JP5642069B2 - 複合部材並びに複合部材を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載された複合部材及び請求項１１の上位概念部に記載された、複合部材を製造する方法に関する。すなわち本発明は、複合部材、特に自動車において使用される複合部材であって、第１の接触面を備えた第１の部材と、該第１の接触面に接触している第２の接触面を備えた第２の部材とを有しており、第１の接触面が、電磁放射線を用いて形成された表面構造を有している形式のものに関する。本発明はまた、複合部材を製造する方法であって、第１の接触面を備えた第１の部材と第２の部材とを有しており、第１の接触面が、電磁放射線を用いて形成された表面構造を有している、複合部材を製造する方法に関する。

金属をプラスチックによって包埋射出成形（Umspritzen）することは公知であり、この場合金属部分には、プラスチック材料との形状結合を可能にするために、例えばリブ又はワッフル構造もしくはハニカム構造のような刻み目を備えた、巨視的な構造が設けられている。使用される熱可塑性プラスチックは、金属には固着しないが、収縮応力を巧みに利用すると、最初は、複合部材の気密性を得ることができる。しかしながらこの気密性は、特に温度及び／又は負荷の変化時又は媒体影響時には、一時的なものである。

大成プラス社（Firma TaiseiPlus）の特許明細書に基づいて、金属部分の表面を化学的に構造化し、次いで、このように構造化された表面に、プラスチック部材を射出成形法において固定することが公知である。

ＤＥ１０２００４０３４８２４Ｂ４に基づいて、少なくとも１つの金属製のシール層を備えた金属製のフラットパッキンが公知である。この場合金属製のシール層は、レーザビームを用いて形成された表面構造を備えていて、この表面構造にエラストマ材料が設けられる。

発明の開示
技術的な課題
本発明の課題は、特に頑丈もしくは堅牢な点で傑出している複合部材を製造することである。複合部材は有利には確実かつ持続的に気密であることが望ましい。複合部材は、熱可塑性プラスチック製の部材と別の部材とを、特に包埋射出成形によって結合するのに特に適していることが、望まれている。本発明の別の課題は、相応に最適化された複合部材を製造する方法を提供することである。

技術的な解決策
この課題を解決するために本発明による複合部材では、冒頭に述べた形式の複合部材において、表面構造が、ナノ構造によって重畳されたマイクロ構造を有しているようにした。

上記課題を解決するために本発明による方法では、冒頭に述べた、複合部材を製造する方法において、表面構造がナノ構造によって重畳されたマイクロ構造を有するように、表面構造を形成するようにした。

本発明の有利な構成は従属請求項に記載されている。また本発明は、本明細書、特許請求の範囲及び／又は図面に開示された特徴のうちの少なくとも２つの特徴から成る組合せをも含む。また繰り返しを避けるために、方法について開示された特徴は、物の発明である複合部材についても開示したもの見なされ、かつ複合部材について開示された特徴は、方法についても開示したものと見なされる。

本発明は下記の思想、すなわち複合部材の第１の部材の表面を、両方の部材の接合前に電磁放射線の使用下で構造化して、マイクロ構造のみならずナノ構造をも有する表面構造を生ぜしめる、という思想に基づいている。この場合ナノ構造がマイクロ構造の上に位置するように、つまりマイクロ構造がナノ構造によって重畳されるように、ナノ構造を配置することが望ましい。このように表面構造化された部材は、複合部材において、互いに接触している少なくとも２つの部材の間における改善された固着を保証する。この場合互いに接触している２つの部材が、特に第１の部材の表面構造の外側の領域において互いに形状結合式に結合されていると、特に堅牢な複合部材を得ることができ、有利である。特に有利には、形状結合部は少なくとも部分的に包埋射出成形によって形成され、この場合形状結合に加えて実現されている、表面構造に起因する固着によって、温度変化及び／又は負荷変化及び／又は媒体収納後においても、高められた強度及びシール性が得られる。

複合部材に上記のように形成された表面構造を配置することによって、相応な部材材料では、温度変化及び／又は負荷変化時にも、特に攻撃的な媒体影響時にも、耐性を有する気密性が保証される。ＤＥ１０２００４０３４８２４Ｂ４に基づいて公知の金属-エラストマ複合体とは異なり、本発明によって形成された複合部材は、特に、部材のうちの少なくとも１つが熱可塑性プラスチックから形成されている部材コンビネーションのためにも適している。また少なくとも１つの部材が、熱硬化性プラスチックを備えているような実施形態も可能である。

本発明の別の有利な構成では、マイクロ構造のマイクロ構造エレメントが、約１μｍ〜約９９９μｍの間のサイズ範囲の直径を有している。またナノ構造のナノ構造エレメントが、付加的に又は択一的に、約１ｎｍ〜約９９９ｎｍの間のサイズ範囲の直径を有していると、特に有利である。

表面構造を形成するための電磁放射線としてレーザビームが使用されると、特に有利である。そのために特に有利には超短パルスレーザが使用され、この場合表面構造が、効果を高めるため及び／又は不動態化のためにプロセス媒体の影響下で形成されると、さらに有利である。この際にプロセスガス、特に不活性ガスが使用されると有利である。プロセスガスが、有利には鋼又はアルミニウムから成る第１の部材における酸化層の形成を阻止するヘリウム又はアルゴンであると、特に有利である。

本発明の有利な構成では、使用される電磁放射線、特にレーザビームの放射線波長が、約１０ｎｍ〜約１１μｍの間の値範囲から選択されている。波長が、約２００ｎｍ〜約１５００ｎｍの間の波長範囲から選択されていると、特に有利である。付加的に又は択一的に、放射線パルス継続時間、特にレーザビームパルス継続時間が、約１０ｆｓ〜約１０μｓの間の値範囲から、特に有利には約１００ｆｓ〜約１００ｐｓの間の値範囲から選択されると、特に有利である。相応な放射線パラメータの選択によって、ナノ構造を重畳されたマイクロ構造を備えた所望の表面構造を得ることができる。

特に有利な構成では、複合部材の材料対が、第１の部材が金属、特に鋼から成っていて、第２の部材がプラスチック、特に熱可塑性プラスチック又は熱硬化性プラスチックから形成されており、この場合さらに、第１の部材が、形状結合式の結合部を形成するために、少なくとも部分的に有利には完全にプラスチックから成っている第２の部材によって、取り囲まれるように射出成形されていると、有利である。しかしながら本発明はこのような部材対に制限されるものではない。特に有利には、第１の部材は少なくとも部分的に有利には完全に、金属及び／又はセラミック及び／又はプラスチック及び／又は半導体材料から形成されていて、かつ／又は第２の部材は少なくとも部分的に有利には完全に、プラスチックから形成されている。表面構造によって惹起された固着は、この場合特に確実で堅固な結合を生ぜしめ、この結合は、形状結合によって特に有利に助成される。

特に有利な実施形態では、第１の部材と第２の部材とが少なくともほぼ等しい熱膨張係数を有しており、これによって温度変化時においてもシール性を確実に保証することができる。

複合部材が燃料噴射系の構成部材であると、特に有利である。また、打抜きグリッド（Stanzgitter）を、特に制御装置、センサ又は電気的なコネクタにおける打抜きグリッドを、前記複合部材によって形成することも、可能である。さらに複合部材が、プラスチックハウジングを固定するために有利に働く、プラスチックによって包埋射出成形された（金属製の）ブシュとして形成されていると、特に有利である。さらにまた複合部材が、特に内燃機関のラムダセンサのための、屈曲導体又は包埋射出成形されたセラミック部材の構成部材であると、有利である。

本発明はまた、複合部材を製造する方法、特に上に述べた複合部材を製造する方法にも関する。本発明による方法では、第１の部材と第２の部材との接合前に、第１の部材の接触面を構造化する。本発明による方法の核心は、ナノ構造によって重畳されたマイクロ構造を有する表面構造を、第１の部材において形成することであり、これによって生じる結合部の強度及び／又はシール性を改善することができる。

電磁放射線を用いて、有利にはプロセス媒体の影響下で、特にプロセスガス雰囲気下で、表面構造化を行うと、特に有利であり、これによって部材表面を化学的に変化させること、例えば不動態化すること、及び構造化効果を高めることができる。

さらに、表面構造を生ぜしめるために超短パルスレーザを使用すると、有利である。

第２の部材と第１の部材とを、有利には第１の部材を取り囲むように第２の部材を射出成形することによって、形状結合式に結合すると、特に有利であり、このようにすると、表面構造化によって得られる固着に加えて、安定的な形状結合を保証することができる。

構造化された第１の部材を、少なくとも第２の部材と接合されるまで、不活性ガス雰囲気下に、特に窒素雰囲気下に置くと、表面構造の酸化を回避することができ、特に有利である。また、第２の部材の接合、特に第１の部材を少なくとも部分的に取り囲むような包埋射出成形による、第２の部材の接合を、不活性ガス雰囲気又は真空下で行うと、特に有利である。

次に図面を参照しながら本発明の有利な実施形態を説明する。

表面構造を備えた第１の部材を示す斜視図である。 図１に示された表面構造を拡大して示す図である。 図１に示された第１の部材と第２の部材とを有する複合部材を示す断面図である。

発明の実施形態
図１には、図３に示された複合部材２の構成部分である第１の部材１が示されている。

第１の部材１は図示の実施形態ではアルミニウムから形成されており、かつ第１の接触面３を有している。この第１の接触面３で、図３に示された複合部材２における第１の部材１は、第２の部材４に、より正確に言えば第２の部材４の第２の接触面５に、接触している。

第１の部材１、より正確には第１の接触面３は、図２に拡大して示されている表面構造６を有している。図１から分かるように、第１の接触面３は全面的に表面構造６を有している。図２に示された表面構造６は、凸部及び／又は凹部のマイクロ構造エレメント８を備えたマイクロ構造７を有している。マイクロ構造エレメント８は、複数のナノ構造エレメント９と１つのナノ構造１０とを備えており、このナノ構造１０はマイクロ構造エレメント８の外側領域にも存在している。ナノもしくはマイクロ構造化された部材表面（第１の接触面３）によって、図３に示された複合部材２においては第１の部材１と第２の部材４との間に固着力が作用する。

表面構造６を形成するために、最初に、構造化されていない第１の接触面３が、パルス制御されたレーザビームを用いて照射される。この場合レーザビームはスキャナ系を用いて変向されて、第１の部材１の構造化される領域をスキャン（abrastern）する。所望の表面構造を形成するためには、この場合有利には高いパルス列周波数を有するフェムト秒レーザ、ピコ秒レーザ又はナノ秒レーザを使用することができる。図２に示された表面構造６を形成するための構造化プロセスは、アルミニウム又は鋼から形成された第１の部材１における酸化物層の形成に影響を与えるために、有利にはプロセスガス中において行われる。レーザビームを第１の部材１における第１の接触面３に対して移動させる送り速度は、有利には１００ｍｍ／ｓ〜１０，０００ｍｍ／ｓの間である。

図３に示された複合部材２を製造するために、第１の部材１は、より正確に言えば、表面構造６を備えた第１の接触面３は、熱可塑性プラスチックから成る第２の部材４によって、取り囲まれるように包埋射出成形される。両方の部材１，４の間における形状結合（Formschluss）は、第２の部材４が第１の部材１の周囲カラー１１を取り囲むように該周囲カラー１１に係合することによって、保証される。択一的に、第１の部材１に、例えば第２の部材４によって包埋射出成形される舌状片又はこれに類したものが設けられてもよい。特に有利なのは第２の部材４である。第２の部材４は、特に有利にはグラス繊維及び／又は鉱物によって強化されたプラスチックから成っており、有利には熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂から成っており、特に有利には３０〜６０重量％のガラス繊維及び／又は鉱物を含有する熱可塑性材料から成っている。複合部材のためには例えば、ポリフェニレンスルフィドをベースとした、媒体影響下の成形材料が適している。

Claims (14)

1. 複合部材であって、第１の接触面（３）を備えた第１の部材（１）と、該第１の接触面（３）に接触している第２の接触面（５）を備えた少なくとも１つの第２の部材（４）とを有しており、第１の接触面（３）が、電磁放射線を用いて形成された表面構造（６）を有している形式のものにおいて、
   表面構造（６）が、ナノ構造（１０）によって重畳されたマイクロ構造（７）を有しており、
   表面構造（６）が、１００ｆｓ〜１００ｐｓの間のパルス継続時間をもつレーザを用いて、プロセスガス雰囲気を含むプロセス媒体下で、形成されており、
   プロセスガスによって第１の部材における酸化物層の形成が阻止されることを特徴とする複合部材。
2. マイクロ構造（７）が、１μｍ〜９９９μｍの間のサイズ範囲の直径をもつマイクロ構造エレメント（８）を有し、かつナノ構造（１０）が、１ｎｍ〜９９９ｎｍの間のサイズ範囲の直径をもつナノ構造エレメント（９）を有している、請求項１記載の複合部材。
3. 表面構造（６）が、１０ｎｍ〜１１μｍの間の範囲の放射線波長で、かつ１００ｆｓ〜１０μｓの間の範囲の放射線パルス継続時間で、形成されている、請求項１又は２記載の複合部材。
4. 第１の接触面（３）が金属、セラミック、熱可塑性プラスチック又は熱硬化性プラスチックを含むプラスチック、及び半導体材料の少なくともいずれかから形成されており、かつ第２の接触面（５）が、熱可塑性プラスチック又は熱硬化性プラスチックを含むプラスチックから形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の複合部材。
5. 複合部材（２）が、少なくとも両接触面（３，５）の間に接着促進剤を有していない、請求項１から４までのいずれか１項記載の複合部材。
6. 第２の接触面（５）が、熱可塑性プラスチックを含むプラスチックから形成されており、第１の部材（１）が、少なくとも部分的に、射出成形によって第２の部材（４）によって取り囲まれている、請求項１から５までのいずれか１項記載の複合部材。
7. 第１の部材（１）と第２の部材（４）とが等しい熱膨張係数を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の複合部材。
8. 第１の接触面（３）が全面的に表面構造（６）を備えている、請求項１から７までのいずれか１項記載の複合部材。
9. 複合部材（２）が、燃料噴射弁の構成部材、打抜きグリッドの構成部材、屈曲導体の構成部材、射出成形により包埋されたセラミック部材の構成部材、又は射出成形されたプラスチックにより包埋されたブシュの構成部材である、請求項１から８までのいずれか１項記載の複合部材。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の複合部材（２）を製造する方法であって、第１の接触面（３）を備えた第１の部材（１）と少なくとも１つの第２の部材（４）とを有しており、第１の接触面（３）が、電磁放射線を用いて形成された表面構造（６）を有している、複合部材（２）を製造する方法において、
    表面構造（６）がナノ構造（１０）によって重畳されたマイクロ構造（７）を有するように、表面構造（６）を形成し、
    前記表面構造（６）を、１００ｆｓ〜１００ｐｓの間のパルス継続時間をもつレーザを用いて、プロセスガス雰囲気を含むプロセス媒体下で、形成し、
    プロセスガスによって第１の部材における酸化物層の形成を阻止することを特徴とする、複合部材を製造する方法。
11. 第１の部材（１）を表面構造化の後で第２の部材（４）と形状結合式に結合し、第２の部材（４）を、少なくとも部分的に、熱可塑性材料を含むプラスチック材料から形成する、請求項１０記載の方法。
12. 第１の部材（１）と第２の部材（４）との結合が、第１の部材（１）を第２の部材（４）の射出成形によって少なくとも部分的に取り囲むことにより行われる、請求項１１記載の方法。
13. 構造化された第１の部材（１）を、第２の部材（４）の接合まで、不活性ガス雰囲気下に置く、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 構造化された第１の部材（１）を、第２の部材（４）の接合中にも不活性ガス雰囲気下に置く、請求項１３記載の方法。

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