DE102020121354A1 - Method for manufacturing a composite component and introducing a predetermined breaking point in the composite component and a composite component - Google Patents

Method for manufacturing a composite component and introducing a predetermined breaking point in the composite component and a composite component Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines Verbundbauteils und Einbringen einer Sollbruchstelle in das Verbundbauteil, wobei das gefertigte Verbundbauteil ein erstes Bauteil mit einem ersten Material und ein zweites Bauteil mit einem zweiten Material aufweist, und das erste Material und das zweite Material unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen, mit folgenden Schritten:- Einbringen und/oder Aufbringen einer Struktur in und/oder auf das erste Material mittels eines Lasers durch Einwirken in und/auf das erste Material derart, dass auf einer ersten Seite der Struktur eine erste Hinterschneidung mit einer Sperrung ausgebildet ist und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite der Struktur frei von einer Hinterschneidung ist oder eine zweite Hinterschneidung aufweist, wobei die zweite Hinterschneidung eine geringere Sperrung als die erste Hinterschneidung aufweist, und- Verbinden des ersten Materials und des zweiten Materials und Umgeben und/oder Ausfüllen der Struktur durch das zweite Material unter einer Wärmeeinwirkung,sodass das gefertigte Verbundbauteil mit einer Sollbruchstelle bei Einwirken einer gerichteten Kraft in einer Richtung abweichend der Sperrung der ersten Hinterschneidung vorliegt.Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verbundbauteil aufweisend zwei verschiedene Materialien.The invention relates to a method for manufacturing a composite component and introducing a predetermined breaking point in the composite component, wherein the manufactured composite component has a first component made of a first material and a second component made of a second material, and the first material and the second material have different material properties. with the following steps:- introducing and/or applying a structure in and/or on the first material by means of a laser by acting in and/on the first material in such a way that a first undercut with a blockage is formed on a first side of the structure and a second side of the structure opposite the first side is free of an undercut or has a second undercut, the second undercut having a lower blockage than the first undercut, and- joining the first material and the second material and surrounding and/or filling d he structure through the second material under the influence of heat, so that the manufactured composite component is present with a predetermined breaking point when a directed force acts in a direction deviating from the blocking of the first undercut. The invention also relates to a composite component having two different materials.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines Verbundbauteils und Einbringen einer Sollbruchstelle in das Verbundbauteil, wobei das gefertigte Verbundbauteil ein erstes Bauteil mit einem ersten Material und ein zweites Bauteil mit einem zweiten Material aufweist, und das erste Material und das zweite Material unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verbundbauteil aufweisend zwei verschiedene Materialien.The invention relates to a method for manufacturing a composite component and introducing a predetermined breaking point in the composite component, wherein the manufactured composite component has a first component with a first material and a second component with a second material, and the first material and the second material have different material properties. Furthermore, the invention relates to a composite component having two different materials.

Verbundbauteile werden üblicherweise im Leichtbau eingesetzt. Zum Fertigen eines Verbundbauteils wird beispielsweise ein Metallbauteil oder ein Keramikbauteil mit einem Kunststoffbauteil verbunden. Die Verbindung zwischen diesen beiden Verbindungspartnern wird beispielsweise stoffschlüssig durch Verkleben oder form- und kraftschlüssig durch Verschrauben realisiert. Im Falle eines Schlittens mit Plastiksitz und Metallkufen besteht die Gefahr, dass ungewollt bei Belastung die Schraubverbindung aus dem Plastiksitz herausbricht. Auch kann es im Falle einer Verklebung zum ungewollten Brechen der flächigen Verklebeverbindung zwischen den Kufen und der Unterseite des Kunststoffsitzes kommen. Zudem sind die mechanischen Eigenschaften der Klebung häufig temperaturabhängig und der Klebstoff weist nur eine eingeschränkte thermische und/oder chemische Beständigkeit auf.Composite components are usually used in lightweight construction. To produce a composite component, for example, a metal component or a ceramic component is connected to a plastic component. The connection between these two connection partners is realized, for example, materially by gluing or positively and non-positively by screwing. In the case of a slide with a plastic seat and metal runners, there is a risk that the screw connection will break out of the plastic seat unintentionally under load. In the event of an adhesive bond, the flat bonded connection between the runners and the underside of the plastic seat can also break unintentionally. In addition, the mechanical properties of the bond are often temperature-dependent and the adhesive only has limited thermal and/or chemical resistance.

Kleben als Fügeverfahren als auch Verschrauben haben beide den Nachteil, dass ein zusätzliches Verbindungsmittel (Klebstoff, Schrauben und Muttern) und Werkzeug sowie eine aufwändige Vorbereitung der zu verbindenden Oberflächen und gegebenenfalls eine Aushärtezeit eingehalten werden muss.Gluing as a joining method and screwing both have the disadvantage that an additional connection means (adhesive, screws and nuts) and tools as well as a complex preparation of the surfaces to be connected and, if necessary, a curing time must be observed.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.The object of the invention is to improve the prior art.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Fertigen eines Verbundbauteils und Einbringen einer Sollbruchstelle in das Verbundbauteil mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 beschrieben. Des Weiteren wird die Aufgabe gelöst durch ein Verbundbauteil aufweisend zwei verschiedene Materialien gemäß Anspruch 10.The object is achieved by a method for manufacturing a composite component and introducing a predetermined breaking point in the composite component with the features according to claim 1. Further advantageous embodiments of the method are described in dependent claims 2 to 9. Furthermore, the object is achieved by a composite component having two different materials according to claim 10.

Somit wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem durch gezieltes, richtungsorientiertes Einbringen und/oder Aufbringen einer Struktur in die Oberfläche eines ersten Bauteils, insbesondere eines festen Materials, wie Metall oder Keramik, eine gezielte Sperrung in die Verbindung des ersten Bauteiles mit einem zweiten Bauteil, insbesondere aus Kunststoff und/oder einem Thermoplast, eingebracht. Hierbei erfolgt das Verbinden des ersten Bauteils und/oder ersten Materials und des zweiten Bauteils und/oder zweiten Materials durch Umgeben und/oder Ausfüllen der ein- und/oder aufgebrachten Struktur durch das zweite Material.Thus, a method is provided in which a targeted, direction-oriented introduction and / or application of a structure in the surface of a first component, in particular a solid material such as metal or ceramic, a targeted blocking in the connection of the first component with a second component, in particular made of plastic and/or a thermoplastic. In this case, the first component and/or first material and the second component and/or second material are connected by surrounding and/or filling the integrated and/or applied structure with the second material.

Dadurch, dass eine erste Hinterschneidung und/oder eine zweite Hinterschneidung der Struktur von dem zweiten Material, insbesondere einem Thermoplast, ausgefüllt und/oder umgeben wird, wird zeitgleich eine gezielte, richtungsorientierte Sperrung durch die erste Hinterschneidung ausgebildet. Hierbei fließt unter Wärmeeinwirkung der Thermoplast beispielsweise in eine Vertiefung und somit Hinterschneidung und/oder umgibt eine Erhebung der Struktur des ersten Materials.Because a first undercut and/or a second undercut of the structure is filled in and/or surrounded by the second material, in particular a thermoplastic, a targeted, direction-oriented blockage is formed by the first undercut at the same time. In this case, under the effect of heat, the thermoplastic flows, for example, into a depression and thus an undercut and/or surrounds an elevation of the structure of the first material.

Dadurch, dass die erste Hinterschneidung nur gezielt an einer Seite der Struktur unter Einwirkung des Lasers ein- und/oder aufgebracht wird, wird gleichzeitig auf der gegenüberliegenden Seite der Struktur mit Verbinden der beiden Materialien und/oder Bauteile eine Sollbruchstelle ausgebildet, welche bei Einwirken einer gerichteten, insbesondere eindimensionalen linearen, Kraft in einer Richtung abweichend der Richtung der Sperrung der ersten Hinterschneidung brechbar ist.Due to the fact that the first undercut is only deliberately applied and/or applied to one side of the structure under the action of the laser, a predetermined breaking point is simultaneously formed on the opposite side of the structure when the two materials and/or components are connected, which breakage point occurs when a directed, in particular one-dimensional linear force in a direction deviating from the direction of blocking the first undercut can be broken.

Somit wird eine Sollbruchstelle oder werden mehrere Sollbruchstellen geschaffen, welche richtungsorientiert nur in dem Fall brechen, in dem eine definierte, vorgegebene und richtungsabhängige Krafteinwirkung auf das Verbundbauteil und/oder einen Gegenstand, in dem das Verbundbauteil eingesetzt wird, erfolgt, insbesondere nur im Falle von Gefahr und/oder Notfall.Thus, a predetermined breaking point or several predetermined breaking points are created, which break in a direction-oriented manner only in the case in which a defined, predetermined and direction-dependent force is applied to the composite component and/or an object in which the composite component is used, in particular only in the case of danger and/or emergency.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass in einem festen ersten Material und/oder Bauteil mittels eines Lasers eine Struktur eingebracht wird, welche auf gegenüberliegenden Seiten unterschiedlich ausgebildet ist und mindestens eine Hinterschneidung aufweist, sodass dadurch eine Richtungsorientierung eingebracht wird, und unter Wärmeeinwirkung auf ein zweites, insbesondere thermoplastisches, Material anschließend ein Verbinden des ersten und zweiten Materials erfolgt, wobei die Struktur vom zweiten Material und somit die Hinterschneidung ausgefüllt und/oder umgeben wird, wodurch ein Formschluss aufgrund einer Sperrung durch die erste Hinterschneidung bewirkt wird, sodass bei Krafteinwirkung in einer anderen Richtung als die Sperrrichtung eine gezielte, richtungsorientierte Sollbruchstelle vorliegt.An essential idea of the invention is based on the fact that a structure is introduced into a solid first material and/or component by means of a laser, which is designed differently on opposite sides and has at least one undercut, so that a directional orientation is thereby introduced, and under the influence of heat a second, in particular thermoplastic, material, the first and second materials are then joined, with the structure being filled out and/or surrounded by the second material and thus the undercut, as a result of which a form fit is brought about due to a blockage by the first undercut, so that when force is applied there is a targeted, direction-oriented predetermined breaking point in a direction other than the blocking direction.

Dabei kann insbesondere ein Einbringen oder Aufprägen der Struktur durch eine Verwendung von porösen Materialien erfolgen, wie dies beispielsweise beim Sintern erfolgt oder durch 3D-Drucken oder mittels 3D-Druckteile erfolgt. Insbesondere weist ein Material eine höhere Schmelztemperatur als das andere Material auf. So können das erste Material und das zweite Material auch jeweils Kunststoffe mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen sein.In particular, the structure can be introduced or embossed by using porous materials, as is the case for example wise during sintering or by 3D printing or by means of 3D printed parts. In particular, one material has a higher melting point than the other material. The first material and the second material can also each be plastics with different melting temperatures.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere Strukturen und somit Sollbruchstellen auf und/oder in das erste Material ein- und/oder aufgebracht werden, da dadurch ein flächiges richtungsabhängiges Verzahnen des ersten Materials mit dem zweiten Material ermöglicht wird. Hierbei können die mittels des Lasers eingebrachten Strukturen im und/oder auf dem ersten Material gleichmäßig beabstandet sein, um ein Brechen bei entsprechender Krafteinwirkung entlang der gesamten Verbindungsfläche zu ermöglichen. Auch können die Strukturen ungleichmäßig angeordnet werden, sodass in einem Bereich des ersten Materials mit weniger Strukturen bei einer entsprechenden Krafteinwirkung zuerst die Sollbruchstellen brechen und anschließend erst ein Bereich mit einer höheren Dichte der eingebrachten und/oder aufgebrachten Strukturen. Durch ein gezieltes, stufenweises Brechen der Sollbruchstellen im Benutzungsfall kann beispielsweise bei einem Sportgerät, wie einem Schlitten, die Verletzungsgefahr des Benutzers des Schlittens im Notfall gemindert werden.It is particularly advantageous if a plurality of structures and thus predetermined breaking points are incorporated and/or applied to and/or in the first material, since this enables a two-dimensional, direction-dependent interlocking of the first material with the second material. In this case, the structures introduced by means of the laser in and/or on the first material can be spaced evenly apart in order to enable breaking along the entire connection surface when a corresponding force is applied. The structures can also be arranged unevenly, so that in a region of the first material with fewer structures, the predetermined breaking points break first when a corresponding force is applied, and only then does a region with a higher density of the introduced and/or applied structures break. A targeted, gradual breaking of the predetermined breaking points during use can reduce the risk of injury to the user of the sled in an emergency, for example in the case of sports equipment such as a sled.

Ein richtungsabhängiges Verzahnen des ersten Materials und/oder Bauteils und des zweiten Materials und/oder Bauteils wird insbesondere dadurch erzielt, dass der Laser zum Laserschneiden schräg auf die Oberfläche des ersten Materials auftrifft und dadurch eine Vertiefung und Hinterschneidung und/oder durch Aufwerfen des ersten Materials an der Auftreffstelle, sogenannter Vulkanauswurf, eine Erhebung erzeugt.Direction-dependent interlocking of the first material and/or component and the second material and/or component is achieved in particular in that the laser for laser cutting strikes the surface of the first material at an angle, thereby creating a depression and undercut and/or by raising the first material at the point of impact, so-called volcanic ejection, an elevation is generated.

Folglich wird durch ein flächiges, richtungsabhängiges Verzahnen sowie durch Verbinden der beiden Materialien unter Wärmeeinwirkung und Fließen des zweiten Materials und dadurch durch Ausfüllen der Vertiefung und somit der Hinterschneidung der Struktur und/oder Umgeben einer Erhebung und somit Hinterschneidung der Struktur eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung geschaffen.Consequently, a surface, direction-dependent interlocking and connecting the two materials under the action of heat and the flow of the second material and thereby filling the depression and thus the undercut of the structure and/or surrounding an elevation and thus the undercut of the structure result in a form-fitting and/or material-to-material connection connection created.

Es ist besonders vorteilhaft, dass eine Mikrostrukturierung und somit Mikroverzahnung zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material erzeugt wird, wobei die Strukturtiefe und/oder -höhe insbesondere in einem Bereich von 50 µm bis 500 µm liegt. Somit wird sichergestellt, dass nur die äußere Oberfläche des ersten Materials mittels des Lasers bearbeitet wird und die Einwirkung des Lasers nicht zu ungewollten Rissen und/oder Bruchstellen innerhalb des ersten Materials führen kann.It is particularly advantageous that microstructuring and thus microinterlocking is produced between the first material and the second material, with the depth and/or height of the structure being in particular in a range from 50 μm to 500 μm. This ensures that only the outer surface of the first material is processed using the laser and the action of the laser cannot lead to unwanted cracks and/or fractures within the first material.

Vor dem Verbinden der beiden Materialien kann das zweite Material bereits zu dem zweiten Bauteil vollständig ausgeformt sein, und durch das Erwärmen beim Verbinden lediglich gezielt an der Verbindungsfläche erwärmt und angeschmolzen werden, sodass dieses in die Vertiefung und Hinterschneidung der Struktur und/oder um die Struktur herum fließt. Ebenso kann das zweite Material erst beim Verbinden mit dem ersten Material zu dem zweiten Bauteil ausgeformt werden. Dies kann beispielsweise durch Gießen oder Spritzgießen erfolgen, indem das erste Material in eine entsprechende Form eingelegt oder das Spritzgussmaterial auf das erste Material aufgespritzt wird. Hierbei erfolgt bevorzugt ein komplettes Erwärmen des zweiten Materials, welches entsprechend zum Gießen oder Spritzgießen verwendet wird.Before the two materials are connected, the second material can already be completely formed into the second component, and the heating during connection can only be used to heat and melt it in a targeted manner at the connection surface, so that it enters the depression and undercut of the structure and/or around the structure flows around. Likewise, the second material can only be formed into the second component when it is connected to the first material. This can be done, for example, by casting or injection molding, in that the first material is placed in a corresponding mold or the injection molding material is sprayed onto the first material. In this case, the second material, which is used accordingly for casting or injection molding, is preferably completely heated.

Ebenso kann die Verbindung des ersten Materials und des zweiten Materials unter Sintern von feinkörnigen keramischen und/oder metallischen Stoffen als erstes Material unter erhöhtem Druck erfolgen, wobei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des jeweiligen ersten Materials verwendet werden, jedoch das zweite Material als Thermoplast bereits im Verbindungsbereich anschmilzt und entsprechend in und/oder um die Struktur herumfließt.Likewise, the connection of the first material and the second material can take place with sintering of fine-grained ceramic and/or metallic substances as the first material under increased pressure, with temperatures below the melting temperature of the respective first material being used, but the second material as a thermoplastic already in the connection area melts and flows accordingly in and/or around the structure.

Bevorzugt wird das Verbinden des ersten Materials und des zweiten Materials und somit das Umgeben und/oder Ausfüllen der Struktur durch thermisches Fügen durchgeführt. Hierbei wird das laserstrukturierte erste Material insbesondere mit dem zweiten Material, welches lokal erwärmt wird, verpresst, wobei das insbesondere thermoplastische zweite Material in die Strukturierung des ersten Materials eindringt und an dessen Oberfläche haftet.The connection of the first material and the second material and thus the surrounding and/or filling of the structure is preferably carried out by thermal joining. In this case, the laser-structured first material is pressed in particular with the second material, which is locally heated, with the second material, in particular thermoplastic, penetrating into the structuring of the first material and adhering to its surface.

Für das thermische Fügen kann die Wärmeeinwirkung insbesondere mittels induktiver Erwärmung und/oder Lasererwärmung erfolgen. Bei der induktiven Erwärmung kann das zweite Material gezielt erwärmt und in den fließfähigen Zustand gebracht werden, indem eine mit hochfrequentem Wechselstrom durchflossene Spule als Induktor, welcher ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und dadurch im zweiten Material Wirbelströme induziert, beispielsweise im Verpresswerkzeug zum thermischen Fügen und/oder im ersten Material oder Bauteil direkt angeordnet ist. Für die Lasererwärmung wird beispielsweise ein Laser mit ultrakurzen Strahlen verwendet.For thermal joining, the heat can be applied in particular by means of inductive heating and/or laser heating. In the case of inductive heating, the second material can be heated in a targeted manner and brought into the flowable state by using a coil through which high-frequency alternating current flows as an inductor, which generates an alternating magnetic field and thus induces eddy currents in the second material, for example in the pressing tool for thermal joining and/or is arranged directly in the first material or component. For laser heating, for example, an ultra short beam laser is used.

Durch das oben beschriebene Verfahren wird ein Verbundbauteil aufweisen zwei verschiedene Materialien mit einer festen Verbindung gefertigt, bei dem eine Sollbruchstelle oder mehrere Sollbruchstellen richtungsabhängig ausgebildet sind. Es ist besonders vorteilhaft, dass die richtungsabhängige Sollbruchstelle oder die richtungsabhängigen Sollbruchstellen zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material frei von einer Erwärmung bei Einwirken einer gerichteten Kraft bricht oder brechen. Folglich kann das Verbundbauteil gezielt derart ausgestaltet sein, dass ein Brechen der Sollbruchstellen lediglich bei Einwirken aus einer ganz bestimmten Richtung und/oder im Falle eines vorgesehenen, genau definierten Gefahrenfalles erfolgt.Using the method described above, a composite component comprising two different materials is produced with a firm connection taken, in which a predetermined breaking point or multiple predetermined breaking points are formed depending on the direction. It is particularly advantageous that the direction-dependent predetermined breaking point or the direction-dependent predetermined breaking points between the first material and the second material break or break without being heated when a directed force is applied. Consequently, the composite component can be designed in a targeted manner in such a way that the predetermined breaking points break only when the action is taken from a very specific direction and/or in the event of an intended, precisely defined hazard.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

  • 1 eine stark schematische Schnittdarstellung eines Ausschnittes eines Stahlbauteils mit Vertiefungen, und
  • 2 eine stark schematische Schnittdarstellung eines Ausschnittes eines Verbundbauteils mit dem Stahlbauteil aus 1 und einem Polypropylen-Bauteil mit einer ersten Vertiefung.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. Show it
  • 1 a highly schematic sectional view of a section of a steel component with indentations, and
  • 2 a highly schematic sectional view of a section of a composite component with the steel component 1 and a polypropylene component having a first cavity.

Ein Verbundbauteil 101 weist ein Stahlbauteil 103 und ein Polypropylen-Bauteil 105 auf (siehe in 2 ein Ausschnitt des Verbundbauteils 101 mit einer ausgefüllten ersten Vertiefung 107).A composite component 101 has a steel component 103 and a polypropylene component 105 (see in 2 a section of the composite component 101 with a filled first depression 107).

Das Verbundbauteil 101 wird mit folgenden Arbeitsschritten gefertigt:The composite component 101 is manufactured with the following work steps:

In eine Oberfläche des Stahlbauteils 103 wird mittels eines in 1 nicht gezeigten Lasers die erste Vertiefung 107, eine zweite Vertiefung 109, eine dritte Vertiefung 111 und eine vierte Vertiefung 113 durch Laserschneiden eingebracht. Die Vertiefungen 107, 109, 111 und 113 weisen jeweils eine Tiefe von circa 150 µm und eine Breite von circa 100 µm auf. Zum Einschneiden einer linken Seitenwand 121 der jeweiligen Vertiefung 107, 109, 111 und 113 wird der Laserstrahl 119 mit einem Winkel von 50° zur horizontalen Ausrichtung der Oberfläche des Stahlbauteils 103 ausgerichtet, wodurch jeweils eine linke Hinterschneidung 125 innerhalb der jeweiligen Vertiefung 107, 109, 111 und 113 entsteht. Zum Einschneiden der jeweiligen rechten Seitenwand 123 der jeweiligen Vertiefung 107, 109, 111 und 113 wird der Laserstrahl 119 mit einem Winkel von 70° zur horizontalen Oberfläche des Stahlbauteils 103 ausgerichtet.In one surface of the steel component 103, an in 1 Not shown laser introduced the first recess 107, a second recess 109, a third recess 111 and a fourth recess 113 by laser cutting. The depressions 107, 109, 111 and 113 each have a depth of approximately 150 μm and a width of approximately 100 μm. In order to cut a left side wall 121 of the respective depression 107, 109, 111 and 113, the laser beam 119 is aligned at an angle of 50° to the horizontal orientation of the surface of the steel component 103, as a result of which a left undercut 125 is formed within the respective depression 107, 109, 111 and 113 arises. In order to cut into the respective right-hand side wall 123 of the respective depression 107, 109, 111 and 113, the laser beam 119 is aligned at an angle of 70° to the horizontal surface of the steel component 103.

Bei der dritten Vertiefung 111 und der vierten Vertiefung 113 wird an der jeweiligen linken Seitenwand 121 das Schneiden mittels des Laserstrahls 119 zusätzlich derart durchgeführt, dass das Material des Stahlbauteils 103 beim Laserstrahlschneiden an der äußeren Oberfläche des Stahlbauteils 103 aufgeworfen und dadurch jeweils ein Kraterrand 117 als zusätzliche Strukturierung an der linken Seitenwand 121 ausgebildet wird.In the case of the third depression 111 and the fourth depression 113, the cutting by means of the laser beam 119 is also carried out on the respective left-hand side wall 121 in such a way that the material of the steel component 103 is thrown up on the outer surface of the steel component 103 during the laser beam cutting, thereby creating a crater edge 117 as a additional structuring on the left side wall 121 is formed.

Anschließend wird das Stahlbauteil 103 mit dem eingebrachten Vertiefungen 107, 109, 111 und 113 mit einem vorgefertigten Polypropylen-Bauteil 105 unter thermischem Fügen mittels eines nicht gezeigten Presswerkzeuges verpresst, wobei das Polypropylen-Bauteil 105 aufgrund einer Induktionsheizung im nicht gezeigten Presswerkzeug gezielt an seiner Seite erwärmt wird und schmilzt, welche zur strukturierten Oberfläche des Stahlbauteils 103 mit den Vertiefungen 107, 109, 111 und 113 ausgerichtet ist. Dadurch fließt das erwärmte und geschmolzene Polypropylen-Material in die erste Vertiefung 107, zweite Vertiefung 109, dritte Vertiefung 111 und vierte Vertiefung 113 und füllt somit jeweils auch die linke Hinterschneidung 125 in der jeweiligen Vertiefung 107, 109, 111 und 113 aus.Subsequently, the steel component 103 with the recesses 107, 109, 111 and 113 introduced is pressed with a prefabricated polypropylene component 105 with thermal joining using a pressing tool, not shown, with the polypropylene component 105 being pressed in a targeted manner on its side due to induction heating in the pressing tool, not shown is heated and melts, which is aligned with the structured surface of the steel component 103 with the depressions 107, 109, 111 and 113. As a result, the heated and melted polypropylene material flows into the first depression 107, second depression 109, third depression 111 and fourth depression 113 and thus also fills the left undercut 125 in the respective depression 107, 109, 111 and 113.

Gleichzeitig umgibt das geschmolzene Polypropylen-Material die gesamte obere Oberfläche des Stahlbauteils 103 inklusive der Kraterränder 117 der dritten und vierten Vertiefungen 111, 113. Hierbei wird das vorgefertigte Polypropylen-Bauteil 105 aufgrund des Schmelzens und Verpressens mittels des nicht gezeigten Presswerkzeuges nachgeformt und aufgrund des Eindringens der Polypropylen-Schmelze in die Vertiefungen 107, 109, 111 und 113 wird eine formschlüssige Verbindung unter Anhaften des Polypropylens an der äußeren oberen und inneren Oberfläche des Stahlbauteils 103 erzielt, sodass sowohl eine formschlüssige als auch eine stoffschlüssige Verbindung des Stahlbauteils 103 und des Polypropylen-Bauteil 105 vorliegt.At the same time, the molten polypropylene material surrounds the entire upper surface of the steel component 103, including the crater edges 117 of the third and fourth depressions 111, 113. Here, the prefabricated polypropylene component 105 is reshaped due to the melting and pressing by means of the pressing tool, not shown, and due to the penetration of the polypropylene melt into the depressions 107, 109, 111 and 113, a positive connection is achieved with the polypropylene adhering to the outer upper and inner surface of the steel component 103, so that both a positive and a material connection of the steel component 103 and the polypropylene Component 105 is present.

Aufgrund der unterschiedlichen Winkel des Laserstrahls 119 zur Ausbildung der jeweils linken Seitenwand 121 und der rechten Seitenwand 123 der Vertiefungen 107, 109, 111 und 113 weist die jeweilige linke Hinterschneidung 125 innerhalb der jeweiligen Vertiefung 107, 109, 111 und 113 eine größere linke Sperrabmessung 127 als eine entsprechende rechte Hinterschneidung 129 mit einer rechten Sperrabmessung 131 im Stahlbauteil 103 auf (siehe 2). Dadurch kann die jeweils linke Hinterschneidung 125 eine größere Zugkraft in einer Zugrichtung 133 aufnehmen als die entsprechende rechte Hinterschneidung 129. Dementsprechend ist durch eine Krafteinwirkung, welche parallel zur Ausrichtung der jeweils rechten Seitenwand 123 der Vertiefungen 107, 109, 111 und 113 nach oben gerichtet ist, ein gezielter richtungsabhängiger Sollbruch zwischen dem verbundenen Stahlbauteil 103 und dem Polypropylen-Bauteil 105 des Verbundbauteils 101 bewirkbar.Due to the different angles of the laser beam 119 for forming the respective left side wall 121 and the right side wall 123 of the depressions 107, 109, 111 and 113, the respective left undercut 125 within the respective depression 107, 109, 111 and 113 has a larger left blocking dimension 127 as a corresponding right undercut 129 with a right locking dimension 131 in the steel member 103 (see Fig 2 ). As a result, the respective left undercut 125 can absorb a greater tensile force in a pulling direction 133 than the corresponding right undercut 129. Accordingly, a force which is parallel to the alignment of the respective right side wall 123 of the depressions 107, 109, 111 and 113 is directed upwards , a targeted, direction-dependent predetermined breaking point between the connected steel component 103 and the polypropylene component 105 of the composite component 101 can be effected.

BezugszeichenlisteReference List

101101
Verbundbauteilcomposite component
103103
Stahlbauteilsteel component
105105
Polypropylen-BauteilPolypropylene component
107107
erste Vertiefungfirst deepening
109109
zweite Vertiefungsecond deepening
111111
dritte Vertiefungthird deepening
113113
vierte Vertiefungfourth deepening
117117
Kraterrandcrater rim
119119
Laserstrahllaser beam
121121
linke Seitenwand der Vertiefungleft side wall of the cavity
123123
rechte Seitenwand der Vertiefungright side wall of the well
125125
linke Hinterschneidungleft undercut
127127
linke Sperrabmessungleft lock dimension
129129
rechte Hinterschneidungright undercut
131131
rechte Sperrabmessungright lock dimension
133133
Zugrichtung bei SperrungDirection of movement when blocked

Claims (10)

Verfahren zum Fertigen eines Verbundbauteils (101) und Einbringen einer Sollbruchstelle in das Verbundbauteil, wobei das gefertigte Verbundbauteil ein erstes Bauteil (103) mit einem ersten Material und ein zweites Bauteil (105) mit einem zweiten Material aufweist, und das erste Material und das zweite Material unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen, mit folgenden Schritten: - Einbringen und/oder Aufbringen einer Struktur (107, 109, 111, 113) in und/oder auf das erste Material mittels eines Lasers durch Einwirken in und/auf das erste Material derart, dass auf einer ersten Seite der Struktur eine erste Hinterschneidung (125) mit einer Sperrung ausgebildet ist und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite der Struktur frei von einer Hinterschneidung ist oder eine zweite Hinterschneidung (129) aufweist, wobei die zweite Hinterschneidung eine geringere Sperrung als die erste Hinterschneidung aufweist, und - Verbinden des ersten Materials und des zweiten Materials und Umgeben und/oder Ausfüllen der Struktur durch das zweite Material unter einer Wärmeeinwirkung, sodass das gefertigte Verbundbauteil mit einer Sollbruchstelle bei Einwirken einer gerichteten Kraft in einer Richtung abweichend der Sperrung der ersten Hinterschneidung vorliegt.Method for manufacturing a composite component (101) and introducing a predetermined breaking point in the composite component, wherein the manufactured composite component has a first component (103) with a first material and a second component (105) with a second material, and the first material and the second Material have different material properties, with the following steps: - Introduction and/or application of a structure (107, 109, 111, 113) in and/or on the first material by means of a laser by acting in and/on the first material in such a way that a first undercut ( 125) is formed with a detent and a second side of the structure opposite the first side is free of an undercut or has a second undercut (129), the second undercut having a lesser detent than the first undercut, and - connecting the first material and the second material and surrounding and/or filling the structure with the second material under the action of heat, so that the manufactured composite component is present with a predetermined breaking point when a directed force acts in a direction deviating from the blocking of the first undercut. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbinden eine zweite Struktur, eine dritte Struktur, eine vierte Struktur, eine fünfte Struktur und/oder weitere Strukturen in und/oder auf das erste Material mittels des Lasers ein- und/oder aufgebracht wird oder werden.procedure after claim 1 , characterized in that before the connection, a second structure, a third structure, a fourth structure, a fifth structure and/or further structures is or are introduced into and/or onto the first material by means of the laser. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit der jeweiligen Struktur eine Vertiefung (107, 109, 111, 113) in das erste Material eingebracht und/oder eine Erhebung (117) auf das erste Material aufgebracht wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that with the respective structure, a recess (107, 109, 111, 113) is introduced into the first material and/or an elevation (117) is applied to the first material. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser bei einer horizontalen Ausrichtung des ersten Materials mit einem Winkel in einem Bereich von 15° bis 85°, insbesondere 25° bis 70°, bevorzugt 40° bis 60° zur horizontalen Ausrichtung des ersten Materials beim Einbringen und/oder Aufbringen der jeweiligen Struktur ausgerichtet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that with a horizontal alignment of the first material the laser is at an angle in a range of 15° to 85°, in particular 25° to 70°, preferably 40° to 60° to the horizontal alignment of the first material is aligned when the respective structure is introduced and/or applied. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Lasers eine Strukturtiefe und/oder -höhe in einem Bereich von 50 µm bis 500 µm, insbesondere 75 µm bis 250 µm, bevorzugt 100 µm bis 200 µm, eingebracht und/oder aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a structure depth and/or height in a range from 50 µm to 500 µm, in particular 75 µm to 250 µm, preferably 100 µm to 200 µm, is introduced and/or applied by means of the laser will. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Material ein festes Metallmaterial und/oder ein Keramikmaterial und als zweites Material ein Thermoplast verwendet wird oder werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a solid metal material and/or a ceramic material is or are used as the first material and a thermoplastic is or are used as the second material. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material vor dem Verbinden bereits zu dem zweiten Bauteil vorgeformt wurde und/oder während des Verbindens zu dem zweiten Bauteil ausgeformt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second material has already been preformed into the second component before the connection and/or is shaped into the second component during the connection. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des ersten Materials und des zweiten Materials und das Umgeben und/oder Ausfüllen der Struktur durch Gießen, Spritzgießen, Sintern und/oder thermisches Fügen durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the joining of the first material and the second material and the surrounding and/or filling of the structure is carried out by casting, injection moulding, sintering and/or thermal joining. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des thermischen Fügens die Wärmeeinwirkung mittels induktiver Erwärmung und/oder Lasererwärmung durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the case of thermal joining, the heat is applied by means of inductive heating and/or laser heating. Verbundbauteil (101) aufweisend zwei verschiedene Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gefertigt ist, sodass eine richtungsabhängige Sollbruchstelle in dem Verbundbauteil vorliegt, insbesondere eine richtungsabhängige Sollbruchstelle, welche frei von einem Erwärmen aufgrund eines Einwirkens einer gerichteten Kraft brechbar ist.Composite component (101) comprising two different materials, characterized in that the composite component by a method according to one of Claims 1 until 9 is manufactured so that there is a direction-dependent predetermined breaking point in the composite component, in particular a direction-dependent predetermined breaking point which can be broken free of heating due to the action of a directed force.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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