DE10327769A1

DE10327769A1 - Hybridbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10327769A1
Application number: DE10327769A
Authority: DE
Inventors: Jens Junggebauer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: DE10327769B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils (10), wobei zumindest ein Teilbereich einer Oberfläche eines unbeschichteten oder zumindest teilweise beschichteten Einlegeteils (12) aus Metall in einem Formraum eines Spritzwerkzeuges mit einer Kunststoffmasse (16) um- oder hinterspritzt wird.
Es ist vorgesehen, dass vor dem Um- oder Hinterspritzen zumindest an einem Teilumfang des zu um- oder hinterspritzenden Teilbereichs des Einlegeteils (12) ein abdichtender Wulst (18) auf die Oberfläche des Einlegeteils (12) oder auf den Formraum begrenzende Abdichtkanten des Spritzwerkzeuges aufgebracht wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Hybridbauteil (10) mit einem unbeschichteten oder zumindest teilweise beschichteten Metalleinlegeteil (12) und einem zumindest auf einem Teilbereich einer Oberfläche des Einlegeteils (12) um- oder hinterspritzten Kunststoff (16), welches durch einen zumindest an einem Teilumfang des um- oder hinterspritzten Teilbereichs auf das Einlegeteil (12) aufgebrachten Wulst (18) gekennzeichnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils sowie ein mit dem Verfahren herstellbares Hybridbauteil mit den in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6 genannten Merkmalen.
Hybridbauteile, bestehend aus einem metallischen Bauteil sowie einem an das Metallbauteil angespritzten Kunststoffelement, finden in vielen Bereichen, insbesondere im Kraftfahrzeugbau, Anwendung. Bei dem Einlegeteil handelt es sich üblicherweise um ein vorgeformtes Metallblech: Dieses wird in ein einen geeigneten Formraum (Kavitätsbereich) aufweisendes Spritzwerkzeug eingelegt und mit einer fließfähigen Kunststoffmasse (Kunststoffschmelze) um- oder hinterspritzt. Das Einlegeteil kann im beschichteten oder unbeschichteten Zustand um- oder hinterspritzt werden. Häufig ist es aus Gründen des Abrasions- und Korrosionsschutzes, der Kleberhaftung oder als Grundierung für einen weiteren Lackaufbau zur Verbesserung der Lackierfähigkeit ganz oder teilflächig beschichtet.
Als problematisch erweisen sich bei dem Spritzprozess häufig die fertigungsbedingten Toleranzen des Einlegeteils, die abhängig von der Bauteilgröße und Ausformung im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm, typischerweise von 0,4 mm, liegen. Die Fertigungstoleranzen werden bedingt durch Rohmaßtoleranzen, den Umformprozess sowie andere vorlaufende Prozesse, beispielsweise Wärmebehandlung. Dem stehen – abhängig von Kunststoffsorte und Prozessparametern beim Anspritzprozess – Toleranzanforderungen im Bereich von 0,01 bis 0,04 mm gegenüber, die für ein qualitätsgerechtes Um- beziehungsweise Hinterspritzen erforderlich sind. Diese Relation von Soll- zu Ist-Toleranz von mindestens etwa 1:10 führt zu einer unzureichenden Abdichtsituation beim Spritzverfahren, häufig resultierend in ein so genanntes Überspritzen des Kunststoffs über den anzuspritzenden Teilbereich der Oberfläche des Einlegeteils hinaus.
Erschwerend für die Abdichtung beim Anspritzen kommt hinzu, dass die Einlegeteile häufig einen Springeffekt aufweisen, wodurch es beim Aufstreifen auf Formkerne beziehungsweise Halteelemente des Werkzeugs eine Tendenz zum Verschieben gibt, wenn das Einlegeteil versucht, eine spannungsarme Position einzunehmen. Dieser Effekt wird durch Wärmeeinfluss im Spritzwerkzeug verstärkt. Infolgedessen müssen beim Spritzprozess neben der Abdichtung des Formraums auch Haltekräfte aufgebracht werden. Um der Deformation des Einlegteils beim Spritzprozess entgegenzuwirken, sind relativ große Abdichtungs- und Haltekräfte, mit denen das Einlegeteil mittels fester oder beweglicher Funktionsbereiche mit dem Spritzwerkzeug fixiert wird, erforderlich. Diese Kräfte werden über die Beschichtung in das Einlegeteil eingeleitet und führen zu einem Beschädigungsrisiko der Beschichtung sowie zu möglichen unerwünschten Deformationen des Einlegeteils. Auf der anderen Seite führt eine Reduzierung der Haltekräfte häufig zum Überspritzen. Es besteht also die Gefahr, dass die Beschichtung des Einlegeteils durch das Halten und Abdichten beim Spritzprozess beschädigt oder beeinträchtigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Herstellungsverfahren für Hybridbauteile zur Verfügung zu stellen, bei dem ein Überspritzen des Einlegeteils mit der Kunststoffmasse sowie gegebenenfalls eine Beschädigung der Beschichtung vermieden wird. Es soll ferner ein durch das Verfahren herstellbares Hybridbauteil vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass vor dem Um- oder Hinterspritzen zumindest an einem Teilumfang des zu um- oder hinterspritzenden Teilbereichs des Einlegeteils ein abdichtender Wulst auf die Oberfläche des Einlegeteils oder auf Abdichtkanten des Spritzwerkzeuges, die den Formraum begrenzen, aufgebracht wird, wird ein Überspritzen des Einlegeteils über den anzuspritzenden Oberflächenbereich hinaus wirkungsvoll verhindert. Auf diese Weise entsteht ein reproduzierbarer Herstellungsprozess und die Prozesssicherheit und Qualitätssicherheit nehmen zu. Durch die Einsparung von korrigierenden Nacharbeiten sowie die Reduzierung von Ausschussproduktion kann zusätzlich ein Kostenvorteil erzielt werden. Die Abdichtung erlaubt zudem eine größere Designfreiheit sowie die Verwendung niedrigviskoser (leicht fließfähigere) Kunststoffschmelzen für das Spritzverfahren und gegebenenfalls dünnere Blechstärken des Einlegeteils.
Vorzugsweise wird der Wulst derart angeordnet und ausgestaltet, dass sich beim Um- oder Hinterspritzen im Spritzwerkzeug eine Abdichtung zwischen Einlegeteil und dem Spritzwerkzeug, das heißt eine Abdichtung des Formraums des Spritzwerkzeugs, bildet.
Die Form des abdichtenden Wulstes kann nahezu beliebige Ausgestaltungen haben. Eine mittlere Schichtdicke des Wulstes wird vorzugsweise so ausgelegt, dass sie zumindest annähernd einer Fertigungstoleranz des Einlegeteils und/oder seiner Deformation beim Spritzen entspricht, um diese auszugleichen. Der Wulst erlaubt damit eine Reduzierung der für die Fixierung des Einlegeteils erforderlichen Haltekräfte und vermindert das Beschädigungsrisiko der Beschichtung.
Der Wulst entlastet die vorhandene Beschichtung des Einlegeteils und ermöglicht, dass die oben genannten Eigenschaften der Beschichtung nicht ganz oder teilweise verloren gehen, das heißt die Beschichtung nicht beschädigt wird. Dafür wird die Konsistenz des vorzugsweise aus einem Kunststoff bestehenden Materials des abdichtenden Wulstes so gewählt, dass die Haltekräfte beim Einlegen des Einlegeteils in das Spritzwerkzeug beschädigungsfrei über den Wulst aufgenommen werden und in das Einlegeteil eingeleitet werden. Die Materialeigenschaften erlauben eine plastische oder elastische Deformation des Einlegeteils, ohne die Abdichtung zu gefährden. Der Wulst nimmt einerseits die Springkräfte des Einlegeteils und andererseits die Haltekräfte des Werkzeuges auf und verteilt sie in der Umgebung. Damit werden lokale mechanische Belastungen der Beschichtung reduziert und ein Abplatzen oder Ablösen der tragenden Beschichtung verhindert.
Der abdichtende Wulst kann beispielsweise in Form einer Kleberraupe auf das Einlegeteil oder auf die Abdichtkanten des Spritzwerkzeuges aufgebracht werden. Dies kann ohne weiteres automatisiert in Serienprozessen durchgeführt werden.
Nach dem Auftragen kann der Wulst durch Aufschäumen oder Aufquellen in seine gewünschte Kontur gebracht werden. Ferner kann seine Dichte vor oder nach dem Anspritzen durch übliche Verfahren verändert werden. Das Material des Wulstes kann einerseits so gewählt werden, dass es eine hohe Affinität zum angespritzten Kunststoff aufweist, um eine sichere Verbindung zu gewährleisten. Andererseits kann auch ein Material mit geringer Affinität zum Kunststoff gewählt werden, so dass die Positionierung dann über Kraftschluss im Abdichtbereich erfolgt. Alternativ ist auch eine Verbindung über Formschluss mittels geeigneter geometrischer Elemente möglich.
Bei der um- oder hinterzuspritzenden Kunststoffmasse kann es sich um ein thermoplastisches, ein duroplastisches, ein elastomeres Polymer oder eine Mischung von diesen handeln.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Figur, die ein fertiges Hybridbauteil in einer Schnittansicht zeigt, näher erläutert.
In der einzigen Figur ist ein fertiges Hybridbauteil 10 in einer Schnittansicht dargestellt. Das Hybridbauteil 10 umfasst ein vorgeformtes Einlegeteil 12 aus Metall. Das Einlegeteil 12 ist beidseitig vollflächig mit einer Beschichtung 14, beispielsweise einer KTL-Schicht oder einer Grundierung, beschichtet.
An Teilbereichen einer Oberfläche des Einlegeteils 12 sind verschiedene Kunststoffelemente 16, 16a angespritzt, wobei unter Anspritzen vorliegend ein Um- oder ein Hinterspritzen verstanden wird. Gemäß dem vorliegenden Beispiel bildet der angespritzte Kunststoff 16 einerseits an den abgewinkelten Enden des Einlegeteils 12 umschließende, im Querschnitt im Wesentlichen U-förmige Elemente 16 aus. Andererseits bildet der angespritzte Kunststoff eine in der Darstellungsebene liegende flächige Kunststoffrippe 16a aus. Das Hybridbauteil 10 weist ferner an den Umfängen der angespritzten Teilbereiche des Einlegeteils 12 erfindungsgemäße Wülste 18 auf, die in nachfolgend zu erläuternder Weise dem Herstellungsprozess dienen.
Das Anspritzen des Kunststoffs 16, 16a an das Einlegeteil 12 erfolgt in einem üblicherweise aus zwei Werkzeughälften bestehenden Spritzwerkzeug (nicht dargestellt). Dabei wird das Einlegeteil 12 in die beiden Werkzeughälften, die zusammen einen auszuspritzenden Formraum ausbilden, eingelegt. Dann wird eine fließfähige, üblicherweise heiße Kunststoffmasse 16 durch geeignete Öffnungen des Werkzeugs in den Formraum eingespritzt, wo sie aushärtet und sich mit dem Einlegeteil 12 beziehungsweise der Beschichtung 14 verbindet. Um die eingangs erläuterten Probleme bei diesem Spritzprozess zu überwinden und eine zuverlässige und möglichst spannungsarme Abdichtung und Halterung des Einlegeteils 12 in dem Spritzwerkzeug zu gewährleisten, werden erfindungsgemäß vor dem Spritzprozess abdichtende Wülste 18 zumindest an Teilumfängen der anzuspritzenden Bereiche auf das Einlegeteil 12 angebracht.
Für die Anbringung der Wülste 18 bestehen verschiedene Möglichkeiten, die in den vergrößerten Teilansichten 1A bis 1C dargestellt sind. Gemäß der in 1A dargestellten Ausführungsvariante werden die Wülste 18 seitlich unmittelbar angrenzend an die von dem Kunststoff 16 anzuspritzenden Oberfläche des Einlegeteils 12 angebracht. In dieser Ausführung greifen Abdichtkanten des nicht dargestellten Spritzwerkzeuges direkt an die beidseitig aufgebrachten Wülste 18 ohne Berührung mit dem Einlegeteil 12. Im Ergebnis ist nach Aushärten des Kunststoffs 16 dieser benachbart und begrenzt durch den Wulst 18 angeordnet.
In der Teilansicht 1B ist eine weitere Ausgestaltung der Anordnung der Wülste 18 dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform sind die abdichtenden Wülste 18 so angeordnet, dass die Abdichtkanten des Spritzwerkzeuges neben den Wülsten 18 direkt an das Einlegeteil 12 angreifen und die Wülste 18 vom eingespritzten Kunststoff 16 praktisch vollständig eingeschlossen werden. Eine Abdichtung des Formraums erfolgt hier durch den einfließenden Kunststoff 16 selbst, der einen Druck auf die Wülste 18 ausübt und diesen somit gegen die Abdichtkanten des Werkzeugs andrückt. Auch nach dieser Variante kann die Haltekraft, mit der das Einlegeteil 12 eingespannt wird, gegenüber dem Stand der Technik verringert werden, ohne eine Beeinträchtigung der Abdichtung in Kauf zu nehmen.
In der Teilansicht 1C ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, bei der die Wülste 18 nur zum Teil von dem Kunststoff 16 eingeschlossen werden. Nach dieser Variante greifen die Abdichtkanten des Spritzwerkzeuges zum einen Teil an die Wülste 18 und zum anderen Teil an das Einlegeteil 12 an.
Gemäß den 1B und 1C weist das Einlegeteil 12 Durchgänge 20 beziehungsweise Bohrungen auf, die von dem Kunststoff 16 ausgefüllt werden. Die Durchgänge 20 dienen der formschlüssigen Verbindung von Einlegeteil 12 und Kunststoff 16.
Die Wahl des Materials der Wülste 18 richtet sich nach Art der Beschichtung 14, dem Kunststoff 16 sowie den Prozessbedingungen beim Um- oder Hinterspritzen. Auch seine Konsistenz und Elastizität kann diesen Parametern angepasst werden. Beispielsweise handelt es sich bei den Wülsten 18 um Klebstoffraupen, die durch Düsen maschinell aufgetragen werden können.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der Wulst 18 auch an den Abdichtkanten angeordnet werden. Diese Ausgestaltung kann in zwei Varianten realisiert werden. Nach der ersten Variante verbleibt der Wulst 18 dauerhaft am Spritzwerkzeug und kann somit für eine Vielzahl von Spritzvorgängen eingesetzt werden. Nach der zweiten Variante verbindet sich der zunächst an den Abdichtkanten angeordnete Wulst 18 beim Anspritzprozess mit dem Einlegeteil 12 beziehungsweise mit dem Kunststoff 16. In beiden Varianten können die in den 1A, 1B und 1C dargestellten Anordnungen realisiert werden.

10: Hybridbauteil
12: Einlegeteil
14: Beschichtung
16: Kunststoff
16a: Kunststoffrippe
18: Wulst
20: Durchgang

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils (10), wobei zumindest ein Teilbereich einer Oberfläche eines unbeschichteten oder zumindest teilweise beschichteten Einlegeteils (12) aus Metall in einem Formraum eines Spritzwerkzeuges mit einer Kunststoffmasse (16) um- oder hinterspritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Um- oder Hinterspritzen zumindest an einem Teilumfang des zu um- oder hinterspritzenden Teilbereichs des Einlegeteils (12) ein abdichtender Wulst (18) auf die Oberfläche des Einlegeteils (12) oder auf den Formraum begrenzende Abdichtkanten des Spritzwerkzeuges aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wulst (18) eine Abdichtung eines Formraumes des Spritzwerkzeuges bildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Schichtdicke des Wulstes (18) geeignet ist, um zumindest annähernd eine Fertigungstoleranz und/oder eine Deformation des Einlegeteils (12) auszugleichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wulst (18) aus einem Kunststoff besteht, insbesondere in Form einer Klebstoffraupe auf das Einlegeteil (12) oder auf die Abdichtkanten des Spritzwerkzeuges aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmasse (16) ein thermoplastisches, duroplastisches, elastomeres Polymer oder eine Mischung von diesen umfasst.
Hybridbauteil (10) mit einem unbeschichteten oder zumindest teilweise beschichteten Metalleinlegeteil (12) und einem zumindest auf einem Teilbereich einer Oberfläche des Einlegeteils (12) um- oder hinterspritzten Kunststoff (16), gekennzeichnet durch einen zumindest an einem Teilumfang des um- oder hinterspritzten Teilbereichs auf das Einlegeteil (12) aufgebrachten Wulst (18).