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Die
Erfindung betrifft eine Bauteilpaarung sowie ein Verfahren zur Einstellung
der Materialfließfähigkeit
zumindest eines Bauteils der Bauteilpaarung.
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Bei
einer Bauteilpaarung, beispielsweise einer Bauteilpaarung zur Übertragung
von mechanischen Kräften
oder einer elektrischen Kontaktverbindung zwischen zwei Kontaktteilen,
wird die Qualität, insbesondere
das Langzeitverhalten, der Bauteilpaarung durch die bei jedem Material
zwangsläufig
bei Belastung auftretende Materialfließfähigkeit beeinflusst. Unter
Materialfließfähigkeit
wird hierbei die Eigenschaft verstanden, dass das Material bei einer Druck-,
Zug- oder Scherbeanspruchung der einwirkenden Kraft durch plastische
oder elastische Verformung ausweicht. Der Grad der Materialfließfähigkeit hängt dabei
entscheidend von der Wahl des Materials ab. Neben der Materialwahl
sind auch äußere Einflussfaktoren
entscheidend, wie beispielsweise die Temperatur oder der Kontakt
mit bestimmten Medien, wie Gasen oder Flüssigkeiten.
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Die
Materialfließfähigkeit
führt in
der Regel dazu, dass insbesondere über längere Zeiträume hinweg die Eigenschaften
der Bauteilpaarung sich meist zum Negativen ändern. Bei mechanischen Verbindungen
zwischen zwei Bauteilpaaren kann dies zu einer Lockerung der Verbindung
führen.
Bei einer elektrischen Kontaktverbindung besteht die Gefahr der
Reduzierung der Kontaktsicherheit und der Zunahme des Übergangswiderstands,
wodurch höhere Temperaturen
auftreten können,
welche die Materialfließfähigkeit
zusätzlich
erhöhen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine sichere und langzeitstabile
Bauteilpaarung zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch eine Bauteilpaarung, bei der zur Ausbildung einer mechanischen
Verbindung, wie beispielsweise eine Schraub, Niet- oder sonstige
Verbindung, zumindest zwei Bauteile mechanisch miteinander verbunden
sind, wobei zumindest eines der Bauteile mehrere aneinander angrenzende
Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufweist und wobei die Materialfließfähigkeit
des zumindest einen Bauteils durch die Ausgestaltung der Schichten
bestimmt ist, die hierzu jeweils eine Einzelschichtdicke etwa zwischen
10 μm und
200 μm haben.
Die Schichten sind dabei vorzugsweise nach Art einer Schichtenfolge übereinander
angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist
auch eine Anordnung unterschiedlicher Schichten nebeneinander möglich.
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Dieser
Ausgestaltung liegt die Idee zu Grunde, durch Kombination unterschiedlicher
Schichten das Gesamtfließverhalten
geeignet einzustellen. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen,
dass sich das Fließverhalten
von dünnen
Schichten deutlich zu dem Fließverhalten
von dicken Bauteilen unterscheidet. Bei dicken Bauteilen können nämlich beispielsweise
bei einem Metall die einzelnen Kristallebenen gegeneinander gleiten,
so dass das Material eine recht hohe Fließfähigkeit aufweist. Dieses makroskopische
Fließverhalten
ist bei dünnen
Schichten deutlich eingeschränkt,
da keine oder nur sehr wenige aneinander vorbeigleitbare Kristallebenen
vorhanden sind. Zudem spielen auf Grund der dünnen Schichten Oberflächeneffekte
eine deutlich größere Bedeutung als
bei dicken Bauteilen. Durch die Anordnung mehrerer Schichten unterschiedlicher
Materialien und damit unterschiedlicher Materialfließfähigkeit
kann sowohl eine geringe als auch eine beispielsweise in Teilbereichen
gewünschte
hohe Fließfähigkeit
eingestellt werden.
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In
einer zweckdienlichen Ausgestaltung sind die Schichten mit einem
thermischen Spritzverfahren, insbesondere dem so genannten Flammspritzen,
erzeugt.
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Das
thermische Spritzen ist beispielsweise in der DIN 32530 aufgeführt. Unter
thermischem Spritzen wird ein strahlgebundenes thermisch-kinetisches Auftrags verfahren
verstanden, bei dem allgemein ein Teilchenstrom, nämlich das
aufzubringende Material, mit kinetischer Energie und nach Wärmezufuhr auf
ein Trägerbauteil
gerichtet wird. Der Begriff thermisch ist dabei insbesondere dahingehend
zu verstehen, dass die Teilchen des Teilchenstroms insbesondere
erweichen, anschmelzen oder schmelzen, oder dass sie zumindest so
weit erwärmt werden,
dass sie eine thermische Veränderung
der Oberfläche
des Trägerbauteils
hervorrufen. Die thermische Veränderung
kann in einer Reduzierung der Oberflächenhärte, einem Erweichen oder einem
Anschmelzen der Oberfläche
bestehen. Der Begriff kinetisch ist dahingehend zu verstehen, dass
der Impuls der Teilchen ausreichend hoch ist, so dass sie beim Auftreffen
auf die Oberfläche
in diese – gegebenenfalls
zuvor erweichte Oberfläche – zumindest
teilweise eingepresst werden. Durch das thermische Spritzverfahren
wird dadurch eine sehr gute Verbindung des aufgespritzten Materials
mit dem Träger
oder einer bereits aufgebrachten Beschichtung erhalten, da die aufgespritzten
Partikel quasi einen mikroskalischen Formschluss bilden.
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Ein
wesentlicher Vorteil des thermisch-kinetischen Auftragsverfahrens
besteht in seiner hohen Flexibilität sowie seiner einfachen und
kostengünstigen
Handhabung. Mit dem Spritzverfahren lassen sich nahezu beliebige
Materialien, wie Kunststoff, Keramik oder Metall, spritzen. Durch
geeignete Einstellung von Verfahrensparametern lassen sich zudem die
chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften der erzeugten
Schichten, wie beispielsweise Dicke, geometrische Struktur und Dichte, über einen
sehr weiten Bereich variieren. Insbesondere lassen sich auch sehr
dünne Schichten
erreichen. Ein weiterer Vorteil des thermischen Spritzens ist darin
zu sehen, dass keine gesundheitsgefährdenden oder umweltschädlichen
Materialien notwendig sind und auch nicht eingesetzt werden, wie
dies beispielsweise beim galvanischen Beschichten der Fall ist.
Zur Ausbildung einer geometrischen Struktur kann der Teilchenstrahl
durch Blenden, elektromagnetische Strahlen oder durch ummantelte
Strömungen
zielgerichtet geführt
werden. Durch diese hohe Variabilität lassen sich daher mit diesem
Verfahren auf einfache und kostengünstige Weise die gewünschten
Eigenschaften einstellen.
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Beim
Auftragen einer Schicht auf einer darunter liegenden Schicht oder
auf ein Trägerbauteil kann
zudem vorgesehen sein, zunächst
eine Keim- oder Haftvermittlerschicht aufzutragen, und erst auf diese
dann die Schicht aufzubringen. Durch diese Maßnahme wird eine besonders
gute Haftung zwischen den zwei aufeinander folgenden Schichten ausgebildet.
Zudem können
durch eine geeignete Materialwahl der Keimschicht die elektrischen
Eigenschaften, wie beispielsweise der Übergangswiderstand zwischen
den beiden Schichten, eingestellt werden. Zur Erzeugung der Keimschicht
wenden beispielsweise mit dem Spritzverfahren Pulverpartikel aus
einem geeigneten Material aufgetragen. Auf diese Keimschicht wird
dann die eigentlich aufzutragende Schicht aufgebracht. Zur Erzeugung
der Keimschicht kann alternativ auch ein zusätzlicher Zwischenschritt vorgesehen
sein, bei dem die Oberfläche
der unteren Schicht behandelt wird, so dass sie in den behandelten
Bereichen eine erhöhte
Haftung aufweist. Die Veränderung
der Hafteigenschaft der Oberfläche
der unteren Schicht wird beispielsweise durch Auftragen eines geeigneten
Lacks erzielt. Zur Ausbildung der Keimschicht werden dabei insbesondere
die Maßnahmen
ergriffen, wie sie in der
WO 02/068245
A1 der Anmelderin vom 22.02.2002 beschrieben sind.
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Als
thermisches Spritzverfahren eignet sich insbesondere das so genannte
Flammspritzen. Bei diesem Spritzverfahren wird das aufzubringende
Material zumindest teilweise aufgeschmolzen, so dass auf Grund des
Wärmeeintrags
das Trägermaterial, auf
das aufgespritzt wird, vorzugsweise zumindest teilweise anschmilzt,
so dass eine innige und vorzugsweise stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird. Mit
dem Flammspritzen ist ein besonders schnelles und wirtschaftliches
Auftragen der Leiterbahn mit vergleichsweise geringem technischen
Aufwand möglich.
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Neben
dem Flammspritzen eignet sich auch das so genannte Kaltgasspritzen.
Dieses Verfahren ist auch unter dem Begriff Strahlplattieren bekannt. Bei
dem Verfahren prallen Teilchen mit sehr hoher kinetischer Energie
auf das Trägerbauteil
auf. Die Teilchen werden dabei teilweise bis auf Schallgeschwindigkeit
oder darüber
beschleunigt. Der Durchmesser der Teilchen liegt beispielsweise
im Bereich zwischen 10 und 100 μm.
Mit dem Kaltgasspritzen ist ein Masseauftrag mit einer hohen Rate
möglich.
Auf Grund der hohen kinetischen Energie sind vergleichsweise niedrige
Temperaturen ausreichend, so dass die Temperaturbela stung des Trägermaterials,
auf das aufgespritzt wird, sowie des Spritzwerkstoffs, also der
Teilchen, gering ist.
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Die
Schichten haben jeweils eine Einzelschichtdicke etwa zwischen 10 μm und 80 μm bis hin zu
200 μm.
Derartig dünne
Schichten weisen kein oder nur noch ein sehr geringes Fließverhalten
auf. Die Gesamtfließfähigkeit
des Schichtaufbaus wird unter anderem durch die Materialwahl und
durch die Wahl der Dicke der einzelnen Schichten eingestellt. Die
Gesamtfließfähigkeit
des Schichtaufbaus wird dabei neben der Fließfähigkeit der Einzelschichten auch
durch die Fließfähigkeit
zwischen den Schichten bestimmt. Durch die Wahl der Paarung von
benachbarten Schichten und die in der Regel damit zwangsweise verbundene
Haftfähigkeit
zwischen den Schichten ist die Fließfähigkeit zwischen den einzelnen
Schichten beeinflussbar. Dies bedeutet, dass auch durch die Wahl
der speziellen Schichtfolge das Gesamtfließverhalten bestimmt wird. Um
ein möglichst
geringes Gesamtfließverhalten
zu erzielen bieten sich daher Haftvermittlerschichten zwischen solchen
Schichten an, die eine ungeeignete Haftung zueinander haben.
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Oftmals
ist es erforderlich, insbesondere in einem Teilbereich eine definierte
Fließfähigkeit
einzustellen. Das ist beispielsweise derjenige Teilbereich des ersten
Bauteils, mit dem das zweite Bauteil in Kontakt kommt. Dieser Teilbereich
kann bei einer elektrischen Kontaktverbindung der Kontaktbereich des
Bauteils sein. Um insbesondere in einem solchen Teilbereich eine
gewünschte
Fließfähigkeit
einzustellen beziehungsweise ein Fließen zu verhindern, ist in einer
bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass zumindest eine der Schichten
Erhebungen und/oder Vertiefungen als Fließhindernisse aufweist. Derartige Erhebungen
und/oder Vertiefungen bilden daher ein Profil, das nach Art eines
Strömungshindernisses wirkt
und ein Fließen über die
Erhebung und/oder Vertiefungen hinaus verhindert. Daher ist innerhalb eines
von Erhebungen und/oder Vertiefung begrenzten Teilbereichs nur ein
Fließen
innerhalb dieses Teilbereichs, jedoch nicht darüber hinaus möglich.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu diesen Fließhindernissen
sind unterschiedliche Schichten oder Schichtenfolgen nebeneinander
angeordnet, so dass ein von einem Außenbereich begrenzter Teilbereich gebildet
ist, der im Vergleich zum Außenbereich
eine andere, insbesondere eine höhere
Materialfließfähigkeit
aufweist. Dieser Teilbereich ist beispielsweise der Kontaktbereich
für die
Ausbildung einer elektrischen Kontaktverbindung. Durch die vergleichsweise hohe
Fließfähigkeit
lediglich in diesem Teilbereich ist eine hohe Kontaktsicherheit
auch dann erzielt, wenn das korrespondierende Kontaktteil nicht
plan auf der Kontaktebene auftrifft. Durch die relativ hohe Fließfähigkeit
des Materials kann das korrespondierende Kontaktteil in das andere
Bauteil eindringen. Auf Grund der hohen Fließfähigkeit verdrängt es hierbei einen
Teil des Materials des anderen Kontaktteils, welches sich also an
die spezielle Geometrie und Lage des zweiten Kontaktteils anpasst,
so dass eine großflächige Kontaktierung
mit geringem Kontaktwiderstand gebildet ist.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
weiterhin gelöst
durch ein Verfahren zur Einstellung der Materialfließfähigkeit
zumindest eines Bauteils einer Bauteilpaarung, bei der zur Ausbildung
einer mechanischen Verbindung, wie beispielsweise eine Schraub-,
Niet- oder sonstigen Verbindung, zumindest zwei Bauteile mechanisch
miteinander verbunden sind, wobei bei dem einen Bauteil mehrere
unmittelbar aneinander angrenzende Schichten aus unterschiedlichen
Materialien mit einer Einzeldicke von etwa 10 μm bis 200 μm insbesondere durch ein thermisches
Spritzverfahren erzeugt werden. Dabei besteht in einer bevorzugten
Ausführungsvariante
die Möglichkeit,
das gesamte Bauteil durch das thermische Spritzverfahren zu erzeugen.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsvarianten sind
den Unteransprüchen
zu entnehmen. Die im Hinblick auf die Bauteilpaarung angeführten Vorteile sind
sinngemäß auch auf
das Verfahren zu übertragen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischen Darstellungen:
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1 eine
Bauteilpaarung, bei der auf einem ersten Bauteil mehrere Schichten übereinander
zur Einstellung des Gesamtfließverhaltens
angeordnet sind, und
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2 eine
Bauteilpaarung, bei der auf dem einen Bauteil Schichten unterschiedlicher
Materialien nebeneinander angeordnet sind und ein innen liegender
Teilbereich mit einer hohen Materialfließfähigkeit ausgebildet ist.
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Gemäß den 1 und 2 umfasst
die Bauteilpaarung jeweils ein erstes Bauteil 2 sowie ein zweites
Bauteil 4, auf dem mehrere Schichten 6A, 6B unterschiedlicher
Materialien aufgebracht sind. Durch die Schichten 6A, 6B wird
die Materialfließfähigkeit
des zweiten Bauteils 4 im Verbindungsbereich zum ersten
Bauteil 2 eingestellt. In gleicher Weise kann auch die
Materialfließfähigkeit
des ersten Bauteils 2 eingestellt werden. Die Bauteilpaarung
kann eine Bauteilpaarung zur Übertragung
von mechanischen Kräften
sein, beispielsweise eine Schraub-, Niet- oder sonstige Verbindung.
Vorzugsweise wird durch die Bauteilpaarung eine elektrische Kontaktverbindung
ausgebildet, so dass zwischen den beiden Bauteilen 2, 4 eine
leitfähige
Verbindung geschaffen ist. Für
diese elektrische Kontaktverbindung ist eine hohe Kontaktsicherheit
und ein geringer Kontaktwiderstand von Vorteil. Die Kontaktsicherheit
bei der elektrischen Kontaktverbindung oder auch die Verbindungssicherheit
bei einer mechanischen Verbindung ist jedoch durch das übliche Materialfließen bei
einer herkömmlichen
Verbindung gefährdet. Durch
die Anordnung der Schichten 6A, 6B und der damit
verbundenen gezielten Einstellung des gewünschten Materialfließverhaltens
wird der Schwächung
der Verbindung sicher und insbesondere auch langfristig entgegengewirkt.
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Nach 1 ist
hierzu eine Schichtenfolge mit aufeinander angeordneten Schichten 6A, 6B vorgesehen.
Beide Schichten 6A, 6B weisen eine Erhebung 8 auf,
zwischen denen ein Teilbereich 10 begrenzt ist. Dieser
Teilbereich 10 hat beispielsweise eine runde, rechteckige
oder sonstige Grundfläche. Die
Erhebungen 8 können
auch einfach als langgestreckte Stege ausgebildet sein. Durch diese
Erhebungen 8 wird die Materialfließfähigkeit über die Erhebungen 8 hinaus
unterbunden, so dass im Teilbereich 10 ein sehr begrenztes
Fließverhalten
erzielt ist. Bei einer Druckbelastung in Richtung des Pfeils 11 werden
die Kräfte
daher in die Schichten 6A, 6B und das zweite Bauteil 4 eingeleitet,
wobei keine oder nur eine geringe plastische oder elastische Verformung auftritt.
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Nach 2 sind
die Schichten 6A, 6B nebeneinander angeordnet.
Zugleich können
jedoch auch unterschiedliche Schichtenfolgen, also aufeinander angeordnete
Schichten, vorgesehen sein. Auch hier ist ein Teilbereich 10 gebildet,
der von einem Außenbereich 12 begrenzt
ist, welcher durch eine der Schichten 6B gebildet ist.
Die den Teilbereich 10 bildende Schicht 6A weist
im Vergleich zu der äußeren Schicht 6B eine
höhere
Materialfließfähigkeit
auf. Insgesamt hat das zweite Bauteil 4 in dieser Ausführung im
Teilbereich 10 eine hohe Fließfähigkeit und im Außenbereich 12 eine
sehr geringe oder keine Fließfähigkeit.
Im Teilbereich 10 ist ein gewünschtes Fließverhalten
erlaubt. Und zwar dient dieses hohe Fließverhalten zur Ausgleichung
von Unebenheiten, wenn beispielsweise das erste Bauteil 2 nicht
plan sondern schräg
auf dem zweiten Bauteil 4 zum Aufliegen kommt. Durch das
verkantete Auftreffen wäre
bei einer elektrischen Kontaktverbindung zwischen den beiden Bauteilen 2, 4 nur
eine vergleichsweise geringe Kontaktfläche und damit ein hoher Kontaktwiderstand
gebildet. Durch das hohe Fließverhalten
im Teilbereich 10 dringt das erste Bauteil 2 in
die Schicht 6A ein, verdrängt dabei einen Teil des Materials
der Schicht 6A, welches sich insgesamt an das erste Bauteil 2 anschmiegt,
so dass eine hohe Kontaktfläche
geschaffen ist. Bei einer Druckbelastung tritt also eine auf den
Teilbereich 10 begrenzte plastische oder elastische Verformung
auf.
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Die
Schichten 6A, 6B sind dabei mittels eines thermischen
Spritzverfahrens, insbesondere mit dem so genannten Flammspritzen
erzeugt. Das thermische Spritzen, insbesondere das Flammspritzen, hat
die wesentlichen Vorteile, dass es insbesondere im Hinblick auf
die verwendeten Materialien sehr flexibel ist. Zudem ist ein selektives,
also örtlich
begrenztes, Auftragen eines Beschichtungsmaterials ermöglicht.
Weiterhin ist der Einsatz von chemisch bedenklichen Zusatzmitteln,
wie sie beispielsweise bei einem galvanischen Beschichten notwendig
sind, nicht erforderlich. Auch lassen sich mit dem Flammspritzen
hohe Prozessgeschwindig keiten erzielen und es ist ein vergleichsweise
geringer technologischer Aufwand notwendig, so dass insgesamt die Verfahrenskosten
gering sind.
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- 2
- erstes
Bauteil
- 4
- zweites
Bauteil
- 6A,
6B
- Schichten
- 8
- Erhebung
- 10
- Teilbereich
- 11
- Pfeil
- 12
- Außenbereich