DE102021109155A1

DE102021109155A1 - Automobilbauteil aufweisend einen Metall-Kunststoff-Verbundkörper

Info

Publication number: DE102021109155A1
Application number: DE102021109155.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Lakenbrink; Thomas Wiese
Original assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2022-10-13
Also published as: WO2022218702A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Automobilbauteil (100) aufweisend einen Metall-Kunststoff-Verbundkörper (1) mit einer flächigen Erstreckung, der einen Kunststoffkörper (10) und einen Metallkörper (11) aufweist, und wobei der Kunststoffkörper (10) und der Metallkörper (11) aneinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist der Metallkörper (11) eine auxetische Struktur (12) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Automobilbauteil aufweisend einen Metall-Kunststoff-Verbundkörper mit einer flächigen Erstreckung, der einen Kunststoffkörper und einen Metallkörper aufweist, und wobei der Kunststoffkörper und der Metallkörper aneinander angeordnet sind. Die Erfindung richtet sich weiterhin auf ein Verfahren zur Bildung eines solchen Automobilteils.
STAND DER TECHNIK
Aus der DE 10 2019 109 759 A1 ist ein Metall-Kunststoff-Verbundkörper mit einer flächigen Erstreckung bekannt, wobei der Verbundkörper den Reflektor einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges betrifft. Bei längerer Temperaturwechselbelastung entsteht häufig das Problem der Ablösung des Kunststoffkörpers vom Metallkörper, da die Werkstoffe unterschiede Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen. Um die Haftung zwischen dem Kunststoffkörper und dem Metallkörper zu verbessern, weist der Metallkörper Mikrostrukturen auf, in die der Kunststoffwerkstoff teilweise eingreifen kann, sodass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoffkörper und dem Metallkörper entsteht.
Aus der DE 10 2019 201 261 A1 ist eine Mittelkonsole für ein Kraftfahrzeug bekannt, und die Mittelkonsole umfasst ein Wandelement, welches wenigstens abschnittsweise eine sogenannte auxetische Struktur umfasst.
Auxetische Strukturen sind in verschiedener Ausgestaltung beispielhaft offenbart in der WO 2019/081766 A1 . Derartige Strukturen ermöglichen insbesondere bei Flächenkörpern ein elastisches unidirektionales Deformationsverhalten ohne Querkontraktion. Wird in einer ersten Richtung eine Kraft in den Flächenkörper eingeleitet, so kann die auxetische Struktur dazu führen, dass quer zur Richtung der Krafteinleitung eine Maßänderung im Flächenkörper vermieden wird.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung eines Automobilbauteils mit einem Metall-Kunststoff-Verbundkörper, insbesondere hinsichtlich der Dauerhaftigkeit der Verbindung zwischen dem Kunststoffkörper und dem Metallkörper. Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Automobilbauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Obergriff des Anspruches 14 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Metallkörper eine auxetische Struktur aufweist.
Kerngedanke der Erfindung ist die Applikation einer an sich bekannten auxetischen Struktur in einem flächigen Metallkörper, der mit einem Kunststoffkörper einen Metall-Kunststoff-Verbundkörper in Form eines Automobilbauteils bildet. Die auxetische Struktur ist dabei wenigstens teilweise oder flächenfüllend in den flachen Metallkörper eingebracht, und der Metallkörper bildet beispielsweise ein Blechelement, das entsprechend umgeformt wurde. Der Kunststoffkörper kann insbesondere eine Schutzoberfläche des Metallkörpers bilden, insbesondere kann im Sinne der Erfindung der Kunststoffkörper eine Dekoroberfläche bilden, während der Metallkörper vom Kunststoffkörper überdeckt ist.
Mit besonderem Vorteil kann der Metallkörper eine größere Dicke aufweisen als der Kunststoffkörper. Bei Temperaturänderungen kann durch die Einbringung einer auxetischen Struktur in den Metallkörper die Wärmedehnung des Metallkörpers angepasst werden an die Wärmedehnung des Kunststoffkörpers. Bei im Ergebnis quasi-identischen oder gleichen absoluten Wärmedehnungen der Verbundgeometrie ergibt sich eine stark reduzierte Belastung der Fügeverbindung zwischen dem Kunststoffkörper und dem Metallkörper, sodass der mit dem Kunststoffkörper und dem Metallkörper gebildete Verbundkörper deutlich stärkeren Temperaturwechselbelastungen ausgesetzt werden kann, insbesondere dauerhaft.
Mit besonderem Vorteil ist der Kunststoffkörper an dem Metallkörper mittels eines Spritzgussverfahrens angespritzt, und es ist auch denkbar, dass der Metallkörper vom Kunststoffkörper umspritzt ist. Die auxetische Struktur wird dabei vor dem Spritzgussverfahren in den Metallkörper eingebracht, beispielsweise durch ein Walzverfahren, ein Ätzverfahren oder ein Prägeverfahren oder sonstiges Formgebungsverfahren. Anschließend wird der Kunststoffkörper angespritzt oder der Metallkörper wird mit dem Kunststoffkörper im Cast-In-Verfahren umspritzt oder der Kunststoffkörper wird nach Erwärmung mit plastifizierter Oberfläche an das Metallteil gepresst und dabei wird eine Verbindung durch Eindringen des Kunststoffes in Strukturen in der Metalloberfläche erzielt.
Insbesondere bildet der Metallkörper einen geschlossenen Flächenkörper, wobei es auch denkbar ist, dass die auxetische Struktur Öffnungen mit beispielsweise geschlossenen Innenkonturen bildet, die insbesondere mit dem Kunststoffkörper ausgespritzt oder umspritzt werden. Das erfindungsgemäße Automobilbauteil basierend auf dem Metall-Kunststoff-Verbundkörper kann beispielsweise ein Fahrzeugfrontbauteil bilden, mithin also ein Frontend eines Kraftfahrzeuges. Insbesondere bildet der Metall-Kunststoff-Verbundkörper eine Abdeckung einer Sensoreinheit. Mit weiterem Vorteil bildet der Metall-Kunststoff-Verbundkörper ein Dekorbauteil im Innenraum eines Fahrzeuges, insbesondere wenn dieses starken Wärmebelastungen ausgesetzt ist. Derartige Verbundkörper können mit besonderem Vorteil innenseitig einer Automobilverglasung angewendet werden, wo durch Sonneneinstrahlung hohe Temperaturwechselbelastungen vorherrschen. Auch ist es denkbar, dass der Metall-Kunststoff-Verbundkörper ein Teil einer Beleuchtungseinrichtung bildet. Insbesondere bildet der Metall-Kunststoff-Verbundkörper einen Abdeckrahmen einer Beleuchtungseinrichtung, insbesondere einen Abdeckrahmen eines Scheinwerfers.
Vorteilhafterweise bildet der Metallkörper mit der auxetischen Struktur ein kraftaufnehmendes Bauteil eines Automobils, wobei der Kunststoffkörper eine Sichtoberfläche des Metall-Kunststoff-Verbundkörpers bildet.
Die auxetische Struktur kann in den Metallkörper eingeprägt oder eingewalzt werden, auch ist es denkbar, dass die auxetische Struktur durch ein Mikroprägeverfahren in den Metallkörper eingebracht wird. Eine formgebende Herstellung des Metallteils mit der auxetischen Struktur, Ätzverfahren oder spanende Verfahren zur Bildung der auxetischen Struktur sind selbstverständlich ebenfalls anwendbar.
Der Metallkörper weist mit besonderem Vorteil ein Aluminium oder sonstiges geeignetes Leichtmetall auf. Der Kunststoffkörper und der Metallkörper können miteinander verklebt oder gebondet werden, insbesondere wenn kein Spritzgussverfahren zum Einsatz kommt.
Die auxetische Struktur ist im Metallkörper so ausgebildet, dass der Kunststoffkörper und der Metallkörper einen zueinander quasi-identischen oder gleichen Wärmedehnungskoeffizienten in der flächigen Erstreckungsebene aufweisen. So wird vermieden, dass in der Fügeebene zwischen dem Metallkörper und dem Kunststoffkörper unzulässige Spannungen auftreten, insbesondere bei stärkeren Temperaturänderungen.
Die Erfindung richtet sich weiterhin auf ein Verfahren zur Bildung eines Automobilbauteils aufweisend einen Metall-Kunststoff-Verbundkörper mit einer flächigen Erstreckung, der aus wenigstens einem Kunststoffkörper und einem Metallkörper gebildet wird, und wobei der Kunststoffkörper und der Metallkörper aufeinander angeordnet werden, und das Verfahren sieht vor, dass eine auxetische Struktur in den Metallkörper eingebracht wird, die so ausgebildet ist, dass der Kunststoffkörper und der Metallkörper mit der auxetischen Struktur einen zueinander quasi-identischen Wärmedehnungskoeffizienten in der flächigen Erstreckungsebene aufweisen. Das Verfahren ist erfindungsgemäß insbesondere für solche Automobilbauteile vorgesehen, bei denen der Metallkörper eine größere Dicke aufweist aus der Kunststoffkörper, und bei denen der Kunststoffkörper vorzugsweise als Dekoroberfläche an den Metallkörper angespritzt ist. Auch ist es denkbar, dass der Kunststoffkörper auf den Metallkörper mit der auxetischen Struktur auflaminiert wird.
Insbesondere wird der Kunststoffkörper an dem Metallkörper in einem Spritzgussverfahren angespritzt oder der Metallkörper wird vom Kunststoffkörper umspritzt. Der Kunststoffkörper kann dabei mit der bereits eingebrachten auxetischen Struktur in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt werden, um das Cast-In-Verfahren anzuwenden.
Figurenliste
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 Ansicht des Frontend eines Fahrzeuges mit mehreren Automobilbauteilen, die auf erfindungsgemäße Weise hergestellt sein können,
2 eine perspektivische schematische Ansicht eines Abdeckrahmens für eine Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Metall-Kunststoff-Verbundkörper,
3A eine Ansicht eines Metallkörpers mit einer eingeprägten Struktur, die kein auxetisches Verhalten aufweist,
3B einen Metallkörper mit einer auxetischen Struktur und
4 eine perspektivische Ansicht eines Metall-Kunststoff-Verbundkörpers zur Bildung eines Automobilbauteils mit einem Metallkörper aufweisend eine auxetische Struktur und mit einem Kunststoffkörper.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung das Frondend eines Fahrzeugs aufweisend mehrere Beispiele von Metall-Kunststoff-Verbundkörpern 1 zur Bildung eines Automobilbauteils 100. Die Darstellung zeigt ein Fahrzeugfrontbauteil 13, das einen Kunststoffkörper 10 und einen Metallkörper 11 mit einer auxetischen Struktur 12 aufweist. Das Fahrzeugfrontbauteil 13 bildet beispielsweise einen Geräteträger für die Fahrzeugfront oder dergleichen. Dabei ist beispielhaft eine Sensoreinheit 14 gezeigt, die ebenfalls als Abdeckung einen Kunststoffkörper 10 und einen Metallkörper 11 mit einer auxetischen Struktur 12 aufweist, um einen Metall-Kunststoff-Verbundkörper 1 zu bilden.
Ferner sind Beleuchtungseinrichtungen 15 mit Abdeckrahmen 16 gezeigt, die ebenfalls in nicht näher gezeigter Weise einen Metall-Kunststoff-Verbundkörper 1 aufweisen.
2 zeigt den Abdeckrahmen 16 als Metall-Kunststoff-Verbundkörper 1 in einer perspektivischen schematischen Ansicht. Der Kunststoffkörper 10 ist mit dem Metallkörper 11 verbunden, wobei in den Metallkörper 11 eine auxetische Struktur 12 eingeprägt ist.
3A zeigt einen Metallkörper 11 mit einer Struktur, die kein auxetisches Verhalten aufweist. Wird eine Kraft in einer Erstreckungsrichtung des Metallkörpers 11 eingebracht, so kontrahiert der Metallkörper 11 in der Querrichtung zur Krafteinleitung.
3B zeigt den Metallkörper 11 mit einer eingebrachten auxetischen Struktur 12. Wird dieselbe Kraft in einer Erstreckungsebene in den Metallkörper 11 eingebracht, wie im Vergleich zu 3A zu sehen, so ergibt sich keine Querkontraktion, da die auxetische Struktur dazu führt, dass bei einer Längenänderung in der Krafteinleitungsrichtung dieselbe Längenänderungen quer zur Krafteinleitungsrichtung erfolgt.
4 zeigt einen Metall-Kunststoff-Verbundkörper 1 zur Bildung eines Automobilbauteils 100. Der Verbundkörper 1 weist einen Kunststoffkörper 10 und einen Metallkörper 11 auf, der mit einer auxetischen Struktur 12 versehen ist. Wird in den beispielhaft dargestellten Verbundkörper 1 eine Kraft eingeleitet, insbesondere durch starke Temperaturänderungen, so entsteht in der Fügeebene 17 zwischen dem Kunststoffkörper 10 und dem Metallkörper 11 keine oder nur noch eine sehr geringe Wärmedehnungsspannung, da die auxetische Struktur 12 im Metallkörper 11 so angepasst ist, dass sich für den Metallkörper 11 die gleiche Längendehnung ergibt wie für den Kunststoffkörper 10. Die Längendehnung kann als Ergebnis einer mechanischen Krafteinleitung genauso stattfinden wie als Ergebnis einer Temperaturänderung.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlichen Anordnungen sowie Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen untereinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

100: Automobilbauteil
1: Metall-Kunststoff-Verbundkörper
10: Kunststoffkörper
11: Metallkörper
12: auxetische Struktur
13: Fahrzeugfrontbauteil
14: Radareinheit
15: Beleuchtungseinrichtung
16: Abdeckrahmen
17: Fügeebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019109759 A1 [0002]
DE 102019201261 A1 [0003]
WO 2019/081766 A1 [0004]

Claims

Automobilbauteil (100) aufweisend einen Metall-Kunststoff-Verbundkörper (1) mit einer flächigen Erstreckung, der einen Kunststoffkörper (10) und einen Metallkörper (11) aufweist, und wobei der Kunststoffkörper (10) und der Metallkörper (11) aneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (11) eine auxetische Struktur (12) aufweist.
Automobilbauteil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (11) eine identische oder größere Dicke aufweist als der Kunststoffkörper (10).
Automobilbauteil (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkörper (10) an den Metallkörper (11) in einem Spritzgussverfahren angespritzt und/oder dass der Metallkörper (11) vom Kunststoffkörper (10) umspritzt ist oder dass der Kunststoffkörper nach Erwärmung mit einer plastifizierten Oberfläche an das Metallteil gepresst wird
Automobilbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (11) einen geschlossene Flächenkörper aufweist.
Automobilbauteil (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metall-Kunststoff-Verbundkörper (1) ein Fahrzeugfrontbauteil (13) bildet.
Automobilbauteil (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Metall-Kunststoff-Verbundkörper (1) eine Abdeckung einer Radareinheit (14) oder sonstigen Sensoreinheit bildet.
Automobilbauteil (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metall-Kunststoff-Verbundkörper (1) ein Teil einer Beleuchtungseinrichtung (15) bildet.
Automobilbauteil (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metall-Kunststoff-Verbundkörper (1) einen Abdeckrahmen (16) einer Beleuchtungseinrichtung (15) bildet.
Automobilbauteil (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (11) mit der auxetischen Struktur (12) ein kraftaufnehmendes Bauteil eines Automobils bildet und wobei der Kunststoffkörper (10) eine Sichtoberfläche des Metall-Kunststoff-Verbundkörpers (1) bildet.
Automobilbauteil (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auxetische Struktur (12) in den Metallkörper (11) eingeprägt oder eingewalzt oder durch ein sonstiges Formgebungsverfahren eingebracht ist.
Automobilbauteil (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (11) ein Aluminium oder ein anderes Leichtmetall aufweist.
Automobilbauteil (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkörper (10) und der Metallkörper (11) miteinander verklebt sind.
Automobilbauteil (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auxetische Struktur (12) so ausgebildet ist, dass der Kunststoffkörper (10) und der Metallkörper (11) mit der auxetischen Struktur (12) einen zueinander quasi-identischen Wärmedehnungskoeffizienten in der flächigen Erstreckungsebene aufweisen.
Verfahren zur Bildung eines Automobilbauteils (100) aufweisend einen Metall-Kunststoff-Verbundkörper (1) mit einer flächigen Erstreckung, der gebildet wird aus wenigstens einem Kunststoffkörper (10) und einem Metallkörper (11), und wobei der Kunststoffkörper (10) und der Metallkörper (11) aneinander angeordnet werden, wobei das Verfahren wenigstens durch den Schritt gekennzeichnet ist, das eine auxetische Struktur (12) in den Metallkörper (11) eingebracht wird, die so ausgebildet ist, dass der Kunststoffkörper (10) und der Metallkörper (11) mit der auxetischen Struktur (12) einen zueinander quasi-identischen und/oder gleichen Wärmedehnungskoeffizienten in der flächigen Erstreckungsebene aufweisen.
Verfahren zur Bildung eines Automobilbauteils (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffkörper (10) an den Metallkörper (11) in einem Spritzgussverfahren angespritzt wird oder dass der Metallkörper (11) vom Kunststoffkörper (10) umspritzt wird oder dass der Kunststoffkörper nach Erwärmung mit plastifizierter Oberfläche an das Metallteil gepresst wird.