DE10238520A1

DE10238520A1 - Hybridbauteile, Verfahren zu deren Herstellung unter Verwendung des Mikrozellular-Schaum Spritzgusses und deren Verwendung

Info

Publication number: DE10238520A1
Application number: DE2002138520
Authority: DE
Inventors: Reinhold Platz; Frank Reil
Original assignee: Ticona GmbH
Current assignee: Ticona GmbH
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2003-11-20

Abstract

Beschrieben werden Hybridbauteile, umfassend ein erstes Formteil aus Metall und/oder Kunststoff, das an mindestens einer Oberfläche mit einem zweiten Formteil aus mikrozellulärem Schaum aus thermoplastischem Kunststoff und gasgefüllten Mikroporen verbunden ist, wobei der mittlere Porendurchmesser ein bis fünzig Mikrometer beträgt. DOLLAR A Diese Hybridbauteile zeichnen sich durch keine oder geringe innere Spannungen aus und lassen sich beispielsweise zur Herstellung von Automobil-Bauteilen einsetzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Hybridbauteile, die vorzugsweise zur Herstellung von Automobil-Bauteilen, Weißgeräte-Bauteilen und Laufwerken eingesetzt werden können, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Hybridbauteile aus Kombinationen Kunststoff/Kunststoff oder Metall / Kunststoff sind hinlänglich bekannt. Derartige Bauteile können in Outsert- Technik hergestellt werden, d. h. auf der Oberfläche eines Formteil wird durch Spritzguss ein weiteres Formteil aufgebracht. Es kann aber auch die Insert- Technik angewendet werden, d. h. ein Formteil wird mit einem Kunststoff ganz oder teilweise umspritzt.

Bei der Herstellung von Hybridbauteilen entstehen infolge unterschiedlichen Schwundes der Teile Spannungen, die sich negativ auf die Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften des Hybridbauteils auswirken und im Extremfall sogar zum vorzeitigen Versagen des Hybridbauteils führen können.

Insbesondere bei der Kombination von großflächigen Blech- oder Stahl-Inserts mit Kunststoff-Formteilen entstehen Hybridbauteile mit großen Schwindungsspannungen, die gegebenenfalls durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen zwischen Kunststoff und Blech bzw. Stahl noch verstärkt werden können.

Es besteht ein Bedarf an Hybridbauteilen, die diese Nachteile nicht oder nur zu einem geringen Ausmaß besitzen.

Es wurde jetzt gefunden, dass durch Kombination eines Formteils mit einem mikrozellulären Schaum Hybridbauteilen erhalten werden können, bei denen die Ausbildung von Spannungen wesentlich reduziert ist. Dieses wirkt sich vorteilhaft auf die Gebrauchs- und Verarbeitungseigenschaften des Hybridwerkstoffes aus.

Es hat sich herausgestellt, dass infolge der Ausbildung von Mikroporen bei der Herstellung des Hybridbauteiles ein wesentlicher Teil des Schwundes des geschäumten Kunststoffteils kompensiert wird. Dies hat zudem einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenspannungen, die durch Schwindung zwischen Einlegeteil (Outset- bzw. Faser-Teil) und Kunststoff entstehen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridbauteil umfassend ein erstes Formteil aus Metall und/oder Kunststoff, das an mindestens einer Oberfläche mit einem zweiten Formteil aus mikrozellulären Schaum aus thermoplastischem Kunststoff und gasgefüllten Mikroporen verbunden ist, wobei der mittlere Porendurchmesser ein bis fünfzig Mikrometer beträgt.

Das erste Formteil kann aus beliebigen Metallen und/oder Kunststoffen bestehen.

Beispiele für Metalle sind Eisen, insbesondere Stahl, Aluminium und Kupfer, die gegebenenfalls oberflächenbehandelt sind.

Als Kunststoffe für das erste Formteil können duroplastische und/oder thermoplastische Kunststoffe eingesetzt werden. Auch homogene und heterogene Kunststoffmischungen können verwendet werden.

Beispiele für thermoplastische Kunststoffe sind Polyacetale, Polyester, insbesondere Polybutylenterephthalat und/oder Polyethylenterephthalat, aliphatische und aromatische Polyamide, Polyolefine, insbesondere Polyethylen, Polypropylen oder Polyolefine abgeleitet von Cycloolefin- Monomeren, wie Norbornen-Ethylen Copolymere, Polyarylensulfide, wie Polyphenylensulfid, Polyarylenoxide, wie Polyphenylenoxid, Polyarylensulfone, wie Polyphenylensulfon, Polyarylenethersulfone, wie Polyphenylkenethersulfon, Polyarylenetherketone, wie Polyphenylenetherketon (PEK) oder Polyphenylenetheretherketon (PEEK), Polyimide, Polyetherimide, Polycarbonate, Polyacrylate, wie Polymethacrylat, Polyurethane oder Polystyrole.

Beispiele für duroplastische Kunststoffe sind härtbare Polyester, Phenolharze oder insbesondere Epoxidharze.

Als Kunststoffe für das zweite Formteil werden thermoplastische Kunststoffe eingesetzt. Beispiele dafür sind weiter oben aufgeführt.

Die beschriebenen duroplastischen und thermoplastischen Kunststoffe können übliche Hilfs-, Zusatz-, Füll- und Verstärkungsmittel enthalten, welche die Verarbeitung bzw. Weiterverarbeitung erleichtern und/oder welche dem Weiterverarbeitungsprodukt gewünschte Eigenschaften verleihen.

Beispiele für Zusatzstoffe sind Füllstoffe und/oder Verstärkungsstoffe, wie Farbstoffe oder organische oder anorganische Pigmente, beispielsweise Azo- und Diazopigmente, Metallkomplexpigmente, Titandioxid, Eisenoxid, Chromoxid, Ultramann Pigmente, Aluminiumsilikat-Pigmente oder Ruß; Antistatika, wie Ruß; Verstärkungsmittel, wie Fasern aus unterschiedlichsten Materialien, wie Glas, Kohlenstoff oder Metall; oder mineralische Füllstoffe, wie Calciumcarbonat, Kaolin, Tone, Titandioxid, Aluminium-Trihydrat, Wollastonit, Talkum, Pyrophyllit, Quarz, Silikate, Bariumsulfat, Antimonoxid, Glimmer, Calciumsulfat, Magnesiumhydroxid oder Feldspat; synthetische Füllstoffe, wie Ruß, synthetische Silikate, feste und hohle Microspheres, auf Glas basierende Additive, metallische Additive, wie Aluminium-, Eisen- oder Silberpulver; magnetische Additive oder Nanocomposites.

Beispiele für weitere Zusatzstoffe sind Antioxidantien und Lichtstabilisatoren, sowie Verarbeitungshilfsmittel, wie Entformungsmittel, Gleitmittel oder Haftmittel.

Bevorzugte Zusatzstoffe sind Verstärkungsfasern, insbesondere Glas-, Aramid- und/oder Kohlefasern.

Das zweite Formteil des erfindungsgemäßen Hybridbauteils ist ein mikroporöser Schaum. Dies bedeutet, dass die im Schaum vorhandenen Poren einen mittleren Porendurchmesser von 1 bis 50 µm, vorzugsweise von 1 bis 30 µm, aufweisen.

Das erste Formteil kann beliebige Formen aufweisen. Neben flächigen Bauteilen, wie planen oder geformten Blechen oder Platten sind auch Formteile mit komplizierter dreidimensionaler Gestalt einsetzbar.

Vorzugsweise besteht das erste Formteil aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, oder aus thermoplastischem Kunststoff und ist flächig ausgestaltet.

Das erste Formteil kann vollständig aus Metall oder Kunststoff bestehen oder es kann seinerseits ein Hybridbauteil sein. Die Oberfläche des ersten Formteils kann beliebige Strukturen aufweisen; sie kann glatt oder aufgerauht sein und aus einem Material bestehen oder eine Kombination von Materialien aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das erste Formteil thermoplastischen Kunststoff, und weist an mindestens einer Oberfläche Leiterbahnen auf. Diese werden im erfindungsgemäßen Hybridbauteil vom Schaum aus thermoplastischem Kunststoff bedeckt oder eingebettet.

Bezüglich des Materials ist keine besondere Einschränkung nötig. Die Leiterbahnen können im Prinzip aus jedem elektrisch leitfähigen Material hergestellt werden, wie zum Beispiel aus Metallen, elektrisch leitfähigen Kunststoffen oder aus Graphit.

Vorzugsweise bestehen die Leiterbahnen aus einem gut elektrisch leitfähigem Metall, wie zum Beispiel aus Kupfer.

Die erfindungsgemäßen Hybridbauteile können in Insert-Technik und in Outsert-Technik hergestellt werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen betreffen ein Hybridbauteil, worin das erste Formteil aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, besteht, und das an sämtlichen Oberflächen von dem Schaum aus thermoplastischem Kunststoff umschlossen ist oder das an einer Oberfläche mit dem Schaum aus thermoplastischem Kunststoff verbunden ist.

Noch weitere bevorzugte Ausführungsformen betreffen ein Hybridbauteil, worin das erste Formteil aus thermoplastischem Kunststoff besteht, das an sämtlichen Oberflächen von dem Schaum aus thermoplastischem Kunststoff umschlossen ist oder das an einer Oberfläche mit dem Schaum aus thermoplastischem Kunststoff verbunden ist und wobei das erste und das zweite Formteil vorzugsweise aus demselben thermoplastischen Kunststoff bestehen.

Die Mikroporen des Kunststoffes des zweiten Bauteils enthalten Gase gefüllt, die bei der Herstellung als Treibmittel eingesetzt worden sind. Dabei kann sich im Laufe der Zeit ein gewisser Gasaustauch zwischen der Umgebungsluft und dem Inhalt der Mikroporen stattfinden.

Als Treibmittel wählt man vorzugsweise Gase oder Fluide, die inert sind, d. h. den Kunststoff des zweiten Bauteils nicht oder nicht nennenswert chemisch verändern, und/oder die sich leicht in einen überkritischen Zustand überführen lassen. Beispiele für bevorzugte Treibmittel sind Stickstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Argon, fluorhaltige Kohlenwasserstoffe, Luft oder deren Kombinationen.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Hybridbauteils. Das Verfahren umfasst die Massnahmen:

a) Einbringen eines ersten Formteils aus Metall und/oder Kunststoff in eine Spritzgussform,
b) Einbringen von plastifizierter, unter Überdruck stehender und ein Fluid im überkritschen Zustand aufweisender Formmasse aus thermoplastischem Kunststoff von einer Schneckenkolben- Spritzgußmaschine in die Spritzgussform, wobei sich
c) thermoplastischer Kunststoff und Fluid entspannen und sich in der Spritzgussform ein zweites Formteil ausbildet, das gasgefüllte Mikroporen mit einem mittleren Porendurchmesser von ein bis fünfzig Mikrometer aufweist.

Die Herstellung von Schäumen enthaltend Mikroporen mittels überkritischer Fluide durch Spritzgussverfahren ist an sich bekannt. Dazu wird ein Fluid in den Schneckenvorraum einer Spritzgussvorrichtung eingebracht, so dass sich das Fluid in der verdichteten und plastifizierten Kunststoff-Spritzmasse im überkritischen Zustand vorliegt. Nach dem Einspritzen dieser Zusammensetzung in das Werkzeug bildet sich infolge einer plötzlichen Entspannung ein mikroporöser Schaum aus. Dabei wirkt das im überkritischen Zustand vorliegende Fluid als Treibmittel.

Die erfindungsgemäßen Hybridbauteile lassen sich auf verschiedensten Gebieten der Technik einsetzen. Beispiele dafür sind Automobilbauteile, Weißgeräte, Kleingeräte, Laufwerke, wie VCR, DV oder CD.

Vorzugsweise werden die erfindungsgemäßen Hybridbauteile zur Herstellung von Automobil-Bauteilen, Weißgeräte-Chassis, Recorder-Chassis, insbesondere Videorecorder-Chassis, Haushalts-Kleingeräte-Chassis oder Laufwerken eingesetzt, insbesondere zur Herstellung von Türmodulen, Frontend-Modulen, Dachmodulen, Heckklappen, Spritzwandmodulen, Reserveradmulden, Sitzmodulen oder Unterbodengruppen, sowie von Laugenbottichen und Videorecorder-Platinen.

Deutsche Patentanmeldung 102 38 520.3

Ausführungsbeispiel

Es wurde ein Spritzgussanlage vom Typ KM 150 90 400 CZ Multiinject (Krauss Maffei) eingesetzt. Diese war mit einer Gasaufbereitungsanlage (SCF-Einheit), einem Massezylinder für Gasinjektoren zum Zudosieren des Treibmittels sowie einer Mischstufe mit luftgekühlten Heizbändern ausgestattet.

In ein Spritzgusswerkzeug wurde ein Stahlblech eingelegt. Das Werkzeug wies auf einer seiner Innenseiten eine Kreuzverrippung zur Aussteifung des Stahlbleches auf.

In dieses Werkzeug wurde eine glasfaser-verstärkte Polybutylenterephthalat- Formmasse (Celanex® 2300) gespritzt, in das überkritisches Kohlendioxid injiziert worden war. Es bildete sich ein mikrozellulärer Schaum aus, der mit dem Stahlblech unter Ausbildung eines Hybridformteils verbunden war.

Claims

1. Hybridbauteil umfassend ein erstes Formteil aus Metall und/oder Kunststoff, das an mindestens einer Oberfläche mit einem zweiten Formteil aus mikrozellulärem Schaum aus thermoplastischem Kunststoff und gasgefüllten Mikroporen verbunden ist, wobei der mittlere Porendurchmesser ein bis fünfzig Mikrometer beträgt.

2. Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formteil einen thermoplastischen Kunststoff enthält, und an mindestens einer Oberfläche Leiterbahnen aufweist, die von dem mikrozellulären Schaum aus thermoplastischem Kunststoff bedeckt sind.

3. Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formteil faserverstärkte thermoplastischen Kunststoff enthält.

4. Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formteil aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, besteht, das an sämtlichen Oberflächen von dem mikrozellulären Schaum aus thermoplastischem Kunststoff umschlossen ist.

5. Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formteil aus thermoplastischem Kunststoff besteht, das an sämtlichen Oberflächen von dem mikrozellulären Schaum aus thermoplastischem Kunststoff umschlossen ist, wobei das erste und das zweite Formteil vorzugsweise aus demselben thermoplastischen Kunststoff bestehen.

6. Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formteil aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, besteht und flächig ausgestaltet ist und das an einer Oberfläche mit dem mikrozellulären Schaum aus thermoplastischem Kunststoff verbunden ist.

7. Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formteil aus thermoplastischem Kunststoff besteht und flächig ausgestaltet ist und das an einer Oberfläche mit dem mikrozellulären Schaum aus thermoplastischem Kunststoff verbunden ist, wobei das erste und das zweite Formteil vorzugsweise aus demselben thermoplastischen Kunststoff bestehen.

8. Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff für das erste Formteil ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Epoxidharzen, Polyacetalen, Polyestern, insbesondere Polybutylenterephthalat und/oder Polyethylenterephthalat, alipahtischen oder aromatischen Polyamiden, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen, Polypropylen oder Polyolefinen abgeleitet von Cycloolefin-Monomeren, insbesondere Norbornen-Ethylen Copolymeren, Polyarylensulfiden, Polyarylenoxiden, Polyarylensulfonen, Polyarylenethersulfonen, Polyarylenetherketonen, Polyimiden, Polyetherimiden, Polycarbonaten, Polyurethanen, Polyacrylaten oder Polystyrolen.

9. Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff für das zweite Formteil ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Polyacetalen, Polyestern, insbesondere Polybutylenterephthalat und/oder Polyethylenterephthalat, alipahtischen oder aromatischen Polyamiden, Polyolefinen, insbesondere Polyethylen, Polypropylen oder Polyolefinen abgeleitet von Cycloolefin-Monomeren, insbesondere Norbornen-Ethylen Copolymeren, Polyarylensulfiden, Polyarylenoxiden, Polyarylensulfonen, Polyarylenethersulfonen, Polyarylenetherketonen, Polyimiden, Polyetherimiden, Polycarbonaten, Polyurethanen, Plyacrylaten oder Polystyrolen.

10. Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gasgefüllten Mikroporen gefüllt sind mit Gasen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Ammoniak, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Argon, fluorhaltigen Kohlenwasserstoffen und Luft oder deren Kombinationen.

11. Verfahren zur Herstellung des Hybridbauteils nach Anspruch 1 umfassend die Massnahmen:

a) Einbringen eines ersten Formteils aus Metall und/oder Kunststoff in eine Spritzgussform,

b) Einbringen von plastifizierter, unter Überdruck stehender und ein Fluid im überkritschen Zustand aufweisender Formmasse aus thermoplastischem Kunststoff von einer Schneckenkolben- Spritzgussmaschine in die Spritzgussform, wobei sich

c) thermoplastischer Kunststoff und Fluid entspannen und sich in der Spritzgussform ein zweites Formteil ausbildet, das gasgefüllte Mikroporen mit einem mittleren Porendurchmesser von ein bis fünfzig Mikrometer aufweist.

12. Verwendung des Hybridbauteils nach Anspruch 1, zur Herstellung von Automobil-Bauteilen, Weißgeräte Chassis, Videorecorder-Chassis, oder Haushalts-Kleingeräte-Chassis, insbesondere von Türmodulen. Türmodulen, Frontend-Modulen, Dachmodulen, Heckklappen, Spritzwandmodulen, Reserveradmulden, Sitzmodulen oder Unterbodengruppen.