DE3206219A1

DE3206219A1 - Plastic-metal bonds by the ultrasonic process

Info

Publication number: DE3206219A1
Application number: DE19823206219
Authority: DE
Inventors: Siegfried 5880 Lüdenscheid Ehrig; Klaus-Heinz Fischer; Karl-Friedrich 5920 Bad Berleburg Hild; Heinz Dipl.-Ing. 5210 Troisdorf Kroschel
Original assignee: Agrodur Grosalski & Co; Agrodur Grosalski & Co 5608 Radevormwald; Dynamit Nobel AG
Current assignee: Agrodur Grosalski & Co 5608 Radevormwald De Dyna
Priority date: 1982-02-20
Filing date: 1982-02-20
Publication date: 1983-09-01
Also published as: DE3206219C2

Abstract

Plastic-metal bonds by the ultrasonic process, in which elongated metal parts are to be embedded in plastic parts which are preferably only a little thicker. The metal parts are formed in their area to be embedded with a cross-section having edges, are twisted about their longitudinal axis and, if appropriate, also angled-off. In the production process, the sonotrode of the ultrasonic device covers the area of the entire flowing plastics material and ensures the displacement of the latter into a recess provided on the outside of the plastic part.

Description

Kunststoff-Netallverbindungen nach dem UltraschallverfahrenPlastic metal connections using the ultrasonic method

Die Erfindung befaßt sich mit einer ICunststoff -Metallverbindung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Verfahren zu deren Herstellung.The invention is concerned with an IC-plastic-metal compound according to the preamble of claim 1 and a method for their production.

Verbindungen von Metallteilen mit Kunststoffen, bei denen die Metallteile allseitig mit Kunststoff in höherer Wanddicke umschlossen sind, um statische bzw. dynamische Kräfte aufzunehmen, sind in vielfacher Form bekannt. Beispielsweise können sie im Spritzverfahren hergestellt werden, wobei die MetallteiLe vor dem eigentlichen Spritzvorgang separat in das Spritzwerkzeug eingesetzt werden müssen.Connections of metal parts with plastics, in which the metal parts are enclosed on all sides with plastic with a thicker wall in order to avoid static or To absorb dynamic forces are known in many ways. For example, can they are manufactured by injection molding, with the metal parts before the actual Injection process must be used separately in the injection mold.

Weiterhin können an vorgefertigten Kunststoffteilen Bohrungen, Ausschnitte, hohe Materialdicken od. dgl. vorgesehen werden, in welche nachträglich Metallteile wie Hülsen, Bolzen, Niete, Stifte oder Federn im Ultraschallverfahren eingesetzt werden, indem auf diese eine mit vorgegebener Frequenz schwingende Sonotrode aufgesetzt wird, welche durch Zufuhr mechanischer Energie die Einbettung bewirkt.Furthermore, holes, cutouts, high material thicknesses or the like are provided, in which metal parts are subsequently added such as sleeves, bolts, rivets, pins or springs in the ultrasonic process used by placing a sonotrode on it that vibrates at a predetermined frequency which causes the embedding by supplying mechanical energy.

In all diesen bekannten Fällen sind jedoch relativ hohe Wanddicken der Kunststoffteile in Relation zu den Metallteilen erforderlich, um für diese eine ausreichende Ummantelung und damit Festigkeit der Verbindung zu gewährleisten. Beim Spritzverfahren kommt noch als nachteilig hinzu daß beim Einsetzen der Metallteile eine hohe Fertigungsgenauigkeit für das Spritzwerkzeug und enge Toleranzen und besondere Formgebung zur Verankerung der Metallteile im Kunststoff notwendig sind. Zusätzlicher Aufwand ist erforderlich, um die Abdichtung des Formwerkzeuges so präzis auszuführen, daß kein Spritzgut in unzulässiger Weise aùstreten kann. Darüber hinaus können bei stark unterbrochenem Materialfluß während des Spritzvorgangs, z.B. infolge einer größeren Anzahl von Metallteilen,die in ein einziges Kunststoffteil einzubetten sind, oder bei entsprechend dicken Metallteilen, hohe örtliche Spannungen im Kunststoffteil auftreten, welche im Laufe der Zeit zu Rißbildungen führen können.In all of these known cases, however, the wall thicknesses are relatively high of the plastic parts in relation to the metal parts required for this one to ensure adequate sheathing and thus strength of the connection. At the Injection molding is also a disadvantage when inserting the metal parts high manufacturing accuracy for the injection mold and tight tolerances and special Shaping to anchor the metal parts in the plastic are necessary. Additional Effort is required to carry out the sealing of the molding tool so precisely that that no spray material can emerge in an inadmissible manner. In addition, at severely interrupted flow of material during the spraying process, e.g. as a result of a larger number of metal parts to be embedded in a single plastic part are, or with correspondingly thick metal parts, high local stresses in the plastic part occur, which can lead to the formation of cracks over time.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Kunststoff-Metallverbindungen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 insbesondere die vorstehenden Nachteile zu vermeiden, d.h. diese so auszubilden, daß sie mit möglichst geringem Aufwand mit der im jeweiligen Einzelfall geforderten Festigkeit einwandfrei herstellbar sind. Dies insbesondere auch dann, wenn aufgrund vorgegebener beschränkter Raumverhältnisse das Kunststoffteil nur wenig dicker als das einzubettende Metallteil ist, beispielsweise nur um 10 bis 20 %, insbesondere nur um 15 %, so daß nur eine sehr dünnwandige Umhüllung der eingebetteten Metallteile möglich ist. Die Erfindung ist aber mit Vorteil auch an- wendbar bei solchen Kunststoff- und Metallteilen, bei dene die Umhüllung sehr unterschiedliche Wanddicken aufweist.The invention is based on the object of plastic-metal connections according to the preamble of claim 1 in particular the above disadvantages to avoid, i.e. to train them in such a way that they can be operated with as little effort as possible flawlessly manufacturable with the strength required in each individual case are. This is especially true when due to the given limited space the plastic part is only slightly thicker than the metal part to be embedded, for example only by 10 to 20%, in particular only by 15%, so that only a very thin-walled envelope the embedded metal parts is possible. But the invention is also advantageous at- reversible for such plastic and metal parts where the Enclosure has very different wall thicknesses.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Das Metallteil ist dabei in seinem einzubettenden Bereich "längsgestreckt" ausgebildet, d .h. es weist einen bezogen auf die Länge dieses Bereiches vergleichsweise kleinen Querschnitt auf. Dieser Bereich kann dabei gerade, aber z.B. auch gekrümmt sein.According to the invention, this object is achieved in accordance with the characteristic of claim 1. The metal part is "elongated" in its area to be embedded trained, i.e. it has a comparative effect on the length of this area small cross-section. This area can be straight, but e.g. also curved be.

Das Metallteil wird mit seinem einzubettenden Bereich, entsprechend seiner jeweiligen Querschnittsform ausgerichtet auf das Kunststofformteil aufgelegt und durch Aufsetzen der Sonotrode eines Ultraschallgerätes in Richtung quer zu seiner Längserstreckung in das Kunststoffteil eingebettet. Dabei stellt die Ausbildung des Metallteiles mit wenigstens einer Längskante im einzubettenden Bereich sicher, daß dieser auf seiner der Sonotrode zugewandten Seite besonders gut vom Kunststoff umhüllt und damit formschlüssig gehalten und auch gegen Verdrehen gesichert ist.The metal part with its area to be embedded is accordingly its respective cross-sectional shape aligned on the plastic molded part and by placing the sonotrode of an ultrasound device in the direction transverse to it Longitudinal extension embedded in the plastic part. The training represents of the metal part securely with at least one longitudinal edge in the area to be embedded, that this is particularly good from the plastic on its side facing the sonotrode enveloped and thus held in a form-fitting manner and also secured against twisting.

Dieser Effekt wird in vorteilhafter Weise noch verstärkt, wenn zwei oder mehr Kanten vorgesehen sind, das Metallteil also z.B. mit einem Dreiecksprofil versehen ist. Das KunKF stoffteil ist dabei aus einem Thermoplasten, beispielsweise aus Polyamid, Polyvinylchlorid oder Acryl-Butadien Styrol hergestellt.This effect is further intensified in an advantageous manner if two or more edges are provided, the metal part e.g. with a triangular profile is provided. The KunKF fabric part is made of a thermoplastic, for example made of polyamide, polyvinyl chloride or acrylic butadiene styrene.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist nach Anspruch 2 eine Profilgestaltung des einzubettenden Metallteilbereiches vorgesehen, welche das Einbetten oder #Einschallen erleichtert. Bevorzugte Profilquerschnitte sind im Anspruch 3 angegeben. Eine besonders vorteilhafte Maßnahme stellt die Verdrillung nach Anspruch 4 dar, die nicht nur die Festigkeit der Verbindung zusätzlich erhöht, sondern auch in gewisser Weise einen gezielten Materialfluß des beim Einbetten zu verdrängenden Kunststoffes be- wirkt, indem der verdrillte Bereich ähnlich einer Förderschnecke geformt ist und dadurch das orientierte Abfließen des Materials beçinstigt.In an expedient embodiment of the invention, claim 2 is a Profile design of the metal sub-area to be embedded is provided, which enables the embedding or #Einschallen relieved. Preferred profile cross-sections are given in claim 3 specified. A particularly advantageous measure is the twist according to claim 4, which not only increases the strength of the connection, but also In a certain way, a targeted flow of material to be displaced during embedding Plastic loading acts by making the twisted area similar to a Conveyor screw is shaped and thereby the oriented drainage of the material is facilitated.

Sofern im Einzelfall eine noch höhere Festigkeit der Verbindung gefordert sein sollte, kann dies gemäß Anspruch 5 erreicht werden. Die Abwinkelung erfolgt im Hinblick auf den vorgenannten Materialfluß bevorzugt nicht scharfkantig sondern mit einem von den räumlichen Verhältnissen des Einzelfalles abhängigen mehr oder weniger großen Biegeradius. Bevorzugt wird eine Abwinkelung um etwa 90 O es kommen aber auch andere Winkel in Frage.If an even higher strength of the connection is required in individual cases should be, this can be achieved according to claim 5. The angling occurs With regard to the aforementioned material flow, it is preferably not sharp-edged but rather with a more or more dependent on the spatial conditions of the individual case less large bending radius. An angle of about 90 ° will preferably occur but other angles are also in question.

Eine besonders einfache Möglichkeit, um Aufdicknngen oder unerwünschte Formänderungen des Kunststoffteils durch das eingeschallte Metallteil zu vermeiden, ist im Anspruch 6 angegeben. Die Aussparung braucht bei dem vorgenannten steuerbaren Materialfluß nicht der Gestalt des einzubette den Metallteilbereiches zu entsprechen, sondern ist nur in ihrer Größe auf die einzulagernden Metallkomponenten abzustimmen. Sie ist am Kunststoffteil als z.B. teilzylindrische Aushöhlung bevorzugt dort ausgebildet, wo das aufzunehmende Metallteil seitlich aus dem Kunststoffteil herausragt. Der zu verdrängende Kunststoff fließt dann vom verdrillten Metallteilbereich über dessen Abwinkelung herum nach außen in die Aushöhlung hinein und füllt diese bevorzugt aus. Um diesen Vorgang huch bei einer Serienfertigung mit engen Toleranzen reproduzierbar durchführen zu können, erweist sich das im Anspruch 7 angegebene Verfahren als besonders vorteilhaft.A particularly easy way to thicken or unwanted To avoid changes in the shape of the plastic part caused by the sound-beamed metal part, is specified in claim 6. The recess needs in the aforementioned controllable Material flow does not correspond to the shape of the metal part to be embedded, it is only necessary to match the size of the metal components to be stored. It is preferably formed on the plastic part as a partially cylindrical cavity, for example, where the metal part to be picked up protrudes laterally from the plastic part. Of the The plastic to be displaced then flows from the twisted metal part area over the latter Angled around outward into the cavity and fills it preferentially the end. This process can be reproduced with tight tolerances in series production to be able to perform, the method specified in claim 7 proves to be special advantageous.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel schematisch gezeigt und wird anhand dieses nachstehend noch näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Aufsicht auf Kunststoff~ und Metallteil vor dem Einbetten, Fig. 2 eine entsprechende Anordnung nach dem Einbetten, Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie A-3 in Fig. 1 und Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie C-D in Fig. 2.The invention is shown schematically in the drawing in one embodiment and is explained in more detail below on the basis of this. Show it Fig. 1 shows a plan view of the plastic and metal part before embedding, and FIG. 2 shows a corresponding one Arrangement after embedding, Fig. 3 shows a section along the line A-3 in Fig. 1 and 4 show a section along the line C-D in FIG. 2.

In der Zeichnung sind Ausschnitte aus einer Aufrichtmechanik gezeigt, wie sie beispielsweise in der DE-PB 18 00 121 näher beschrieben ist. Hierbei handelt es sich zur flontage erleichterung um einen separaten Kunststoffring, in dem zwölf Federelemente gleichmäßig über den Umfang verteilt zu halten sind und der erst später mit dem auf zurichtenden nicht gezeigten Körper zu verbinden ist. Die Federelemente sind als Doppelschenkel-Drehfedern aus Federdraht mit rechts eckigem Querschnitt ausgeführt. Der Kunststoffring kann aufgrund vorgegebener Einbauverhältnisse nur 15 % dicker als der Federdraht sein, so daß für die Einbettung und Halterung der Federelemente nur eine geringe flaterialstärke im Ring vorgegeben ist. Darüber hinaus ist der Ring mit eingesetzten Federelementen mit sehr engen Toleranzen zu fertigen, um seine einwandfreie Befestigung und Funktion an dem aufzurichtenden zylindrischen Körper sicherzustellen Gemäß Fig. 1 ist das in das Kunststoffteil 1 einzubettende Metallteil 2, hier eine Doppelschenkel-Drehfeder, mit rechteckigem Querschnitt 3 ausgeführt, wobei gemäß Fig. 3 dessen eine Kante 4 schneidenartig auf dem Kunststoffteil 1 aufliegt. Das Metallteil 2 ist in seinem einzubettenden Bereich 5 verdrillt, d.h. geringfügig um seine Längsachse in sich verdreht und gleichzeitig mit einem vergleichsweise großen Radius bei 6 abgewinkelt, so daß eine intensive Ver- ankerung gegeben ist. Die Aussparung 7 an der äußeren Mantelfläche 8 des Ringes 1 dient zur Aufnahme des beim Einschallen zu verdrängenden Kunststoffes.In the drawing, excerpts from an erecting mechanism are shown, as described in more detail in DE-PB 18 00 121, for example. This acts To make flontage easier, there is a separate plastic ring in which twelve Spring elements are to be kept evenly distributed over the circumference and only later is to be connected to the body not shown to be prepared. The spring elements are double-leg torsion springs made of spring wire with a right-angled cross-section executed. The plastic ring can only be 15% thicker than the spring wire, so that for embedding and holding the Spring elements only have a low material thickness in the ring. Furthermore the ring with inserted spring elements is to be manufactured with very tight tolerances, to ensure that it is properly fastened and functioned on the cylindrical that is to be erected Ensure body According to FIG. 1, this is to be embedded in the plastic part 1 Metal part 2, here a double-leg torsion spring, with a rectangular cross-section 3 executed, according to FIG. 3, one edge 4 of which is like a cutting edge on the plastic part 1 rests. The metal part 2 is twisted in its area 5 to be embedded, i.e. slightly twisted around its longitudinal axis and at the same time comparatively with a large radius angled at 6, so that an intensive anchoring given is. The recess 7 on the outer circumferential surface 8 of the ring 1 is used for Absorption of the plastic to be displaced when sounding in.

Fig. 2 und 4 zeigen das eingebettete Metallteil 2, wobei die Aussparung 7 nach Fig. 1 jetzt vollständig mit Kunststoff ausgefüllt ist, die Mantelfläche 8 also wieder glatt ist. Dazu wird der Ring 1 in eine ihn außen umschließende nicht gezeigte Form eingelegt. Die Sonotrode 9 ist in Fig. 2 strichpunktiert angedeutet und so bemessen, daß das gesamte fließende Material beim Einschallen abgedeckt ist, um Materialaufdickungen zu vermeiden.Figs. 2 and 4 show the embedded metal part 2, with the recess 7 according to FIG. 1 is now completely filled with plastic, the lateral surface 8 is smooth again. For this purpose, the ring 1 is not in a surrounding it on the outside Shown shape inserted. The sonotrode 9 is indicated by dash-dotted lines in FIG and dimensioned so that the entire flowing material is covered when sounding, to avoid thickening of the material.

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Claims

Claims; 1. Plastic-metal compounds using the ultrasonic method, in the case of metal parts with a wire, band, bar, strip, pin, tongue-shaped or the like. Area to be embedded in plastic parts and preferably the wall thickness the plastic parts is only slightly larger than the thickness of the metal parts, d a -d u notify that the at least in their area to be embedded (5) elongated metal parts (2) having at least one edge (4) Have cross-section (3) and can be aligned with this relative to the plastic parts (1) are that after embedding the metal parts (2) at least partially from the plastic are positively covered.

2. A compound according to claim 1, characterized in that the metal part (2) before embedding at least a part of at least one edge (4) like a cutting edge can be placed on the plastic part (1).

3. A compound according to claim 1 or 2, characterized in that the metal part (2) at least in its area (5) to be embedded has a square, preferably rectangular, cross-section (3).

4. A compound according to any one of claims 1 to 3i, characterized in that that the metal part (2) is twisted in its area to be embedded (5).

5. Compound according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the metal part (2) is angled in its area to be embedded (5).

6. A compound according to any one of claims 1 to 5, characterized; that the plastic part (1) in the area of the metal part to be embedded (?) is provided with a recess (7) in which the metal part to be embedded corresponding plastic material can be displaced into it.

7. A method for producing a compound according to any one of the claims 1 to 6, characterized in that the on its outer surface with the Recess for the plastic to be displaced plastic part provided in a form that tightly encloses it on the outside is inserted and the at least one sonotrode causing the sound encompasses the entire area of the flowing material covered.