DE102020202813A1

DE102020202813A1 - Drückwalzen von Metall-Kunststoff-Halbzeugen

Info

Publication number: DE102020202813A1
Application number: DE102020202813.3A
Authority: DE
Inventors: Philipp Grunden; Fabian Schongen; Thomas Großerüschkamp; Thomas Flöth; Lothar Patberg
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten Hybridbauteils im Metall/Kunststoffverbund, das damit hergestellte Hybridbauteil, sowie dessen Verwendung, wobei eine Umformung des Metall/Kunststoffverbundes zum dreidimensional geformten Hybridbauteil mittels eines Drückwalzverfahrens erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten Hybridbauteils im Metall/Kunststoffverbund, das damit hergestellte Hybridbauteil, sowie dessen Verwendung, wobei eine Umformung des Metall/Kunststoffverbundes zum dreidimensional geformten Hybridbauteil mittels eines Drückwalzverfahrens erfolgt.
Das Verformen mittels Drückwalzen von Stahlwerkstoffverbunden, welche aus zwei, drei oder mehreren Lagen zusammengesetzt sind, wird allgemein in der DE 10 2017 211 832 A1 erwähnt. Drückwalzen eines metallischen Mehrschichtverbundblechwerkstoffes ist auch aus der DE 10 2014 101 972 A1 bekannt. Der Mehrschichtverbundblechwerkstoff weist eine Trägerschicht aus Stahlwerkstoff, vorzugsweise Carbon-Stahl, und eine wasserstoffversprödungsresistente Abschirmschicht aus z.B. CrNi-Stahl auf. Weitere, allgemeine Verfahren zum Herstellen von Formkörpern, insbesondere mittels Drückwalzen, gehören zum Stand der Technik. So ist beispielsweise in dem Dokument US 2001/0035036 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen Bauteils beschrieben, das aus einem rondenförmigen Rohling ein Bauteil mit einer Nabe mittels Drückwalzen erzeugt. Aus den weiteren Dokumenten DE 10 2013 101 555 B3 und DE 10 2013 106 268 A1 sind beispielsweise Verfahren zum Herstellen von Gelenk- oder Achszapfen mittels Drückwalzen bekannt, wobei aus im Wesentlichen planen Rohlingen aus einem Stahlwerkstoff entsprechende Formkörper in einem mehrstufigen Drückwalzprozess hergestellt werden.
Es besteht jedoch eine erhöhte Nachfrage nach Hybridbauteilen im Metall/Kunststoffverbund, da diese aufgrund der Kombination ihrer Eigenschaften Vorteile gegenüber monolithischen Bauteilen aufweisen. Da allerdings Metall und Kunststoff bei der Verarbeitung und insbesondere bei Verformen unterschiedliche und teilweise gegenteilige Eigenschaften aufweisen, treten bei der Verwendung von Metall/Kunststoffverbunden als Ausgangsmaterial immer wieder Probleme auf, insbesondere findet eine Delamination der Kunststoff- von der Metallschicht statt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches das Herstellen von dreidimensional geformten Hybridteilen ohne Beschädigung des Metall/Kunststoffverbundes ermöglicht. Das Verfahren soll mithin einerseits eine materialschonende Umformung gewährleisten und andererseits die Herstellung von Hybridbauteilen aus schwer umformbaren Metallen, sowie höhere Umformungen, insbesondere im Vergleich zu Tiefziehen, ermöglichen.
Des Weiteren sollen im Vergleich zu Tiefziehen geringe Werkzeugkosten anfallen und eine größere Geometrievariabilität, wie zum Beispiel Hinterschnitte, ermöglicht werden. Als weitere Aufgabe sollen dreidimensional geformte Hybridbauteile im Metall/Kunststoffverbund zur Verfügung gestellt werden, die eine einfache Anbindung von zusätzlichen Strukturkörpern aus Kunststoff ermöglichen.
In Betriebsversuchen wurde festgestellt, dass durch das Bereitstellen eines tiefzieh- und streckziehfähigen, platinen- oder bandförmigen Halbzeugs das mindestens ein platinen- oder bandförmiges Metallblech und mindestens eine, mindestens bereichsweise auf dem Metallblech stoffschlüssig aufgebrachte Kunststoffschicht aufweist und eine anschließende Umformung des Metall/Kunststoffverbund zum dreidimensional geformten Hybridbauteil mittels eines Drückwalzverfahrens, die oben genannten Aufgaben gelöst werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass der Verbund durch diese Art der Umformung erhalten bleibt, d. h., dass makroskopisch keine Delamination zwischen der Kunststoffschicht und der Metallschicht im Verbund festzustellen ist. Ferner wurde festgestellt, dass für das erfindungsgemäße Verfahren zur Verformung mittels eines Drückwalz- oder Profilierverfahrens ähnliche Prozessparameter eingesetzt werden können, die auch Verwendung finden bei monolithischen Metallblechen als Ausgangsmaterial.
Mithin werden diese Aufgaben durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Hybridbauteil nach Anspruch 11 gelöst.
Im Sinne der Erfindung besitzt ein dreidimensional geformtes Bauteil eine Form mit Ausstreckung in alle 3 Raumrichtungen, wobei es sich von dem Ausgangswerkstoff, hier das Halbzeug, in seiner Form und nicht nur lediglich in seinen Ausmaßen unterscheidet. Mit anderen Worten, Schneiden, Kürzen, Verlängern o. ä. stellt lediglich eine Veränderung bzw. Umformung in einer oder zwei Dimensionen, entlang der x- und/oder y-Achse eines dreidimensionalen Koordinatensystems dar. Eine dreidimensionale Umformung im Sinne der Erfindung ist bevorzugt eine Änderung in z-Richtung, wie z.B. eine Biegung bzw. Krümmung des Ausgangswerkstoffs, des Halbzeugs.
Voraussetzung für das erfindungsgemäße Bauteil ist das Bereitstellen eines tiefzieh- und streckziehfähigen, platinen- oder bandförmigen Halbzeugs, das mindestens ein platinen- oder bandförmiges Metallblech und mindestens eine, mindestens bereichsweise auf dem Metallblech stoffschlüssig aufgebrachte Kunststoffschicht, aufweist.
Im Sinne der Erfindung bedeutet tiefziehfähig, streckziehfähig, sowie auch das später genannte KTL-fähig bzw. KTL-beschichtbar, dass diese Prozesse (also Tiefziehen, Streckziehen sowie KTL-Beschichten) durchführbar sind, ohne eine Beschädigung des Hybridhalbzeugs, insbesondere ohne eine Delamination der Kunststoffschicht von dem Metallblech. „Ohne Delamination“ bedeutet im Sinne der Erfindung, dass makroskopisch, also ohne optische Hilfsmittel zur Vergrößerung wie z. B. Lupe, insbesondere Mikroskop, mithin mit freiem Auge keine Beschädigung und/oder Abtrennung der Kunststoffschicht von dem Metallblech aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens eintritt bzw. festgestellt werden kann.
Für die Beurteilung der Tiefziehfähigkeit des Halbzeugs wird im Sinne der Erfindung die Methode der Herstellung von Vierkantnäpfen (Vierkantproben) herangezogen. Ein erfindungsgemäß einzusetzendes Halbzeug erfüllt die Voraussetzungen, falls an den Vierkantproben keine makroskopischen Versagensstellen (Delamination) im Bereich der Beschichtung zu erkennen sind. Im Einzelnen erfolgt die Prüfung mit folgenden Parametern: Stempel: 70 x 70 mm; Ziehspalt: 1,93/2,43* mm; Eckenradius: R10 mm, Ziehradius: R5/R6* mm; Ziehfolie: SPV 6065E5 HP und Beölung RP4107S 1,5 g/m².
Für die Beurteilung der Streckziehfähigkeit des Halbzeugs wird im Sinne der Erfindung die Methode der Erichsentiefung nach DIN EN ISO 20482 bei Raumtemperatur eingesetzt. Ein erfindungsgemäß einzusetzendes Halbzeug erfüllt die Voraussetzungen, falls bis zum Erreichen der Versagensgrenze des Metallblechs makroskopisch keine Auffälligkeiten (Delamination) zu erkennen sind. Im Einzelnen erfolgt die Prüfung mit folgenden Parametern: Werkzeugdaten nach Erichsen: Durchmesser 20 mm Halbrund; Durchmesser 27 mm Matrize; R 0,75 mm; Ziehgeschw. 0,1 mm/sec.; Beölung mit Ziehfett.
Die thermoplastische, duroplastische oder elastomere Kunststoffschicht fließt beim Tief- und Streckziehen des erfindungsgemäß einzusetzenden Halbzeugs mit dem Metallblech mit und verliert dabei ihre Haftung nicht.
Die Herstellung des erfindungsgemäß eingesetzten Metallblechs kann nach dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen. Insbesondere kann als Metallblech ein Warmband oder ein Kaltband, weiter bevorzugt als Coil oder als Platine, eingesetzt werden.
Drückwalzen ist ein sehr präzises Umformverfahren, mit welchem eine extrem große Formgebungsflexibilität erreicht wird. Es ist ferner ein wirtschaftliches Verfahren zur Fertigung von Hohlteilen. Die Gründe hierfür sind ein ressourcenschonender Materialeinsatz, die endkonturnahe Fertigung, niedrige Produktionskosten, sowie kürzere Fertigungszeiten im Vergleich zu spanenden Verfahren. Die endkonturnahe Umformung verbessert die Festigkeitseigenschaften des Materials. Im Idealfall kann auf weitere spanabhebende und auch auf Schleifprozesse für die Reibflächen verzichtet werden.
Ferner lassen sich mit dem Verfahren, vorteilhaft gegenüber Umformverfahren wie Fließpressen, Abstreckziehen oder Tiefziehen, unterschiedliche Außenmantelformen, wie zum Beispiel Konturabsätze, Übergangsradien und konische Bereiche erzeugen. Mit dem Verfahren lassen sich alle knetbaren Metalle und Metalllegierungen, einschließlich rostfreier Stähle und Aluminiumlegierungen umformen, und zwar auch in wärmebehandeltem Zustand.
In einer Ausführung wird als Verfahren zur Umformung Zylinder- oder Projizier-Drückwalzen eingesetzt. Die Drückwalzverfahren sind Verfahren aus den Bereichen der Druckumformung (DIN 8583) und Zugdruckumformung (DIN 8584). Beim Projizieren und Drückwalzen können neben der Formgebung definierte Wanddickenverläufe eingestellt werden.
Unter Drückwalzen wird ein Verfahren zur spanlosen Formgebung rotationssymmetrischer Hohlkörper verstanden. Dabei wird eine Vorform zwischen Drückfutter und Andrückscheibe, auch als Reitstock oder Vorsetzer bezeichnet, fixiert und in Rotation versetzt.
In einer Ausführung wird ein rondenförmiges oder vorgeformtes Halbzeug bereitgestellt. Ein besonderes Kennzeichen ist dabei, dass die Umformung partiell durch Druckspannung erfolgt, die durch radial geführte Drückwalzen ins Material eingebracht werden. Das Material fließt und nimmt in einem oder mehreren Walzenüberlaufen die Kontur des innen liegenden Drückfutters an. Je nachdem, wie die Gestalt des Drückfutters ist, lassen sich dabei topfförmige Hohlkörper bzw. kegelförmige Hohlkörper herstellen.
Beim Drückwalzen wird mithin eine Vorform spielarm auf ein Drückfutter geschoben und darauf fixiert und von einem Spindelantrieb in Drehbewegung versetzt. Die Mitnahme der Vorform erfolgt kraftschlüssig/reibschlüssig über den Reitstock/Vorsetzer oder auch in einigen Anwendungsfällen über einen Formschluss. Die Drückwalzen greifen örtlich am Umfang der Vorform an. Durch die unmittelbare Druckeinwirkung der Walze wird der Werkstoff der Vorform plastisch verformt. Die definierte axiale Bewegung der Drückwalzen führt dazu, dass die Ausgangswanddicke der Vorform auf eine einstellbare Endwanddicke reduziert wird. Gleichzeitig vergrößert sich die Ausgangslänge der Vorform auf eine Endlänge. Dabei wird die Innenkontur des Werkstückes direkt vom Drückfutter abgeformt (abbildendes Verfahren). Auf diese Weise können bei entsprechend gestalteten Drückfutter qualitativ hochwertige Werkstücke mit Innenprofil oder auch beim Innendrückwalzen mit Außenprofil hergestellt werden.
Beim Drückwalzen unterscheidet man verschiedene Unterarten:

Beim Zylinder-Drückwalzen lassen sich Außenmantelformen herstellen, wie sie mit anderen Umformverfahren, z. B. Abstreckziehen und Tiefziehen, prinzipiell nicht zu erreichen sind.

Beim so genannten Gleichlauf-Drückwalzen sind die axiale Vorschubrichtung der Drückwalzen und die Fließrichtung des Materials gleich. Besonders vorteilhaft lassen sich kurze topfförmige Hohlkörper, so genannte L-Ringe, fertigen, die mit entsprechend ausgeführten Drückwalzen durch eine Kombination aus vorgeschaltetem Biegen und Zylinder-Drückwalzen in einem Überlauf geformt werden.
Beim Gegenlauf-Drückwalzen wird die Materialbewegung in die Richtung der axialen Vorschubbewegung der Drückwalzen durch einen Anschlag beschränkt, so dass das Material unter den Drückwalzen entgegen der Vorschubrichtung fließt. Hierdurch wird die Fertigung besonders langer, zylindrischer Hohlkörper möglich.
Beim Projizier-Drückwalzen wird eine ebene Ausgangsform mit einer Drückwalze auf den Neigungswinkel des Drückfutters projiziert. Während der Umformung wird das Material in der Formgebungszone axial verschoben. Der Durchmesser der Ausgangsform entspricht dann dem Durchmesser der Endform. Es können kegelige, konkave oder konvex gewölbte Hohlkörper hergestellt werden. Im einfachsten Fall wird eine Ronde, die als Ausgangsform dient, auf einem kegeligen Drückfutter umgeformt. Die erzielbare Endwanddicke ist direkt vom Neigungswinkel des Kegels, sowie von der Ausgangsblechdicke abhängig. Für Hohlkörper, die eine besonders hohe Präzision erfordern, wird das Projizier-Drückwalzen mit zwei sich gegenüberliegenden Walzen durchgeführt.
Allgemein werden beim Drückwalzen die Blechronden oder Vorformen, hergestellt z. B. durch Tiefziehen oder Schmieden, zwischen Drückfutter und Andrückscheibe gespannt, kraftschlüssig/reibschlüssig über den Reitstock/Vorsetzer oder auch in einigen Anwendungsfällen über einen Formschluss, fixiert und vom Hauptantrieb in Rotation versetzt und schließlich zu rotationssymmetrischen Hohlkörpern umgeformt. Die Drückrolle greift örtlich am Werkstückumfang ein und formt das Ausgangsmaterial Stufe um Stufe um, bis das Werkstück am innen liegenden Drückfutter anliegt. Die Wandstärke bleibt bei dieser Umformung annähernd konstant.
In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet sich die Kunststoffschicht außen am fertigen Bauteil, d. h. während der Umformung ist die Kunststoffschicht in unmittelbarem Kontakt mit Andrückscheibe/Vorsetzer und dementsprechend liegt die Kunststoffschicht an den Drückrollen an.
Über ein Kühlschmiermittel wird die entstehende Wärme abgeführt und die Tribologie verbessert. In einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist während der Umformung die Metallschicht außen am fertigen Bauteil, d. h. in unmittelbarem Kontakt mit Andrückscheibe/Vorsetzer und den Drückrollen.
Das Ausgangsmaterial, also das Halbzeug im Metall/Kunststoffverbund, wird so in das Werkzeug positioniert, dass die Kunststoffschicht in unmittelbarem Kontakt mit Andrückscheibe/Vorsetzer angeordnet ist oder alternativ dazu, so dass die Kunststoffschicht in unmittelbarem Kontakt mit dem Drückfutter/Werkzeugkern angeordnet ist, mithin außen oder innen in Bezug auf das durch das Umformen herzustellende oder hergestellte Bauteil.
Eine weitere Ausführung betrifft das oben beschriebene Verfahren, wobei zumindest bereichsweise ein zu einer Symmetrieachse vollständig rotationssymmetrisches Hybridbauteil geformt wird. In einer Alternative dieser Ausführung weist lediglich ein Teilbereich des Hybridbauteils einen rotationssymmetrischen Bereich auf.
In einer weiteren Alternative wird ein nicht-rotationssymmetrisches Hybridbauteil durch ein Unrunddrücken geformt. Beim Unrunddrücken wird beispielsweise durch eine kraft- oder weggesteuerte Drückrollenzustellung, die mit der Position der Antriebsspindel synchronisiert ist, ein nicht-rotationssymmetrisches Hybridbauteil realisiert.
Eine Ausführung betrifft ein einzusetzendes Halbzeug das KTL-beschichtbar oder beschichtet ist. Ebenso ist das erfindungsgemäß hergestellte Hybridbauteil KTL-beschichtbar oder beschichtet. Für die Beurteilung der KTL-Beschichtbarkeit des Hybridhalbzeugs wird im Sinne der Erfindung die Temperaturbeständigkeit des Halbzeugs insbesondere makroskopisch auf Delamination geprüft. Das erfindungsgemäß einzusetzende Hybridhalbzeug ist temperaturstabil im Bereich von -20 °C, bevorzugt von -30 °C, besonders bevorzugt von -40 °C bis zu maximal 200 °C, bevorzugt 230 °C, besonders bevorzugt von bis zu 260 °C. Auch nach einer KTL-Beschichtung, die auf der Metalloberfläche, nicht aber auf der Oberfläche der Kunststoffschicht aufgebracht wird, ist makroskopisch keine Delamination festzustellen.
In einer Ausführung ist das Halbzeug dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech eine Dicke von mindestens 0,1 mm, bevorzugt mindestens 0,2 mm, 0,25 mm, 0,5 mm, 0,4 mm, 0,5 mm, bis maximal 5 mm, bevorzugt maximal 4 mm, 3 mm, besonders bevorzugt maximal 2 mm, 2,5 mm, 2 mm, 1,75 mm, 1,5 mm, 1,25 mm, 1 mm, oder 0,9 mm, 0,8 mm, 0,7 mm, 0,6 mm, 0,5 mm, 0,4 mm, 0,5 mm, 0,25 mm, 0,2 mm aufweist.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Metallblech kann unbeschichtet eingesetzt werden. Das erfindungsgemäß eingesetzte Metallblech wird in einer Alternative beschichtet eingesetzt. Entsprechende, insbesondere vor Korrosion schützende Beschichtungen, sind dem Fachmann an sich bekannt und sind zum Beispiel anorganische Beschichtungen wie Metalle oder Keramiken oder organische Beschichtungen auf Polymerbasis. Als metallische Bänder, Coils oder/und Bleche und insbesondere zur Verwendung im Halbzeug können vor allem solche metallischen Lagen zum Einsatz kommen, die gegebenenfalls mit einer metallischen Schicht und/oder mit mindestens einer Schutzschicht z. B. auf Basis von Haftvermittler-, Passivierungs- oder Vorbehandlungsschicht beschichtet sein können, und die aus einem der folgenden Werkstoffe sind: Elektrolytisch verzinktes Stahlblech ZE, z. B. elektrolytisch mit einer Magnesium und/oder Zink enthaltenden Legierung wie z. B. mit ZnNi, ZnCo, ZnMg beschichtetes Stahlblech, schmelztauchverzinkt; Stahlblech Z, durch Schmelztauchen in eine aufgeschmolzene Aluminium- und/oder Zink-haltige Legierung wie z. B. einer mit AI-, ZnAI-, ZnMg- und/oder ZnAIMg-Legierung beschichtetes Stahlblech; verchromtes Blech wie z. B. verchromtes Stahlblech; Blech aus Aluminium, Aluminiumlegierung, Magnesium, Magnesiumlegierung und/oder Edelstahl. Falls eine metallische Lage beschichtet ist, kann sie einseitig oder beidseitig beschichtet sein. Diese Beschichtungen können je nach Seite in ihrer Dicke, Ausprägung und/oder Zusammensetzung unterschiedlich oder gleichartig sein und können beispielsweise auch auf einer metallischen Beschichtung zusätzlich noch mindestens eine Konversionsschicht und/oder Passivierungsschicht aufweisen.
Bevorzugt werden metallische Beschichtungen basierend auf Zink oder Aluminium oder Zinklegierungen oder Aluminiumlegierungen, gegebenenfalls in Kombination mit Silizium und/oder Magnesium eingesetzt. Die vorliegende Erfindung verwendet daher bevorzugt ein Halbzeug, welches ein Metallblech enthält, welches eine Oberflächenbeschichtung aufweist. Die Beschichtung kann auf das erfindungsgemäß eingesetzte Metallblech im Allgemeinen nach allen dem Fachmann bekannten Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise elektrolytische Beschichtung, Schmelztauchverfahren oder Aufdampfen. Die Beschichtung kann ein- oder beidseitig vorliegen. Wird das in dem erfindungsgemäßen Halbzeug vorliegende Metallblech mit einer entsprechenden Oberflächenbeschichtung versehen und verwendet, ist es vorteilhafterweise besser gegen Korrosion geschützt.
In einer Ausführung werden gut umformbar Stahlgüten eingesetzt, insbesondere solche mit hohen Umformgraden.
Die Erfindung betrifft auch eine Ausführung, in welcher die Kunststoffschicht ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend thermoplastische, duroplastische oder elastomere Kunststoffe.
Das erfindungsgemäß einzusetzende Halbzeug weist mindestens eine, mindestens bereichsweise auf dem Metallblech stoffschlüssig aufgebrachte Kunststoffschicht aus thermoplastischem, duroplastischem oder elastomerem Kunststoff auf.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist der mindestens eine thermoplastische Kunststoff, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyamiden (PA), Polycarbonaten (PC), thermoplastischen Polyestern, thermoplastischen Polyurethanen (PU), Polysulfiden (PS), Polyetheretherketonen (PEEK), Polyarylen, aromatischen Polyestern, Polyaramiden, Polyaramid-Fasern, heterocyclischen Polymeren, Flüssigkristallpolymeren (LCP Liquid Crystalline Polymers), Fluorpolymeren, Perfluoroxyalkanen, Polyphenylenen, funktionalisierten Varianten der genannten Polymere und Mischungen davon. Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare Polyolefine sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Styrolen (ABS), Polymethyl(meth)acrylaten (PM(M)A), Polyethylenen (PE), Polypropylenen (PP), Polystyrolen (PS), Polyvinylchloriden (PVC) und Mischungen davon.
Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare Polyester sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenterephthalat (PET), Polylactaten (PLA) und Mischungen davon.
Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare Polyaramide sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Poly-m-phenylenisophthalamid (PMI), Polyaramid-Fasern und Mischungen davon.
Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare heterocyclische Polymere sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyimiden, Polybenzimidazolen, Polyetherimiden und Mischungen davon.
Für die vorliegende Erfindung wird daher bevorzugt das Halbzeug eingesetzt, wobei der mindestens eine thermoplastische Kunststoff ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend oder bestehend aus Polyolefinen, Polyamiden (PA), Polycarbonaten (PC), thermoplastischen Polyestern, thermoplastischen Polyurethanen (PU), Polysulfiden (PS), Polyetheretherketonen (PEEK), Polyarylen, aromatischen Polyestern, Polyaramiden, Polyaramid-Fasern, heterocyclischen Polymeren, Flüssigkristallpolymeren (LCP Liquid Crystalline Polymers), Fluorpolymeren, Perfluoroxyalkanen, Polyphenylenen, funktionalisierten Varianten der genannten Polymere, Mischungen oder Reaktionsprodukten davon, bei denen mindestens ein Edukt eines der genannten Polymere ist, sowie Compounds enthaltend mindestens eines der genannten Polymere oder Reaktionsprodukte dieser Compounds.
In einer bevorzugten Alternative wird die thermoplastische Kunststoffschicht aus einem Compound enthaltend Polyamid und Polyethylen gebildet. Im Sinne der Erfindung werden als Compound (engl. für Verbundstoff, Zusammensetzung) Kunststoffe bezeichnet, denen zusätzliche Füllstoffe, Verstärkungsstoffe oder andere Additive beigemischt worden sind. Durch die Compoundierung werden somit mindestens zwei Stoffe fest miteinander verbunden. Ziel der Compoundierung ist es, die Eigenschaften der Kunststoffe auf einen Anwendungsfall hin zu modifizieren. Die thermoplastische Kunststoffschicht kann als auf dem Metallblech aufgebrachte Schicht sowohl das Reaktionsprodukt der Ausgangsstoffe, bevorzugt PA und PE, insbesondere gepfropftes PE, als auch noch Anteile dieser Ausgangsstoffe sowie weitere Stoffe enthalten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die thermoplastische Kunststoffschicht eine Adhäsivpolymermischung, enthaltend Polyamid (PA), mit einer Reaktivkomponente gepfropftes Polyethylen (PE), mindestens ein Reaktivpolymer, mindestens einen Füllstoff und ggf. Additive bzw. kumulativ oder alternativ das Reaktionsprodukt dieser Polymere und Komponenten. Eine solche Adhäsivpolymermischung wird beispielsweise in EP 1 651 432 B1 beschrieben.
Das bevorzugt eingesetzte Polyamid ist weiter bevorzugt PA 6 und/oder PA 6.6, insbesondere eine Mischung enthaltend PA bestehend aus ≥ 90 Massen-% PA 6 mit Verunreinigungen < 10 Massen-% an PA 6.6.
Die Reaktivkomponente ist bevorzugt Maleinsäureanhydrid (MAH). Bevorzugt wird daher eine MAH-gepfropfte PE-Komponente umfassend, insbesondere bestehend aus, 80 bis 95, insbesondere 89, Massen-% Ethylen-basiertes Octen Plastomer, 5 bis 20, insbesondere 9,05, Massen-% lineares Polyethylen (PE) niedriger Dichte, so genanntes LLD-PE, 0,5 bis 2,5, insbesondere 1,5, Massen-% MAH, 0,1 bis 0,5, insbesondere 0,15, Massen-% organisches Peroxid, beispielsweise Interox DHBP, und 0,1 bis 0,5, insbesondere 0,3, Massen-% Antioxidans, beispielsweise Irganox 1330, Irganox 1098 und Irgafos 168, wobei die Summe der Komponenten jeweils 100 Massen-% ergibt.
Insbesondere bevorzugt wird als thermoplastische Kunststoffschicht eine Adhäsivpolymermischung hergestellt aus der Umsetzung von 35 bis 75 %, bevorzugt 45 bis 65 %, besonders bevorzugt 50 bis 60 % insbesondere 55,75 Massen-% Polyamid (PA), 20 bis 60 %, bevorzugt 30 bis 50 %, besonders bevorzugt 35 bis 45 % insbesondere 40 Massen-% Maleinsäureanhydrid (MAH) gepfropfte Polyethylen-(PE)-Komponente, 0,5 bis 5 %, bevorzugt 1 bis 3 %, besonders bevorzugt 1,5 bis 2,5 % insbesondere 2 Massen-% Reaktivpolymer, 0,5 bis 55 %, bevorzugt 1 bis 3 %, besonders bevorzugt 1,5 bis 2,5 % insbesondere Massen-% Talk und 0,05 bis 1 %, bevorzugt 0,1 bis 0,5 %, besonders bevorzugt 0,2 bis 0,5 % insbesondere 0,25 Massen-% Antioxidantien eingesetzt, wobei die Summe 100 % ergibt. Das Halbzeug weist als Kunststoffschicht das sich daraus ergebende Reaktionsprodukt als Thermoplast auf, welches auch noch Anteile der Edukte enthalten kann, wobei die Summe 100 % ergibt.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist der mindestens eine duroplastische Kunststoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Epoxidharzen (EP), Harnstoff-Formaldehydharzen (UF), Phenol-Formaldehydharzen (PF), Melamin-Formaldehydharzen (MF), Melamin/Phenol-Formaldehyden (MPF), duroplastischen Polyestern (PES), Polyurethanen (PUR), ungesättigten Polyestern (UP), teilvernetzten (bi-stage) duroplastischen Polymere, funktionalisierten Varianten der genannten Polymere und Mischungen davon.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher bevorzugt das erfindungsgemäße Halbzeug, wobei der mindestens eine duroplastische Kunststoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Epoxidharzen (EP), Harnstoff-Formaldehydharzen (UF), Phenol-Formaldehydharzen (PF), Melamin-Formaldehydharzen (MF), Melamin/Phenol-Formaldehyden (MPF), duroplastischen Polyestern (PES), Polyurethanen (PUR), ungesättigten Polyestern (UP), teilvernetzten (bi-stage) duroplastische Polymere, funktionalisierten Varianten der genannten Polymere und Mischungen davon.
Die teilvernetzten (bi-stage) Polymere erhalten ihre finalen Eigenschaften abschließend durch chemisch, thermisch und/oder photolytisch initiierte Polymerisation.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist der mindestens eine elastomere Kunststoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Naturkautschuken (NR), Silicon-Kautschuken (SIR), Silicon-Butadien-Kautschuken (SBR), Polyvinylbutyralen (PVB), Polyisobutylenen (PIB), Isopren-Kautschuken (IR), Ethylenvinylacetaten (EVA), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuken (EPDM), Ethylen-Propylen-Copolymeren (EPM), Ethylen-Ethylacrylat- Copolymeren (E/EA), Chloropren-Kautschuken (CR), Butadien-Kautschuken (BR), Acrylnitril/ Methylmethacrylaten (A/MMA), Butylkautschuken (IIR), Styrol-Butadien-Styrolen (SBS), Polyether-Block-Amiden (PEBA), funktionalisierten Varianten und Mischungen davon.
Für die vorliegende Erfindung wird in einer Alternative ein Halbzeug eingesetzt, wobei der mindestens eine elastomere Kunststoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Naturkautschuken (NR), Silicon-Kautschuken (SIR), Silicon-Butadien-Kautschuken (SBR), Polyvinylbutyralen (PVB), Polyisobutylenen (PIB), Isopren-Kautschuken (IR), Ethylenvinylacetaten (EVA), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuken (EPDM), Ethylen-Propylen-Copolymeren (EPM), Ethylen-Ethylacrylat- Copolymeren (E/EA), Chloropren-Kautschuken (CR), Butadien-Kautschuken (BR), Acrylnitril/ Methylmethacrylaten (A/MMA), Butylkautschuken (IIR), Styrol-Butadien-Styrolen (SBS), Polyether-Block-Amiden (PEBA), funktionalisierten Varianten und Mischungen davon.
Als Kunststoffschicht können auch FGL-Polymere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA), Polyurethan-Schaum, EVA-Schaum, thermoplastischen Polyurethanen, beispielsweise TPU 262A, Polybenzoxazine, Polycaprolactone und Mischungen davon eingesetzt werden.
Für alle genannten, erfindungsgemäß einsetzbaren Polymere gilt, dass diese ebenfalls als Mischungen, Compounds sowie Polymere, die durch Zuschlagstoffe funktionalisiert sind, eingesetzt werden können. Durch Zuschlagstoffe kann die Wärme- und/oder elektrische Leitfähigkeit oder beispielsweise die Schweißbarkeit eingestellt werden. Das Halbzeug weist als Kunststoffschicht das sich daraus ergebende Reaktionsprodukt auf, welches auch noch Anteile der Edukte enthalten kann.
Die auf dem Metallblech stoffschlüssig aufgebrachte thermoplastische, duroplastische oder elastomere Kunststoffschicht weist eine Dicke im Bereich von mindestens 0,01 mm, bevorzugt 0,02 mm, besonders bevorzugt mindestens 0,025 mm, 0,05 mm, 0,04 mm, 0,05 mm bis maximal 1,2 mm, vorzugsweise maximal 1,0 mm, 0,9 mm, 0,8 mm, 0,7 mm, 0,6 mm, 0,5 mm, besonders bevorzugt maximal 0,4 mm, 0,5 mm, 0,2 mm, 0,1 mm.
Das stoffschlüssige Aufbringen der mindestens einen thermoplastischen, duroplastischen oder elastomeren Kunststoffschicht auf dem Metallblech kann im Prinzip nach allen dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen. Bevorzugt erfolgt das Aufbringen durch kontinuierliche oder diskontinuierliche Verfahren, wobei Stahlbänder und/oder Tafeln verarbeitet werden können. Beispielhaft seien Verfahren genannt unter Verwendung einer Plattenpresse, einer Laminieranlage, eines Kalanders, einer Doppelbandpresse oder einer Bandbeschichtungsanlage. Solche Verfahren sind dem Fachmann an sich bekannt und in WO 2015/032623 A1 beschrieben.
Das erfindungsgemäß einzusetzende Halbzeug weist zumindest im Bereich der Kunststoffschicht eine die Haftung der Kunststoffschicht verbessernde Oberfläche auf. Um eine solche Oberfläche zu erhalten, kann das Metallblech einer entsprechenden Oberflächenbehandlung unterworfen werden.
Eine modifizierte Oberfläche im Sinne der Erfindung ist das Ergebnis einer Oberflächenbehandlung. Bei der Oberflächenbehandlung kann es sich um eine Plasmabehandlung, Plasmabeschichtung, Koronabehandlung oder das Auftragen einer Schicht handeln. Das Auftragen einer Schicht kann mit jedem dem Fachmann bekannten und für die Schicht und für die Oberfläche des Metallblechs geeigneten Verfahren durchgeführt werden, bevorzugt mittels eines Verfahrens ausgewählt aus der Gruppe enthaltend oder bestehend aus Gasphasenabscheidung, Spritzen, Lackieren, Tauchlackierung, Schmelztauchen, Schlitzdüsenbeschichten, Rakelbeschichten, Tauchbeschichten, Sprühbeschichten, Walzbeschichten, Galvanisieren, thermisches Spritzen, Coil Coating, Dip Coating und Pulverbeschichten, bevorzugt Coil-Coating-, Dip- oder Dropcoating-Verfahren, besonders bevorzugt Coil-Coating-Verfahren, beispielsweise mittels einer Applikation mit Hilfe von Walzen als Coaterwalzen und/oder als Abquetschwalzen.
Aufgrund der oben genannten Oberflächenbehandlung oder Auftragen einer Schicht ist die modifizierte Oberfläche, also die Grenzfläche des Metallblechs oder Kontaktfläche, eine die Haftung der Kunststoffschicht verbessernde Oberfläche. Die Oberfläche des Metallblechs liegt so modifiziert vor, dass sie im Vergleich zu einer Oberfläche ohne diese Modifikation, eine bessere Haftung der Kunststoffschicht gewährleistet.
In einer Alternative ist die modifizierte Oberfläche eine gereinigte Oberfläche. Die Reinigung erfolgt mit einem dem Fachmann bekannten Verfahren.
In einer weiteren Alternative ist die modifizierte Oberfläche als Grenzfläche (Kontaktfläche) der Metall-Komponente, die auch als Grenzschicht ausgebildet sein kann, nachweisbar. Bei der modifizierten Oberfläche handelt es sich in dieser Alternative nicht um eine Metalloberfläche bzw. Phase die in allen Eigenschaften identisch zu jener der Metall-Komponente ist. Vielmehr liegt eine der Metall-Komponente zuzuordnende, nachweisbare Grenzfläche auf der Metall-Komponente vor, welche aufgrund einer durchgeführten Modifikation andere Eigenschaften aufweist als eine nichtbehandelte Metallblechoberfläche. Eine Reinigung, also das Entfernen von Verunreinigungen, entspricht in dieser Alternative nicht einer Verbesserung der Oberfläche, da durch die Reinigung keine Modifikation der Grenzfläche stattfindet und somit auch keine nachweisbare, modifizierte Oberfläche vorliegt.
In einer Ausführung wird auf das Metallblech, unmittelbar oder auf eine wie oben beschriebene modifizierte Oberfläche, eine die Haftung der Kunststoffschicht verbessernde Schicht aufgetragen. Bevorzugt wird dazu das Metallblech zumindest in einem Kontaktbereich zur Kunststoffschicht mit einer wässerigen Konversionszusammensetzung in Kontakt gebracht, die Zink, Mangan und Phosphorpentoxid enthält.
Das Auftragen der wässrigen Konversionszusammensetzung kann mit dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt werden, bevorzugt mittels eines Verfahrens ausgewählt aus der Gruppe enthaltend oder bestehend aus Spritzen, Schlitzdüsenbeschichten, Rakelbeschichten, Tauchbeschichten, Sprühbeschichten, Walzbeschichten und Coil-Coating. Anschließend wird der hiermit hergestellte Flüssigkeitsfilm aufgetrocknet, sodass eine Schicht ausgebildet wird.
In einer Alternative wird, in einem wie oben beschriebenen Verfahren, eine nasschemische Konversionszusammensetzung für alle gängigen Metallsubstrate in einer dünnen haftvermittelnden Konversionsbeschichtung aufgebracht. In einer Alternative wird das Metallblech mit einer wässerigen Konversionszusammensetzung in Kontakt gebracht wird, die enthält: 0,5 bis 20 g/L Zink, 0,01 bis 10 g/L Mangan, 0,01 bis 10 g/L Aluminium, 0,01 bis 1 g/L Chrom(lll), 0,01 bis 5 g/L Eisen(ll), 0,01 bis 5 g/L Eisen(lll) oder/und 0,01 bis 5 g/L Magnesium, 0 oder 0,01 bis 5 g/L der Summe an Nickel oder/und Kobalt, 0 oder 0,01 bis 5 g/L der Summe an Molybdän, Tantal, Vanadium oder/und Wolfram, 2 bis 100 g/L P2O5, die 2,68 bis 133,8 g/L PO4 entsprechen, 0,1 bis 10 g/L Polyacrylsäure, jedoch nicht mehr als 25 % des Gehalts der Zusammensetzung an P2O5 in g/L, und 0 oder 0,01 bis 3 g/L Silan, jedoch nicht mehr als 25 % des Gehalts der Zusammensetzung an P2O5 in g/L.
In einer weiteren Alternative ist die Konversionszusammensetzung Chrom-frei, die Chrom-Konzentration liegt mithin unterhalb der Nachweisgrenze oder ist so gering, dass sie die in der Stahlherstellung und/oder Beschichtung von Blechen gültige Standards im Bereich Health, Safety & Environment (HSE) erfüllt. Die Konversionsbeschichtungsverfahren kann alternativ ohne einen Aktivierungsschritt mit einem kolloidalen Titanphosphat oder mit einem Oberflächenkonditionierungsmittel (Surface Conditioner) auf Basis von Phosphatpartikeln erfolgen. Die wässerige Konversionszusammensetzung kann vorzugsweise auch 0,001 bis 20 g/L oder 0,2 bis 10 g/L an mindestens einem weiteren wasserlöslichen und/oder wasserdispergierbaren organischen Polymer/Copolymer neben Polyacrylsäure enthalten. In einer weiteren Alternative ist die resultierende Konversionsschicht vorzugsweise völlig röntgenamorph oder röntgenamorph mit geringen kristallinen Anteilen. Die Konversionsbeschichtung kann in vielen Ausführungsvarianten weitgehend oder gänzlich amorph ausgebildet sein und weder Partikel, noch feinste Hohlräume mit bloßem Auge erkennbar zeigen.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weisen beide Seiten des Metallblechs zumindest Bereiche mit einer Kunststoffschicht auf. Mindestens in diesen Bereichen weist die Oberfläche des Metallblechs eine die Haftung der Kunststoffschicht verbessernde Oberfläche auf.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht die Seite des Metallblechs, auf welcher sie aufgebracht ist, nicht vollflächig, sondern partiell, also bereichsweise bzw. zumindest in einem Bereich, der kleiner als die Oberfläche einer Seite des Metallblechs ist, bedeckt. Dies spart Materialkosten und trägt zu einer optimierten Gewichtseinsparung bei.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbzeugs besteht darin, dass auf beiden Seiten des Metallblechs jeweils eine thermoplastische, duroplastische oder elastomere Kunststoffschicht vorliegen.
Eine weitere Ausführung betrifft ein Metallblech, welches vollflächig ein- oder beidseitig eine Kunststoffschicht wie oben beschrieben aufweist. Einzelne Bereiche aber auch Seiten sind in einer Alternative mit unterschiedlichen Kunststoffen beschichtet.
In einer weiteren Ausführung ist die Kunststoffschicht als Koppelschicht zur stoffschlüssigen, klebstofflosen Anbindung mindestens eines aus Kunststoff hergestellten oder herzustellenden Strukturkörpers ausgebildet.
Die Strukturkörper können über die gesamte Höhe des Bauteils ausgebildet sein, oder eine genau definierte Höhe besitzen. Ferner können Sie lediglich in bestimmten, definierten Sektoren der Innen- und/oder Außenfläche des Bauteils angebracht sein, oder über den gesamten inneren und/ oder äußeren Umfang.
Bei Anbindung eines Strukturkörpers erfüllt die Kunststoffschicht die Funktion, sich mit einer Vielzahl von anderen Kunststoffen zuverlässig, ohne Aufbringen von Klebstoff, stoffschlüssig zu verbinden. Hierzu werden bevorzugt die gängigen Kunststoffverfahren eingesetzt. Im Spritzgussprozess oder beim thermischen Pressen wird hierzu beispielsweise die Energie der Kunststoffschmelze genutzt, um die Oberfläche der Koppelschicht zu aktivieren und den Stoffschluss herzustellen. Nach Abkühlung der Schmelze liegt ein perfekter Verbund zwischen der Kunststoffschicht und dem angespritzten Kunststoff als Strukturkörper vor. Bei dem angespritzten Kunststoff kann es sich nicht nur um thermoplastischen Kunststoff, sondern auch um duroplastischen Kunststoff und/oder um einen Kunststoff aus dem Bereich der Elastomere handeln. In einer Alternative kann jeder der oben als Kunststoffschicht beschriebenen Kunststoffe als Strukturkörper eingesetzt werden, beliebige Kombinationen sind mithin möglich. Weiterhin ist es möglich, durch Plasma- oder Coronavorbehandlung vor dem Spritzgießprozess die Kunststoffschicht zusätzlich zu aktivieren, um das Spektrum der einsetzbaren Kunststoffe zu erweitern. In einer Alternative wird für die Kunststoffschicht und den Strukturkörper der gleiche Kunststoff verwendet.
Die Erfindung betrifft mithin auch ein Verfahren, in welchem ein Strukturkörper aus Kunststoff, ohne Aufbringen von Klebstoff, stoffschlüssig im Spritzgussprozess oder im thermischen Pressen an die Koppelschicht angebracht wird.
In einer Alternative ist die Kunststoffschicht und/oder der Strukturkörper ein Faser-Polymer Verbundsystem enthaltend oder bestehend aus einem der oben genannten Kunststoffe sowie mindestens ein Fasermaterial. Das Fasermaterial ist ausgewählt aus der Gruppe enthaltend oder bestehend aus Karbonfasern, Glasfasern, Naturfasern, Aramidfasern, Polymerfasern, Metallfasern, Keramikfasern, mineralische Fasern, recycelte Fasern oder deren Mischungen. Hierbei ist ferner der Einsatz als Kurzfaser, Langfaser und/oder als Endlosfaser vorstellbar. Insbesondere können die Fasern als Roving, Matte, Gewebe, Vlies, Tape und/oder Gelege bereitgestellt werden. Gemäß einer kumulativen oder alternativen Ausführungsform des Halbzeugs weist die Schicht aus Faser-Polymerverbundsystem zumindest bereichsweise variierende geometrische, elektromagnetische, dämpfende und/oder mechanische Eigenschaften auf. Die Schicht aus Faser-Polymerverbundsystem kann bereichsweise unterschiedliche Dicken und/oder Materialien aufweisen. Unterschiedliche Materialien in der Schicht aus dem Faser-Polymerverbundsystem können in der Dicke, Breite und/oder Länge hinsichtlich der verschiedenen Polymermatrix- und/oder Fasermaterialien (z. B. Karbon-, Glasfasern etc.) nebeneinander und/oder übereinander variieren. Des Weiteren können bereichsweise die Faserarten (z. B. Gelege, Gewebe, Vlies etc.) und/oder die Anordnung der Fasern (z. B. Atlas-, Köper-, Leinwandbindung etc.) und/oder der Ausrichtungswinkel der Fasern, insbesondere der Faservolumenanteil respektive die Faserdichte variieren. Kumulativ kann die Schicht aus dem Faser-Polymerverbundsystem zumindest bereichsweise einen Füllstoff aufweisen. Als Füllstoffe können insbesondere organische und/oder anorganische Partikel, Karbon-Nanotubes, Graphene-Nanoplatelets, Füllkugeln, Hohlkugeln oder deren Mischungen, insbesondere bereichsweise zur Erhöhung der Festigkeit, verwendet werden. Insbesondere können auch bereichsweise faserfreie Bereiche in dem Faser-Polymerverbundsystem vorgesehen sein. Die Eigenschaften, wie z. B. Leitfähigkeit, elektromagnetische, akustische, thermische Abschirmung und/oder Dämpfung, Steifigkeit, Festigkeit und/oder Impactverhalten, des Halbzeugs respektive des herzustellenden Bauteils können dadurch kumulativ oder alternativ zu der variierenden Ausführung der metallischen Schicht gezielt positiv beeinflusst werden. Weitere Details können der WO 2018/141982 A1 entnommen werden.
Weitere Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein dreidimensional geformtes, druckgewalztes Hybridbauteils im Metall/Kunststoffverbund das mindestens ein platinen- oder bandförmiges Metallblech und mindestens eine auf dem Metallblech stoffschlüssig, bevorzugt vollflächig aufgebrachte Kunststoffschicht aufweist. Bevorzugt wird das Hybridbauteil mit dem erfindunsgemäßen Verfahren hergestellt, wie oben beschrieben.
In einer Ausführung wird das erfindungsgemäße Hybridbauteil aus einem rondenförmigen oder vorgeformten Halbzeug hergestellt.
In einer weiteren Ausführung ist das Hybridbauteils KTL-beschichtbar oder beschichtet.
Eine Ausführung betrifft ein Hybridbauteil bei welchem die Kunststoffschicht ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend thermoplastische, duroplastische oder elastomere Kunststoffe. Dabei handelt es sich um die oben beschriebenen Kunststoffe.
In einer Ausführung weist das Hybridbauteils auf der Kunststoffschicht mindestens einen, in stoffschlüssiger, klebstoffloser Anbindung aus Kunststoff hergestellten Strukturkörpers auf.
Bei den erfindungsgemäßen Hybridteilbauteilen bzw. den erfindungsgemäß hergestellten Hybrid- bauteilen handelt es sich bevorzugt um Zylinder, Behälter ausgewählt aus der Gruppe enthaltend oder bestehend aus Laugenbehälter, Waschmaschinenbehälter, Druck Behälter oder Druckspeicher, Milchkannen; Felgen, Naben, Zahnräder, Reflektoren, Rotorträger, Blechblasinstrumente oder Zentrifugen. Ferner handelte sich um Lager, vorzugsweise Gleitlager und/oder um Gehäuse, insbesondere Antriebsmotorgehäuse wie zum Beispiel Elektromaschinen.
Das erfindunsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Hybridteilbauteilen bzw. die erfindungsgemäß hergestellten Hybridbauteilen bieten gegenüber mit anderen Verfahren hergestellten Bauteile mindestens einen der folgenden Vorteile:

- Es werden dieselben Maschinen und ähnliche Prozessparameter wie für monolithische Bauteile eingesetzt.
- Es erfolgt eine materialschonende Umformung; dadurch wird eine Delamination vermieden.
- Die Herstellung von Hybrid-Bauteilen aus schwerumformbaren Metallen ist möglich.
- Es sind höhere Umformgrade im Vergleich zum Tiefziehen möglich.
- Es fallen geringere Werkzeugkosten im Vergleich zum Tiefziehen an; dadurch eignet sich das Verfahren für Kleinserien.
- Es wird eine größere Geometrievariabilität, wie z. B. Herstellung von Hinterschnitten, und eine größere Designfreiheit gewährleistet, da das umgeformtes Bauteil bereits vor dem Anbringen von Strukturkörper komplexere Formen aufweist im Vergleich zu Verfahren des Standes der Technik.
- Die Fertigungskosten sind geringer gegenüber nachträglichem Anbringen einer Kunststoffschicht.
- Bei beidseitig auf dem Metallblech angeordnete Kunststoffschicht, ist das Anbringen von Strukturkörper auf beiden Seiten möglich; dadurch können komplexe Hybridbauteile hergestellt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

1 Querschnitt eines Hybridbauteils mit Strukturkörper nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine gegenüber 1 andere Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt schematisch (nicht maßstabgetreu) den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Hybridbauteils hergestellt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Dargestellt ist ein Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Hybridbauteils 1 zur Herstellung eines dreidimensional geformten Hybridbauteils im Metall/Kunststoffverbund. Das Hybridbauteil 1 ist in der Form eines Kegelstumpfes ausgebildet. Es weist mindestens ein platinen- oder bandförmiges Metallblech 2, beispielsweise Stahlblech, und mindestens eine, mindestens bereichsweise auf dem Metallblech 2 stoffschlüssig ohne Klebstoff aufgebrachte thermoplastische Kunststoffschicht 3 auf. Die Seite des Metallblechs 2, auf der die Kunststoffschicht 3 aufgebracht ist, besitzt eine die Haftung der Kunststoffschicht verbessernde Oberfläche (Grenzfläche) 4. Hierzu wurde das Metallblech einer entsprechenden Oberflächenbehandlung unterworfen. Die Haftung der Kunststoffschicht 3 ist so hoch, dass es beim Umformen des Halbzeuges makroskopisch keine Delamination der Kunststoffschicht 3 vom Metallblech 2 feststellbar ist.
Die stoffschlüssig auf das Metallblech aufgebrachte thermoplastische Kunststoffschicht 3 dient als Koppelschicht zur stoffschlüssigen, klebstofflosen Anbindung mindestens eines aus Kunststoff hergestellten oder herzustellenden Strukturkörpers 5.
Mit A ist die Rotationsachse gekennzeichnet. Der oder die Strukturkörper 5 sind in dieser Alternative innen, also auf der Innenseite des Hybridbauteils 1 ausgebildet. Sie können über die gesamte Höhe des Bauteils ausgebildet sein, oder wie hier dargestellt eine genau definierte Höhe besitzen. Ferner können Sie lediglich in bestimmten, definierten Sektoren der Innenfläche des Bauteils angebracht sein, oder wie hier dargestellt über den gesamten inneren Umfang.
Bei dem in 2 schematisch dargestellten Hybridbauteil 1 ist die als Koppelschicht dienende thermoplastischen Kunststoffschicht 3 im Gegensatz zu 1 Außen, also auf der Außenfläche des Hybridbauteils aufgebracht. Mithin sind auch die Strukturkörper außen angeordnet. Die Kennzeichnung ist identisch mit jener der 1. Die Strukturkörper können über die gesamte Höhe des Bauteils ausgebildet sein, oder wie hier dargestellt eine genau definierte Höhe besitzen. Ferner können Sie lediglich in bestimmten, definierten Sektoren der Außenfläche des Bauteils angebracht sein, oder wie hier dargestellt über den gesamten äußeren Umfang.
Die einzelnen Parameter für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Hybridbauteil sind abhängig sind vom Durchmesser Bauteils und der Wanddicke.
Es wurden Kegelproben aus einem tiefziehfähigen, platinen- oder bandförmigen Halbzeug, mit Blech in einer Dicke von 1 mm, einseitig beschichtet mit einer Kunststoffschicht aus einem Compound auf Basis von PA/PE wie oben beschrieben, mittels Drückwalzen unter Verwendung eines Kühlschmiermittels hergestellt. Dabei lag in einem Beispiel die Kunststoffschicht außen, also an den Drückrollen an, die Metallschicht mithin innen; in einem weiteren Beispiel lag die Metallstoffschicht außen, also an den Drückrollen an, die Kunststoffschicht mithin innen. Das Drückwalzen erfolgte mittels einer Maschine VUD600 von WF Maschinenbau aus 2016, mit einer Drehzahl von 350 U/min und mit den Vorschüben von 170 und 340 mm/min.
Die maximale Abstreckung betrug 40 %.
Makroskopisch konnte keine Delamination der Kunststoffschicht und auch keine Risse in der Kunststoffschicht festgestellt werden.
Bezugszeichenliste

A -: Rotationsachse
1 -: Hybridbauteil
2 -: Metallblech
3 -: Kunststoffschicht
4 -: eine die Haftung der Kunststoffschicht verbessernde Oberfläche
5 -: Strukturkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017211832 A1 [0002]
DE 102014101972 A1 [0002]
US 2001/0035036 A1 [0002]
DE 102013101555 B3 [0002]
DE 102013106268 A1 [0002]
EP 1651432 B1 [0043]
WO 2015/032623 A1 [0055]
WO 2018/141982 A1 [0073]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 20482 [0012]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensional geformten Hybridbauteils im Metall/Kunststoffverbund, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: i) Bereitstellen eines tiefziehfähigen, streckziehfähigen, platinen- oder bandförmigen Halbzeugs, das mindestens ein platinen- oder band-förmiges Metallblech und mindestens eine auf dem Metallblech stoffschlüssig aufgebrachte Kunststoffschicht aufweist, ii) Umformung des Metall/Kunststoffverbundes zum dreidimensional geformten Hybridbauteil mittels eines Drückwalzverfahrens.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei als Verfahren Zylinder- oder Projizier-Drückwalzen eingesetzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kunststoffschicht werkzeugseitig auf dem Metallblech oder auf der dem Werkzeug abgewandten Seite des Metallblechs angeordnet ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein rondenförmiges oder vorgeformtes Halbzeug bereitgestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest bereichsweise ein zu einer Symmetrieachse vollständig rotationssymmetrisches Hybridbauteil geformt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbzeug KTL-beschichtbar oder -beschichtet ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kunststoffschicht ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend thermoplastische, duroplastische oder elastomere Kunststoffe.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Seite des Metallblechs, auf welcher die Kunststoffschicht aufgebracht ist, eine die Haftung der Kunststoffschicht verbessernde Oberfläche aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kunststoffschicht als Koppelschicht zur stoffschlüssigen, klebstofflosen Anbindung mindestens eines aus Kunststoff hergestellten oder herzustellenden Strukturkörpers ausgebildet ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Strukturkörper aus Kunststoff, ohne Aufbringen von Klebstoff, stoffschlüssig im Spritzgussprozess oder im thermischen Pressen an die Koppelschicht angebracht wird.
Dreidimensional geformtes, druckgewalztes Hybridbauteil im Metall/Kunststoffverbund, das mindestens ein platinen- oder band-förmiges Metallblech und mindestens eine auf dem Metallblech stoffschlüssig, bevorzugt vollflächig aufgebrachte Kunststoffschicht, aufweist.
Hybridbauteil gemäß Anspruch 11, das KTL-beschichtbar oder -beschichtet ist.
Hybridbauteil gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Kunststoffschicht ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend thermoplastische, duroplastische oder elastomere Kunststoffe.
Hybridbauteil gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, das auf der Kunststoffschicht in stoffschlüssiger, klebstoffloser Anbindung mindestens einen aus Kunststoff hergestellten Strukturkörper aufweist.
Hybridbauteil gemäß Anspruch 14, wobei der Kunststoff des Strukturkörpers ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend thermoplastische, duroplastische oder elastomere Kunststoffe.