DE102023003392A1

DE102023003392A1 - Bauteil, Bauteilanordnung und ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils

Info

Publication number: DE102023003392A1
Application number: DE102023003392.8A
Authority: DE
Inventors: Rita Bitzer; Jens Goedecke; Daniel Kohl; Till Zimmermann
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2023-08-17
Filing date: 2023-08-17
Publication date: 2023-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, das zumindest einen ersten Oberflächenbereich (1) aufweist, der dazu vorgesehen ist, mit einem zweiten Oberflächenbereich eines zweiten Bauteils zu kontaktieren, wobei das Bauteil aus einem mit einem Gleitadditiv vermischten thermoplastischen Elastomer besteht und der erste Oberflächenbereich (1) eine Oberflächenstrukturierung aufweist. Bei einem Bauteil, dessen tribologischen Eigenschaften verbessert sind, entspricht die Oberflächenstrukturierung einer annähernd idealen geometrischen Oberfläche (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, das zumindest einen ersten Oberflächenbereich aufweist, der dazu vorgesehen ist, mit einem zweiten Oberflächenbereich eines zweiten Bauteils zu kontaktieren, wobei das Bauteil aus einem mit einem Gleitadditiv vermischten thermoplastischen Elastomer besteht und der erste Oberflächenbereich eine Oberflächenstrukturierung aufweist sowie eine Bauteilanordnung und ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils.
Aus der DE 10 2020 116 237 B3 sind ein Bauteil aus TPE mit einem ersten Oberflächenbereich, der verbesserte tribologische Eigenschaften aufweist, eine Bauteilanordnung und ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils bekannt. Das Bauteil besteht aus einem thermoplastischen Elastomer, welches mit einem Gleitadditiv vermischt ist, wobei das Bauteil eine Oberflächenstrukturierung mit einer genarbten Oberfläche aufweist. Mikroskopisch betrachtet stellt dies eine stochastisch unregelmäßige Oberfläche dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil mit einem ersten Oberflächenbereich anzugeben, dessen tribologischen Eigenschaften verbessert sind.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei dem eingangs erläuterten Bauteil, das zumindest einen ersten Oberflächenbereich aufweist, der dazu vorgesehen ist, mit einem zweiten Oberflächenbereich eines zweiten Bauteils zu kontaktieren, wobei das Bauteil aus einem mit einem Gleitadditiv vermischten thermoplastischen Elastomer besteht und der erste Oberflächenbereich eine Oberflächenstrukturierung aufweist, entspricht die Oberflächenstrukturierung einer annähernd idealen geometrischen Oberfläche. Durch die Einbringung einer annähernd ideal geometrischen Oberfläche an dem Bauteil können tribologische Eigenschaften von sich kontaktierenden Bauteiloberflächen optimiert werden, so dass durch die verminderte Reibung Störgeräuschrisiken reduziert, die Montagegängigkeit optimiert und auch Anfriereffekte minimiert werden können. Auch das Abrasionsverhalten bzw. der Verschleißschutz an Grenzflächen wird positiv beeinflusst. Als Messgröße für dieses Verhalten kann der Reibwert herangezogen werden, der umso niedriger ist, je besser die tribologischen Eigenschaften sind.
Vorteilhafterweise besteht die geometrische Oberfläche aus gleichmäßig verteilten Elementen einer einheitlichen Form und Größe. Dadurch liegen Anhaftungspunkte und Enthaftungspunkte gleichmäßig verteilt vor.
In einer Ausgestaltung sind die Elemente pyramidenförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet. Eine solche Optimierung der Struktur bringt weitere, vorteilhafterweise berechenbare bzw. simulierbare Eigenschaftsverbesserungen. Diese Oberfläche lässt sich einfach und kostengünstig mit gängigen Oberflächenbearbeitungsmethoden herstellen.
Die Größe, das heißt die Breite, Länge oder der Durchmesser der einzelnen Elemente liegt bei 0,01 bis 1mm und bevorzugt bei 0,01 bis 0,03 mm. Die Tiefe der Elemente liegt bei 0,01 bis 1mm und bevorzugt bei 0,01 bis 0,03 mm.
In einer Alternative weisen die Elemente eine asymmetrische Form auf und sind insbesondere richtungsorientiert. Eine so optimierte Struktur erlaubt eine vereinfachte Montage mit anschließender Bauteilverrastung.
In einer Variante weist die Oberflächenstrukturierung eine konstante Rautiefe an allen die Oberfläche bildenden Elementen auf. Dies bedeutet, dass alle einzelnen Elemente die gleiche Höhe aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Bauteilanordnung mit einem ersten Bauteil mit einem ersten Oberflächenbereich und einem zweiten Bauteil mit einem zweiten Oberflächenbereich, der mit dem ersten Oberflächenbereich des ersten Bauteils in Kontakt steht, wobei das erste Bauteil nach mindestens einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Merkmal ausgebildet ist. Die Optimierung der Struktur von stochastisch zu deterministisch bringt eine weitere Verbesserung von tribologischen Bauteilsystemen.
In einer Ausführungsform weist der zweite Oberflächenbereich des zweiten Bauteiles eine Glasoberfläche oder eine Metalloberfläche oder eine Mattlackoberfläche oder eine Glanzlackoberfläche oder eine Kunststoffoberfläche auf. Der zweite Oberflächenbereich des zweiten Bauteils weist keine besonderen oder optimierten tribologischen Eigenschaften auf, so dass insbesondere die Reibung zwischen dem ersten Oberflächenbereich und dem zweiten Oberflächenbereich durch die angegebene Gestaltung des ersten Oberflächenbereiches minimiert wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das zumindest einen ersten Oberflächenbereich aufweist, der dazu vorgesehen ist, mit einem zweiten Oberflächenbereich eines zweiten Bauteils zu kontaktieren, wobei ein Bauteilrohling aus einem mit einem Gleitadditiv vermischten thermoplastischen Elastomer hergestellt wird, dessen mindestens ein erster Oberflächenbereich strukturiert wird, wobei bei der Strukturierung des ersten Oberflächenbereiches eine annähernd ideale geometrische Oberfläche erzeugt wird.
Eine solche Oberflächenstrukturierung mit einer geometrische Oberfläche lässt sich mittels Laser oder Prägung oder Elektronenstrahl oder Druckverfahren oder Spritzgussverfahren herstellen. Ausgehend von gewünschten tribologischen Eigenschaften des erste Oberflächenstrukturbereiches lassen sich die geometrischen Formen berechnen bzw. simulieren. Ein solche Berechnung oder Simulation liegt dann der Prozesssteuerung zur Herstellung der geometrischen Oberfläche zugrunde.
Vorteilhafterweise wird der Bauteilrohling durch Extrudieren, Spritzgießen, Kalandrieren und/oder Spritzgussverfahren des das Gleitadditiv enthaltenden thermoplastischen Elastomers hergestellt. Durch Verwendung dieser an sich bekannten Verfahren lässt sich der Bauteilrohling sehr kostengünstig erzeugen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel des ersten Oberflächenbereiches des erfindungsgemäßen Bauteils,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des ersten Oberflächenbereiches des erfindungsgemäßen Bauteils
3 Einzeldarstellung von Oberflächenelementen.

Das vorgeschlagene Bauteil, insbesondere ein als Dichtungselement ausgeführtes Bauteil, wird insbesondere in Fahrzeugen, insbesondere einem Kraftfahrzeug, wie einem PKW, einem LKW oder einem Bus, in einem Schienenfahrzeug, Luftfahrzeug, Wasserfahrzeug oder einem Unterwasserfahrzeug eingesetzt.
In einem Fahrzeug kann das erste Bauteil mit einem zweiten Bauteil kontaktieren, welches beispielsweise als bewegliches Karosserieteil, ein Fenster, eine Tür oder eine Klappe ausgebildet sind.
Das erste Bauteil kann als Dichtungselement für eine A-, B-, C-Säule, an einer Tankmulde, an einer Tankklappe, an einem Tankdeckelverschluss, an einer Karosserie, an einem Verdecksystem, an einem Klappdach oder an einem beweglichen oder unbeweglichen Fensterrahmen des Fahrzeuges ausgeführt werden. Das Dichtungselement weist einen ersten Oberflächenbereich auf, der dazu vorgesehen ist mit einem zweiten Oberflächenbereich der Fahrzeugkarosserie flächig in Kontakt zu treten.
Zur Herstellung des Dichtungselementes wird ein thermoplastisches Elastomer verwendet, welches eine ausgewählte Komponente, wie Polyhalogenolefinen, Fettalkoholen, Fettsäuren, Fettsäureamiden, Fettsäureestern, und/oder Silikonen und weitere Komponenten wie mindestens ein Styrol-Blockcopolymer mit einem gewichtsgemittelten Molgewicht von mindestens 50.000 g/mol und mindestens ein nichtelastomeres Thermoplast enthält. Das Styrol-Blockcopolymer ist vorzugsweise ein Triblockcopolymer, bei dem die beiden terminalen Blöcke aus Polystyrol und der mittlere Block von einem Polyolefin gebildet ist.
Das thermoplastische Elastomer wird mit diesen Komponenten vermischt und in einem Spritzgussverfahren zu einem Bauteilrohling verarbeitet. Die Komponenten sind dabei in dem thermischen Elastomer homogen verteilt bzw. vermischt.
Zur Reduzierung einer Reibung mit dem zweiten Bauteil des Fahrzeuges umfasst das Dichtungselement einen ersten Oberflächenbereich 1, dessen Oberfläche 3 geometrisch ausgebildet ist. Gemäß 1 sind kegelstumpfförmige Elemente 5 in gleichen Abständen über den ersten Oberflächenbereich verteilt angeordnet. Die kegelstumpfförmigen Elemente 5 sind in Form und Größe gleich. Insbesondere die Höhen der kegelstumpfförmigen Elementen 5 unterscheiden sich nicht.
Zur Herstellung des beschriebenen Dichtungselement wird in einem ersten Schritt ein Bauteilrohling hergestellt. Als Herstellungsverfahren können verschiedene Methoden, wie Extrudieren, Spritzgießen, Kalandrieren und/oder Blasformen des die beschriebenen Komponenten enthaltenden thermischen Elastomers, eingesetzt werden.
In einem zweiten Schritt werden auf der Oberfläche 3 des ersten Oberflächenbereiches 1 des Dichtungselementes die kegelstumpfförmigen Elemente 5 oder die Elemente 7 mit der asymmetrischen Form erzeugt. Die Lösung ist nicht auf diese beiden Formen begrenzt. So ist eine Vielzahl von anderen Elementen, wie beispielsweise Pyramiden oder Zylinder, einsetzbar.
Zur Strukturierung der Oberfläche 3 des ersten Oberflächenbereiches 1 kann mit einem Laser oder einem Elektronenstrahl genauso erfolgen wie durch Prägung oder einem Druckverfahren. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass die Strukturierung mit einem Spritzgussverfahren gleichzeitig mit der Herstellung des Bauteilrohlings erfolgt, wodurch der Herstellungsaufwand reduziert wird.
Eine Alternative ist in 2 gezeigt. In diesem Fall sind auf der Oberfläche 3 des ersten Oberflächenbereiches 1 Elemente 7 mit einer unsymmetrischen Form dargestellt, welche alle in die gleiche Richtung weisen. Auch die Elemente 7 weisen dieselben Abmessungen und Form auf.
Einzeldarstellungen eines kegelstumpfförmigen Elementes 5 und des Elementes 7 mit einer asymmetrischen Form sind in 3 näher dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102020116237 B3 [0002]

Claims

Bauteil, das zumindest einen ersten Oberflächenbereich (1) aufweist, der dazu vorgesehen ist, mit einem zweiten Oberflächenbereich eines zweiten Bauteils zu kontaktieren, wobei das Bauteil aus einem mit einem Gleitadditiv vermischten thermoplastischen Elastomer besteht und der erste Oberflächenbereich (1) eine Oberflächenstrukturierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung einer annähernd idealen geometrischen Oberfläche (3) entspricht.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Oberfläche (3) aus gleichmäßig verteilten Elementen (5, 7) einer einheitlichen Form und Größe besteht.
Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (5) pyramidenförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet sind.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (7) eine asymmetrische Form aufweisen und insbesondere richtungsorientiert sind.
Bauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung eine konstante Rautiefe an allen die Oberfläche (3) bildenden Elementen (5, 7) aufweist.
Bauteilanordnung mit einem ersten Bauteil mit einem ersten Oberflächenbereich und einem zweiten Bauteil mit einem zweiten Oberflächenbereich, der mit dem ersten Oberflächenbereich des ersten Bauteils in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Bauteilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Oberflächenbereich des zweiten Bauteiles eine Glasoberfläche oder eine Metalloberfläche oder eine Mattlackoberfläche oder eine Glanzlackoberfläche oder eine Kunststoffoberfläche aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das zumindest einen ersten Oberflächenbereich aufweist, der dazu vorgesehen ist, mit einem zweiten Oberflächenbereich eines zweiten Bauteils zu kontaktieren, wobei ein Bauteilrohling aus einem mit einem Gleitadditiv vermischten thermoplastischen Elastomer hergestellt wird, dessen mindestens erster Oberflächenbereich (1) strukturiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Strukturierung des ersten Oberflächenbereiches (1) eine annähernd ideale geometrische Oberfläche (3) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung des ersten Oberflächenbereichs (1) des ersten Bauteils mittels Laser oder Prägung oder Elektronenstrahl oder Druckverfahren oder Spritzgussverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilrohling durch Extrudieren, Spritzgießen, Kalandrieren und/oder Spritzgussverfahren des das Gleitadditiv enthaltenden thermoplastischen Elastomers hergestellt wird.