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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils, bei dem ein Einlegeteil aus Metall in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und mit einer Kunststoffmasse um- und/oder hinterspritzt wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein nach diesem Verfahren hergestelltes Hybridbauteil.
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Aus der
DE 103 277 769 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils bekannt, bei dem zumindest ein Teilbereich einer Oberfläche eines Einlegeteils aus Metall in einem Formraum eines Spritzgießwerkzeugs mit Kunststoff um- oder hinterspritzt wird. Vor dem Um- oder Hinterspritzen wird zumindest an einem Teilumfang des zu um- oder hinterspritzenden Teilbereichs des Einlegeteils ein abdichtender Wulst auf die Oberfläche des Einlegeteils oder auf den Formraum begrenzende Abdichtkanten des Spritzgießwerkzeugs aufgebracht. Hierdurch soll insbesondere ein Überspritzen des Einlegeteils mit der Kunststoffmasse sowie gegebenenfalls eine Beschädigung einer Beschichtung des Einlegeteils vermieden werden können.
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Insbesondere im modernen Fahrzeugbau ist es bereits seit langem bekannt, Anbauteile an Kunststoffbauteilen zu montieren, wobei für eine zuverlässige Montage oftmals in eine Kunststoffmasse des Kunststoffbauteils eingespritzte Einlegeteile, sogenannte Inserts, oder verpresste Schraubelemente verwendet werden. Dies ist jedoch technisch aufwendig und dadurch kostenintensiv, insbesondere im Hinblick auf die Ausbildung von Schraubdomen und Bindenähten.
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Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung derartiger Einlegeteile besteht in Verbindungsfehlern, die im Herstellungsprozess, das heißt beim Um- oder Hinterspritzen des Einlegeteils durch beispielsweise Verschmutzungen auftreten können. Durch eine nicht einwandfreie Verbindung des Einlegeteils mit der Kunststoffmasse kann es dabei insbesondere zu Rissen und bei fluidführenden Bauteilen zu Undichtigkeiten kommen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, insbesondere eine Dichtheit zwischen einem in einer Kunststoffmasse eingespritzten Einlegeteil und der Kunststoffmasse dadurch zu erhöhen, dass in einem Übergangsbereich zwischen dem Einlegeteil und der Kunststoffmasse, an welchem das Einlegeteil aus der Kunststoffmasse herausragt, eine zusätzliche Materialanhäufung und damit eine Vergrößerung einer dichtenden Kontaktfläche vorgesehen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils wird ein beschichtetes oder unbeschichtetes Einlegeteil aus Metall in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und mit der zuvor beschriebenen Kunststoffmasse, üblicherweise einem Duroplast, um- oder hinterspritzt. Das Einlegeteil wird dabei vor dem Um- oder Hinterspritzen an einer zu- oder hinterspritzenden Oberfläche vorbehandelt um eine Verbindung mit der Kunststoffmasse und damit eine Dichtheit zu verbessern. Das Einlegeteil wird anschließend so in das Spritzgießwerkzeug eingelegt, dass es an zumindest einer Seite aus der Kunststoffmasse herausragt. An einem Übergangsbereich zwischen dem aus Kunststoffmasse herausragenden Einlegeteil und der Kunststoffmasse wird nun erfindungsgemäß eine Materialanhäufung vorgesehen, die mit beispielsweise einer vergleichsweise kleinen Tasche bzw. Kavität in dem Spritzgießwerkzeug verwirklicht wird. Durch diese Materialanhäufung können die mit der Kunststoffmasse in Kontakt stehende Kontaktfläche des Einlegeteils und darüber die Dichtheit erhöht werden. Als Einlegeteile können dabei beispielsweise Montageteile oder Bauteile zur Lagerung weiterer Komponenten, wie beispielsweise einem Pumpenstößel, eingesetzt werden. Das zumindest eine Einlegeteil kann dabei links, rechts, oben oder unten aus dem späteren Kunststoffspritzgussteil bzw. Hybridbauteil herausragen. Das Einlegeteil bzw. die Einlegeteile sind dabei jedoch nicht vollständig von dem duroplastischen Kunststoff umschlossen bzw. umspritzt. Durch die Vorbehandlung der mit der Kunststoffmasse in Kontakt stehenden Oberfläche können größere Adhäsionskräfte erreicht und dadurch die Dichtwirkung verbessert werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Einlegeteil vor dem Um- oder Hinterspritzen an einer zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche gereinigt und/oder entfettet. Eine Reinigung bzw. Entfettung kann dabei beispielsweise durch entsprechende chemische Mittel erfolgen.
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Zweckmäßig wird als metallisches Einlegeteil ein Gussteil, ein Keramikteil, ein Aluminiumteil, ein Sinterteil oder ein Blechteil verwendet. Das Einlegeteil kann dabei massiv oder als Hohlteil ausgebildet sein und nahezu jede beliebige Form aufweisen, beispielsweise rund, halbrund, eckig, etc.. Selbstverständlich können auch Kompositeinlegeteile aus mehreren Materialien eingesetzt werden. Über das metallische Einlegeteil ist beispielsweise eine zuverlässige Verbindung weiterer Anbaukomponenten mit dem zum Großteil aus Kunststoff bestehenden Hybridbauteil möglich, ebenso wie die Lagerung weiterer Komponenten, wie beispielsweise eines Pumpenstößels, der in einem entsprechend ausgebildeten metallischen Einlegeteil geführt ist. Eine gleichartige Führung in Kunststoff wäre aufgrund eines zu hohen Verschleißes nicht möglich. Bereits die zuvor erwähnte und nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltige Ausführungsformen für das metallische Einlegeteil möglich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit für eine Vielzahl unterschiedlichster Einlegeteile geeignet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Einlegeteil vor dem Um- oder Hinterspritzen an der zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche aufgeraut. Durch das Aufrauen, welches beispielsweise durch ein Strahlen, insbesondere ein Kugelstrahlen, Sandstrahlen, etc. oder ein Schleifen erfolgen kann, wird die mit der späteren Kunststoffmasse beim Um- oder Hinterspritzen in Kontakt tretende Oberfläche erhöht, wodurch höhere Adhäsionskräfte und eine höhere Dichtung erreicht werden können. Alternativ ist selbstverständlich auch ein Beizen möglich, welches insbesondere oxydische Beläge, wie beispielsweise Rost oder Korrosionsprodukte, entfernt. Bei einem Beizen kann darüber hinaus ein Schutz der später zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche gegen Oxidation erreicht werden. Als Beize können beispielsweise Salzsäure oder Schwefelsäure verwendet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Einlegeteil vor dem Um- oder Hinterspritzen an einer zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche plasmabehandelt und anschließend beschichtet, insbesondere mit einer DLC-Schicht (Diamond light Carbon). Plasma bezeichnet den vierten Aggregatszustand, der erreicht wird, sofern einem Gas oder Gasgemisch hinreichend viel Energie, beispielsweise in Form von elektrischer Energie, zugefügt wird. Dabei entstehen freie Ionen und Elektronen die insbesondere für eine Reinigung der später zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche genutzt werden können. Mit der Plasmabehandlung ist jedoch nicht nur eine Oberflächenreinigung möglich, sondern auch eine Änderung der Oberflächeneigenschaften, wodurch eine besonders haftungsstarke und korrosionsbeständige, da dichte, Verbindung zwischen dem Einlegeteil und der Kunststoffmasse erreicht werden können. Besonders bevorzugt wird dabei das Einlegeteil zunächst an der zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche plasmabehandelt und anschließend in derselben Maschine beschichtet, ohne dass dabei die zu um- oder hinterspritzende Oberfläche vorher mit der Umgebung in Kontakt tritt. Hierdurch kann insbesondere bei aus Aluminium hergestellten Einlegeteilen eine unerwünschte Oxidation der zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche vermieden und eine hohe Adhäsion gewährleistet werden.
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Zweckmäßig weist das Einlegeteil an der zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche wabenförmige Vertiefungen mit einer Tiefe T von 0,1 mm ≤ T ≤ 0,3 mm auf. In diese wabenförmigen Vertiefungen kann die Kunststoffmasse eindringen und ein besseres Verhaken mit der Oberfläche bewirken. Selbstverständlich können an dem Einlegeteil auch weitere Hinterschnittkonturen vorgesehen sein, welche dazu beitragen, die mit der Kunststoffmasse in Kontakt tretende zu um- oder hinterspritzende Oberfläche zu vergrößern, beispielsweise in der Art einer Labyrinthdichtung, und dadurch die Dichtwirkung zu erhöhen. Der angegebene Tiefenbereich zwischen 0,1 und 0,3 mm reicht dabei bereits aus, die Oberfläche zu vergrößern und die Dicht- oder Adhäsionswirkung zu erhöhen.
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Zweckmäßig ragt das Einlegeteil unter einem Winkel α zwischen 60° und 90° aus der Kunststoffmasse heraus. Besonders in diesem Winkelbereich stellt das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Vorsehen einer Materialanhäufung an dem Übergangsbereich zwischen Einlegeteil und Kunststoffmasse eine effiziente Methode dar, die Dichtwirkung zwischen Kunststoff und Einlegeteil zu erhöhen.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Hybridbauteil nach dem in den vorherigen Absätzen beschriebenen Verfahren herzustellen und dadurch die in den vorherigen Absätzen beschriebenen Vorteile auf das Hybridbauteil zu übertragen. Das Hybridbauteil kann dabei beispielsweise als Pumpenteil oder als Zylinderkopfhaube ausgebildet sein, während das Einlegeteil eine Führung für einen Pumpenstößel ist.
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Die Zylinderkopfhaube ist dabei größtenteils aus duroplastischem Kunststoff in dem Spritzgießwerkzeug hergestellt und besitzt zumindest ein Einlegeteil, welches so in das Spritzgießwerkzeug eingelegt wurde, dass es von zumindest einer Seite aus der Kunststoffmasse herausragt und zugleich an einem Übergangsbereich, an dem das Einlegeteil aus Kunststoffmasse herausragt eine Materialanhäufung besitzt. Die Materialanhäufung an Kunststoff kann beispielsweise durch eine entsprechende Kavität bzw. Tasche in dem Spritzgießwerkzeug erreicht werden. Das erfindungsgemäß als Zylinderkopfhaube ausgebildete Hybridbauteil und das darin eingespritzte und als Führung für einen Pumpenstößel ausgebildete Einlegeteil ermöglicht es, einen derartigen Pumpenstößel einer Pumpe, beispielsweise einer Schmierstoff- oder Kraftstoff- oder Kühlmittelpumpe an einer aus Kunststoff ausgebildeten Zylinderkopfhaube langfristig leichtgängig und zumindest verschleißarm zu führen. Dies war bislang nur für beispielsweise aus Aluminium ausgebildete Zylinderkopfhauben möglich, da die hierfür erforderliche Dichtwirkung und Langlebigkeit der Verbindung zwischen Einlegeteil und Kunststoffmasse bei bisherigen Zylinderkopfhauben aus Kunststoff ohne Materialanhäufung nicht erreicht wurde.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes erfindungsgemäßes Hybridbauteil,
- 2 eine Schnittdarstellung durch eine Brennkraftmaschine im Bereich einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als erfindungsgemäßes Hybridbauteil ausgebildeten Zylinderkopfhaube.
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Entsprechend den 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßes Hybridbauteil 1 dargestellt, welches gemäß der 2 als Zylinderkopfhaube 2 ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Hybridbauteil 1 besitzt dabei zumindest ein beschichtetes oder unbeschichtetes Einlegeteil 3 aus Metall, welches gemäß der 2 als Führung 4 für einen Pumpenstößel 5 ausgebildet ist. Der Pumpenstößel 5 wird im Betrieb einer mit der erfindungsgemäßen Zylinderkopfhaube 2 ausgestatteten Brennkraftmaschine 10 über einen rotierenden Nocken 11 bewegt. Der Nocken 11 ist drehfest mit einer Welle 12, beispielsweise einer Nockenwelle, verbunden.
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Hergestellt wird das erfindungsgemäße Hybridbauteil 1, respektive die Zylinderkopfhaube 2 dabei wie folgt:
- Zunächst wird das Einlegeteil 3 gemäß der 2 die Führung 4, vor dem Um- oder Hinterspritzen an einer zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche 6 vorbehandelt, beispielsweise aufgeraut. Anschließend wird das Einlegeteil 3, respektive die Führung 4 derart in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt, dass an zumindest einer Seite aus einer während des Spritzgießvorgangs herzustellenden bzw. einzuspritzenden Kunststoffmasse 7 herausragt. An einem Übergangsbereich 8 vom Einlegeteil 3 bzw. der Führung 4 zur Kunststoffmasse 7 wird nun eine Materialanhäufung 9 vorgesehen, welche die zu um- oder hinterspritzende Oberfläche 6, das heißt eine Kontaktfläche mit der Kunststoffmasse 7, vergrößert. Hierdurch kann insbesondere eine Dichtheit sowie auch eine Festigkeit der Verbindung erhöht werden.
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Das Einlegeteil 3 bzw. die Führung 4 wird dabei vor dem Um- oder Hinterspritzen an der zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche 6 gereinigt und/oder entfettet. Dies kann beispielsweise mittels einer Plasmabehandlung oder einer chemischen Behandlung erfolgen. Als metallisches Einlegeteil 3 kann beispielsweise ein Gussteil, ein Keramikteil, ein Aluminiumteil, ein Sinterteil oder ein Blechteil verwendet werden. Insbesondere kann das metallische Einlegeteil 3 massiv (vgl. 1) oder als Hohlteil (vgl. 2) ausgebildet sein. Als Kunststoffmasse 7 für den Kunststoffspritzgießvorgang wird üblicherweise ein duroplastischer Kunststoff verwendet.
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Das metallische Einlegeteil 3 kann an der zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche und/oder im weiteren Verlauf Durchbrüche 13 aufweisen, wobei über die Durchbrüche 13 weitere Anbauteile mit dem Einlegeteil 3 verbindbar sind. Sind die Durchbrüche 13 im Bereich der zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche 6 vorgesehen bzw. angeordnet, so kann hier beim Spritzgießvorgang die Kunststoffmasse 7 durch den jeweiligen Durchbruch 13 hindurchtreten und eine besonders stabile Verbindung schaffen.
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Vor dem Um- oder Hinterspritzen in dem Spritzgießwerkzeug wird die zu umspritzende bzw. hinterspritzende Oberfläche 6 beispielsweise aufgeraut um dadurch die Oberfläche 6 insgesamt zu vergrößern und höhere Adhäsionskräfte bzw. eine höhere Dichtung zu erreichen.
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Das Reinigen der zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche 6 kann beispielsweise auch durch ein Schleifen, Polieren, Strahlen, Plasmabehandeln oder Beizen oder Verchromen erreicht werden. Ein Verchromen bietet den Vorteil, gleichzeitig eine erhöhte Rauheit zu erzeugen, wodurch die mechanische Verkrallung verbessert wird. Ein Verchromen erhöht zudem die Härte und Haltbarkeit, verhindert Korrosion, schafft ein ästhetisches Aussehen, erleichtert Reinigungsvorgänge an diesen Teilen und kann zudem auf verschiedenen Kunststoffprodukten, die eine glatte/strahlende Oberfläche verfolgen, angewandt werden.
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Besonders ein Plasmabehandeln und ein in derselben Maschine erfolgendes Beschichten, beispielsweise mittels einer DLC-Schicht, ohne einen zwischenzeitlichen Kontakt mit der Atmosphäre, kann die Gefahr eines Oxidierens der Oberfläche, insbesondere bei Aluminiumeinlegeteilen, reduzieren, an der zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche 6 können auch wabenförmige Vertiefungen (nicht gezeigt) mit einer Tiefe T zwischen 0,1 und 0,3 mm vorgesehen werden, die ein besseres Verhaken mit der Kunststoffmasse 7 bewirken. Das Einlegeteil 3, respektive die Führung 4, ragt dabei unter einem Winkel α zwischen 60° und 90° aus der Kunststoffmasse 7.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Materialanhäufungen 9 kann die Kontaktfläche zwischen dem metallischen Einlegeteil 3, respektive der Führung 4 (vgl. 2) und der Kunststoffmasse 7 des Hybridbauteils 1, respektive der Zylinderkopfhaube 2, vergrößert und dadurch die Dichtheit erhöht werden. Auch kann eine festere Verankerung des metallischen Einlegeteils 3 in der Kunststoffmasse 7 erreicht werden. Die Kunststoffmasse 7 und die Materialanhäufung 8 sind dabei einstückig, sofern die Materialanhäufung 9 gleichzeitig mit der Kunststoffmasse 7 beim Spritzgießvorgang hergestellt werden. Rein theoretisch ist auch denkbar, dass zunächst das metallische Einlegeteil 3 mit der Kunststoffmasse 7 an den zu um- oder hinterspritzenden Oberflächen 6 um- oder hinterspritzt wird und anschließend in einem weiteren Spritzgießvorgang die Materialanhäufungen 9 aufgespritzt werden. Vorzugsweise geschieht dies jedoch in einem gemeinsamen Arbeitsschritt.
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Besonders bei einer Zylinderkopfhaube 2, wie diese gemäß der 2 dargestellt ist, ist es möglich, ein als Führung 4 für einen Pumpenstößel 5 vorgesehenes metallisches Einlegeteil 3 fest und dicht durch die Materialanhäufungen 9 im Übergangsbereich 8 mit der Kunststoffmasse 7 zu verbinden. Die Kunststoffmasse 7 ist dabei einstückig mit den Materialanhäufungen 9, das heißt aus einem Guss, hergestellt. Bislang war eine Führung der Pumpenstößel 5 nur in metallischen Zylinderkopfhauben möglich, da die hierfür erforderliche Dichtwirkung bzw. Festigkeit der Verankerung bei aus Kunststoff gespritzten Zylinderkopfhauben nicht möglich war. Die Abdichtung zwischen angebundenem Metallteil und Kunststoffhaube ist aus Umweltschutzgründen und zur Verringerung der Brandgefahr wichtig, da sich austretendes Öl an einem heißen Bauteil, z.B. an einem Auspuffkrümmer, entzünden kann. Die besondere Herausforderung bei einer Aufnahme für eine Einspritzpumpe liegt in den hohen Kräften, die übertragen werden müssen und dem damit verbundenen höheren Risiko der Undichtigkeit infolge einer Anbindungsschwäche. Zudem ergibt sich bei einem Ölaustritt ein verölter Motorraum, was auf den Hersteller der Zylinderkopfhaube 2 zurückfallen kann.
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Die Materialanhäufungen 9 können dabei beidseitig vorgesehen werden, wodurch eine deutliche Vergrößerung der zu um- oder hinterspritzenden Oberfläche 6 und damit der als Kontaktfläche zur Kunststoffmasse 7 bzw. den Materialanhäufungen 9 der Kunststoffmasse 7 dienenden Oberfläche 6 geschaffen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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