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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines zumindest teilweise mit einer Kunststoffschicht überzogenen, geschweißten Metallbauteils, welches durch Schweißverbinden von mindestens zwei metallischen Einzelteilen mittels Schweißlasereinrichtung hergestellt ist.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf Bauteile der Kraftfahrzeugtechnik. So werden beispielsweise bei Elektromotoren, welche bei Intank-Kraftstoffpumpen eingesetzt werden, üblicherweise Anker mit einer Polymerschicht umspritzt, beispielsweise mit Polyoxymethylen, um Wirbelverluste zu minimieren. Andere metallische Bauteile, auf welche eine Kunststoffumspritzung aufgebracht wird, sind elektrische Steckkontakte, Beschriftungsflächen für metallische Bauteile, Korrosionsschutzschichten gegenüber aggressiven Medien, Komponenten eines Kraftstoff-Direkteinspritzungssystems und dergleichen. Metallbauteile der hier interessierenden Art werden beim Herstellungsprozess aus verschiedenen Einzelteilen zusammengesetzt und miteinander verschweißt.
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Ohne eine Vorbehandlung der metallischen Bauteiloberfläche ist dabei kein haftfester Kunststoff-Metall-Verbund im Rahmen einer nachträglichen Kunststoffumspritzung herstellbar. Oftmals müssen zum Erreichen einer ausreichenden Dichtheit des Kunststoff-Metall-Verbundes gegenüber äußeren Medieneinflüssen oder zur Einleitung von Betriebskräften zusätzliche Geometrien aufwendig in das Metallteil eingebracht werden, wie beispielsweise Hinterschnitte, Labyrinth-Dichtungen, Nuten, Verzahnungen und dergleichen.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2011 058 674 A1 geht ein aus mehreren metallischen Einzelteilen zusammengeschweißtes Bauteil, hier in Form eines Ankers für eine elektrische Maschine, hervor, dessen zylindrische Außenmantelfläche mit einer Polymerschicht bedeckt ist, wobei die Außenmantelfläche an einem Grenzbereich der Polymerschicht zu einem nicht beschichteten Bereich eine Mikrostrukturierung aufweist. Diese Mikrostrukturierung besteht vornehmlich aus einer unregelmäßigen Struktur, welche durch punktuelles Verdampfen und Kondensieren einer Metall- und Duroplast-Oberfläche erzeugt ist. Dabei kann diese Mikrostrukturierung mittels eines Lasers aufgebracht werden, dessen Spezifikation jedoch nicht näher dargelegt ist.
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Gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik kann das Oberflächenbearbeiten eines Metallbauteils für eine nachträgliche Kunststoffbeschichtung durch einen so genannten Ultrakurzpulslaser erfolgen, welcher eine Art unregelmäßige Blumenkohlstruktur auf der Oberfläche des Metallbauteils erzeugt, die eine hinreichende Haftgrundlage für die Kunststoffschicht bildet. Hierfür ist diese spezielle Laserstrahlquelle inklusive einer geeigneten Bearbeitungsstation mit in den Herstellungsprozess zu integrieren.
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Alternative hierzu ist es gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik auch möglich, andere formgebende Verfahren - beispielsweise Fräsen, Drehen, Schleifen - zur Oberflächenbearbeitung des Metallbauteils zu nutzen, derart, dass diese spanenden Werkzeuge Oberflächenstrukturen schaffen, welche einen Formschluss mit dem anschließend aufzubringenden Kunststoff ermöglichen, beispielsweise durch Einfräsen von Nuten zur Realisierung einer LabyrinthDichtung. Auch hierfür ist ein zusätzlicher Arbeitsschritt mit entsprechendem Werkzeugaufwand erforderlich.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines kunststoffüberzogenen, zuvor geschweißten Metallbauteils zu schaffen, dessen Kunststoffschicht sich in fertigungstechnisch einfacher Weise in einem dauerfesten Gesamtverbund herstellen lässt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird auf den Anspruch 6 verwiesen. Der weiterhin nebengeordnete Anspruch 10 gibt eine neuartige Verwendung eines Schweißwerkzeugs an.
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Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass nach einem Schweißverbinden von mindestens zwei metallischen Einzelteilen zu einem geschweißten Metallbauteil mittels einer Schweißlasereinrichtung ein Oberflächenbearbeiten zumindest eines Teils der Oberfläche des geschweißten Metallbauteils durch dieselbe oder eine andere Schweißlasereinrichtung zur Erzeugung einer für einen Formschluss mit der Kunststoffschicht geeignet hinterschnittbehafteten rauen Oberflächenstruktur erfolgt, wonach dann ein Beschichten des Metallbauteils mit einem Kunststoff zur Bildung einer formschlüssig mit der rauen Oberflächenstruktur verbundenen Kunststoffschicht durchgeführt wird.
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Es sei darauf hingewiesen, dass das Oberflächenbearbeiten auch vor dem Schweißverbinden erfolgen kann. Wesentlich für die erfindungsgemäße Lösung ist jedoch die fertigungstechnische Maßnahme, dass die gewöhnlich zum Schweißen von Bauteilen vorgesehene Schweißlasereinrichtung nun ungewöhnlicher Weise für eine Oberflächenbearbeitung zwecks Erzeugung einer für einen Formschluss mit der Kunststoffschicht geeigneten, rauen Oberflächenstruktur verwendet wird, wofür gemäß des bislang bekannten Standes der Technik andere, spezifische Werkzeuge verwendet wurden. Die speziell raue, formschlüssig wirkende Oberflächenstruktur zeichnet sich durch mikroskopische Hinterschnitte aus, die eine vorzugsweise pilzförmige Gestalt bilden. Hierdurch wird ein Verhaken mit der Kunststoffschicht möglich.
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Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass die Größe des Bildfeldes des Scanners von Schweißlasereinrichtungen, vorzugsweise Single-Mode-Faserlasern, auch dafür geeignet sind, von der Schweißnaht weiter entfernte Stellen am Werkstück zu bearbeiten. Somit besteht der Kern der Erfindung darin, dass eine veränderte Metalloberfläche durch einen Schweißlaser erzeugt wird, wodurch nachfolgend eine formschlüssige Kunststoff-Metall-Verbindung mit entsprechend verbesserten Eigenschaften des Gesamtverbunds erzeugt werden kann, und zwar hinsichtlich einer hohen Dichtheit, einer verbesserten Aufnahme äußerer Kräfte und eine Vermeidung von Relativbewegungen der Werkstückkomponenten.
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Um eine geeignet formschlüssig wirkende raue Oberflächenstrukturierung am Metallbauteil zu erzeugen, erfolgt das Oberflächenbearbeiten mit der Schweißlasereinrichtung vorzugsweise derart, dass durch eine programmierbare Strahloszillation eine Art Wobbelbewegung durchgeführt wird. Diese Wobbelbewegung stellt eine räumlich schnelle Strahloszillation dar, wobei sich der Laserstrahl beispielsweise auf einer Kreisbahn, einer achtförmigen Bahn oder einer elliptischen Bahn bewegt. Auch andere sprunglos wiederholbare Bahnformen sind denkbar. Hierdurch wird bei geeigneter Einstellung der Prozessparameter, wie Strahlstärke, Strahlfokussierung, Bearbeitungsgeschwindigkeit und dergleichen die erfindungsgemäße formschlussgeeignete Oberflächenstrukturierung erzielt, welche mit Hinterschnittbereichen versehen ist. Im Prinzip entsteht durch die Strahloszillation eine räumliche Verschiebung der Schmelze, um wulstartige Strukturen mit Hinterschnitt zu erzeugen, die eine vorzugsweise pilzförmige Gestalt aufweisen. Diese Hinterschnittbereiche dienen als Fixpunkt für eine nachfolgende Umspritzung des Metallbauteils, um den Bauteilverbund im vorstehend beschriebenen Sinne zu verbessern.
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Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme kann die von der Schweißlasereinrichtung zur Oberflächenbearbeitung erzeugte Wobbelbewegung mit einer zusätzlichen Vorschubbewegung entlang der Oberfläche des Metallbauteils überlagert werden. Hierdurch kann das Metallbauteil fest eingespannt werden und bedarf keiner die Vorschubbewegung werkstückseitig ausführenden Zusatzvorrichtung.
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Das vorstehend allgemein beschriebene Verfahren lässt sich in einfacher Weise mit einer Vorrichtung durchführen, welche im Prinzip nur aus der Schweißlasereinrichtung und einer Kunststoffbeschichtungseinrichtung besteht.
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Die Schweißlasereinrichtung dient zum Schweißverbinden der metallischen Einzelteile zu einem geschweißten Metallbauteil sowie zum Oberflächenbearbeiten zumindest eines Teils der Oberfläche des Metallbauteils vor oder nach dem Schweißen zur Erzeugung einer für einen Formschluss geeigneten, rauen Oberflächenstruktur umfasst. Dieser Schweißlasereinrichtung ist die Kunststoffbeschichtungseinrichtung beigeordnet, um anschließend eine zumindest teilweise Beschichtung des geschweißten und oberflächenstrukturierten Metallbauteils mit einem Kunststoff durchzuführen. Hierdurch lässt sich eine dauerhaft formschlüssig mit der rauen Oberflächenstruktur verbundene Kunststoffbeschichtung erschaffen.
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Die Kunststoffbeschichtungseinrichtung kann dabei im Rahmen einer Produktionslinie der Schweißlasereinrichtung direkt nachfolgend angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, eine ortsferne Kunststoffbeschichtung des hierfür vorbereiteten Metallbauteils durchzuführen. An dieser Stelle sei noch einmal darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Lösung natürlich nur dann besonders effizient ist, wenn eine Schweißlasereinrichtung ohnehin zur stoffschlüssigen Verbindung von metallischen Einzelteilen vorgesehen ist, so dass die erfindungsgemäße Lösung im Prinzip eine Funktionserweiterung im Hinblick auf eine Oberflächenbearbeitung zur nachfolgenden Kunststoffbeschichtung darstellt.
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Besonders geeignet hierfür erweisen sich Single-Mode-Faserlaser, mit welchen sich auf der Oberfläche des Metallbauteils gewöhnlich eine Spotgröße von 20 bis 40 µm, vorzugsweise ca. 30 µm erzeugen lässt. Versuche mit einem Single-Mode-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm in Kombination mit einem Scanner haben eine für die Oberflächenbearbeitung ausreichend schnelle Strahlablenkung erbracht. Als Prozessparameter kommt vorzugsweise eine Laserleistung von 150 bis 200 W, eine Drehgeschwindigkeit zwischen 1 bis 5 Umdrehungen pro Sekunde in Verbindung mit einer Scan-Geschwindigkeit des Scanners zwischen 2 bis 8 m pro Sekunde in Betracht. Die Laserquelle kann dabei unter einem beliebigen Schutzgas, wie Helium, Stickstoff oder Argon betrieben werden.
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Zum Beschichten kommt eine Kunststoffbeschichtungseinrichtung in Betracht, welche vorzugsweise einen Kunststoff verarbeitet, der ausgewählt ist aus einer der Kunststoffgruppen: Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere. In vorteilhafter Weise eignet sich die erfindungsgemäße Oberflächenstrukturierung also für mehrere Kunststoffgruppen, welche je nach Beschichtungszweck auszuwählen sind.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit Schweißlasereinrichtung und Kunststoffbeschichtungseinrichtung, und
- 2 einen schematischen Querschnitt durch das kunststoffüberzogene, geschweißte Metallbauteil, hergestellt mit einer Vorrichtung nach 1.
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Gemäß 1 besteht eine Vorrichtung zur Herstellung eines aus zwei metallischen Einzelteilen 1a und 1b geschweißten Metallbauteils 2 mit der Möglichkeit, anschließend eine Kunststoffschicht 3 aufzubringen, im Wesentlichen aus einer Schweißlasereinrichtung 4 zum Schweißverbinden A der beiden zylindrischen metallischen Einzelteile 1a und 1b zu einem geschweißten Metallbauteil 2.
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Mit derselben Schweißlasereinrichtung 4 erfolgt anschließend ein Oberflächenbearbeiten B des vorderen Teils der Oberfläche des geschweißten Metallbauteils 2 zur Erzeugung einer für einen Formschluss geeigneten, rauen Oberflächenstruktur 5. Hierzu wird das rotationsymmetrische Metallbauteil 2 drehend um die Längsachse bewegt. Das Oberflächenbearbeiten B erfolgt durch eine Strahloszillation mit der Schweißlasereinrichtung 4 zur Erzeugung einer hier durch Drehpfeil angedeuteten Wobbelbewegung entlang einer Kreisbahn.
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Nach der Schweißlaserbearbeitung erfolgt ein Beschichten C des geschweißten und oberflächenstrukturierten Metallbauteils 2 mit einer formschlüssig über die raue Oberflächenstruktur 5 verbundenen Kunststoffschicht 3, ausgeführt in einer an sich bekannten Kunststoffbeschichtungseinrichtung 6.
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Gemäß 2 entsteht nach Durchführung des Verfahrens unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung das hier schematisch dargestellte mit der Kunststoffschicht 3 überzogene, geschweißte Metallbauteil 2. Zwischen den ehemals getrennten metallischen Einzelteilen 1a und 1b verläuft dabei eine Schweißnaht 7. Durch die erfindungsgemäße Oberflächenbearbeitung wurde auf der Oberfläche des geschweißten Metallbauteils 2 eine für einen Formschluss mit der aufgebrachten Kunststoffschicht 3 geeignete raue Oberflächenstruktur 5 erzeugt, welche insoweit mehrere Hinterschnittbereiche 8 (exemplarisch) aufweist, welche durch eine schnelle Strahloszillation des Laserstrahls erzeugt wurden und die formschlüssig mit der rauen Oberflächenstruktur 5 verbundene Kunststoffschicht 3 ermöglichen.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, andere Schweißlasereinrichtungen als Single-Mode-Faserlaser zur erfindungsgemäßen Oberflächenbearbeitung zu nutzen, falls hiermit eine geeignet schnell oszillierende und hinreichend starke Laserstrahlung erzeugbar ist, beispielsweise über Scheibenlaser, Diodenlaser und dergleichen, obwohl derartige Laser gewöhnlich eine vergleichsweise schlechtere Strahlqualität besitzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011058674 A1 [0004]
