkraft führen, was zu einem Fließen der Pulverlackschicht unter dem FDS-Schraubenkopf bzw. Nietkopf führt. Die Pulverbeschichtung wäre zu weich. Dadurch wäre die Beschichtungsanordnung sehr leicht abreibbar bzw. beschädigbar, insbesondere während des Fügeprozesses oder während eines aktiven Betriebes oder, beispielsweise bei einem Steinschlag während einer Fahrt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Mg-Bauteils mit einer Beschichtungsanordnung nach einem der voranstehend beschriebenen Merkmale ermöglicht die Herstellung eines vor Korrosion geschützten Mg-Bauteils.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Integrierung eines Mg-Bauteils mit einer Beschichtungsanordnung nach einem der voranstehend beschriebenen Merkmale insbesondere in eine Karosseriestruktur.
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Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt das Mg-Bauteil mit der Beschichtungsanordnung hergestellt. In einem weiteren Schritt wird ein Klebstoff entweder auf dem Mg-Bauteil oder auf dem Fügepartner aufgetragen. Der Klebstoff ist in der Regel ein aushärtbarer Flüssigklebstoff, der auf die Beschichtungsanordnung appliziert wird. Die Einbindung des beschichteten Mg-Bauteils in eine Karosseriestruktur erfolgt typischerweise mit Nietverbindungen in den Anbindebereichen zu weiteren optional unbeschichtete Karosserie- bzw. Baugruppenteilen.
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In einem weiteren Schritt wird das Mg-Bauteil mit dem Fügepartner mit dazwischenliegendem Klebstoff zusammengebracht. Das Mg-Bauteil mit der Beschichtungsanordnung kann somit mit einem Anbauteil einer Karosseriestruktur in Anlage gebracht werden.
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In einem weiteren Schritt wird das Mg-Bauteil mit dem Fügepartner mittels mechanischer Fügetechnik zusammengefügt. Das Zusammenfügen ist in der Regel ein Nieten oder FDS-Verschrauben.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird in einem weiteren Schritt die Fügestelle zwischen Mg-Bauteil und Fügepartner mittels aushärtbaren Dichtmassen abgedichtet. Die Nietbereiche, in der Regel Stanznietbereiche, in denen eine Beschädigung der Oberflächenbeschichtung durch den Nietprozess stattgefunden hat, werden nach dem Verbinden durch eine aushärtbare PVC-Dichtraupe abgedichtet.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 einen schematischen Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungsanordnung,
- 2 einen schematischen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Strukturintegrierung eines Mg-Bauteils mit einer - in 1 gezeigten - erfindungsgemäßen Beschichtungsanordnung in eine Karosseriestruktur.
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente dieselben Bezugsziffern auf.
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In der 1 ist ein schematischer Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungsanordnung 10 dargestellt. Gezeigt ist ein Mg-Bauteil 14, auf das eine Beschichtungsanordnung 10, umfassend drei Schichten 11, 12, 13, aufgebracht ist. Die erste Schicht 11 ist dabei eine Konversionsschicht, die zweite Schicht 12 ist eine kathodische Tauchlackierung (KTL-Schicht) und die dritte Schicht 13 ist eine Pulverlackschicht 13. Die Pulverlackschicht 13 ist erfindungsgemäß aus einem hybriden Material bestehend aus einer Polyester(PES)-/Epoxidharzbasis ausgebildet. Die Pulverlackschicht 13 weist eine Glasübergangstemperatur zwischen 50°C bis 73°C auf. Durch die basierend auf der hybriden Ausgestaltung der Pulverlackschicht 13 herrührenden Glasübergangstemperatur ist die Pulverlackschicht 13 mit optimierten Eigenschaften bezüglich Steifigkeit, Elastizität und Fließfähigkeit ausgebildet.
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In der 1 ist zudem der Aufbau eines erfindungsgemäßen Mg-Bauteils 14 mit der erfindungsgemäßen Beschichtungsanordnung 10 dargestellt. Das erfindungsgemäße Mg-Bauteil 14 umfasst die voranstehend beschriebene Beschichtungsanordnung 10 umfassend die erste Schicht 11, die zweite Schicht 12 und die dritte Schicht 13, wobei die dritte Schicht 13 aus einem hybriden Material basierend auf einer Polyester (PES)-/Epoxidharzbasis ausgebildet ist. Das in der 1 beschriebene Mg-Bauteil 14 kann für einen Nassbereich eines Fahrzeuges verwendet werden.
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In der 1 ist zudem das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Mg-Bauteils 14 mit der erfindungsgemäßen Beschichtungsanordnung 10 dargestellt.
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In der 2 ist ein schematischer Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Integrierung des - in der 1 gezeigten - Mg-Bauteils 14 mit der erfindungsgemäßen Beschichtungsanordnung 10 in eine übergeordnete Struktur dargestellt.
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In einem ersten Schritt wird das Mg-Bauteil 14 mit der erfindungsgemäßen Beschichtungsanordnung 10 beschichtet. In einem weiteren Schritt wird ein Klebstoff 15, in der Regel ein aushärtbarer Flüssigklebstoff, entweder auf das beschichtete Mg-Bauteil 14 oder den Fügepartner 16 aufgetragen/appliziert. Insbesondere wird der Klebstoff 15 im Fügebereich, in denen Nietpunkte angedacht sind, aufgebracht.
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In einem weiteren Schritt wird das Mg-Bauteil 14 mit dem Fügepartner 16 mit dazwischenliegendem Klebstoff, zusammengebracht. Dabei werden das Mg-Bauteil und der Fügepartner 16 derart in Anlage gebracht, dass diese zusammenfügbar sind.
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In einem weiteren Schritt wird das Mg-Bauteil 14 mit dem Fügepartner 16 oder dem weiteren Bauteil zusammengefügt. Das Zusammenfügen ist dabei ein Nieten, insbesondere Stanznieten. Alternativ kann das Zusammenfügen ein Verschrauben sein.
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In beispielhafter Ausführung erfolgt die Einbindung des Mg-Bauteils 14 mit der Beschichtungsanordnung 10 in eine Karosseriestruktur eines Fahrzeuges. Dabei erfolgt die Einbindung in den Anbindebereichen/Fügebereichen zu weiteren unbeschichteten Karosserie- bzw. Anbau-/Baugruppenteilen mit Nietverbindungen. Die Fügebereiche sind in der Regel Nietbereiche, insbesondere Stanznietbereiche. Die Fügebereiche werden nach dem Zusammenfügen des Mg-Bauteils 14 mit dem Anbauteil 16 in vorteilhafter Ausführung durch eine aushärtbare PVC-Dichtraupe abgedichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Beschichtungsanordnung
- 11
- erste Schicht
- 12
- zweite Schicht
- 13
- dritte Schicht
- 14
- Mg-Bauteil
- 15
- Flüssigklebstoff
- 16
- Fügepartner/Anbauteil oder weiteres Bauteil
- 17
- Nietverbindung
- 18
- Nahtabdichtung, PVC
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012109517 A1 [0008]
- DE 19744312 A1 [0009]
- DE 19800035 A1 [0010]
