Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie hiermit hergestelltes Verbundbauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein mit einem derartigen Verfahren hergestelltes Verbundbauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3. Ein gattungsgemäßes Verfahren sowie hiermit hergestellte Verbundbauteile sind durch offenkundige Vorbenutzung bekannt. Dabei wird eine haftlackbeschichtete Metallkomponente in einem kontinuierlichen Prozess durch Koextrusion mit einer Kunststoffkomponente verbunden. Die Metallkomponente, die hierbei in Folienform vorliegt, wird bei dem bekannten Verfahren vorgeheizt, sodass die Haftvermittler- schicht während des Spritzgießens aktiviert wird und eine Verbindung der Metallkomponente mit der angespritzten Kunststoffkomponente schafft. Eine Aktivierung des Haftvermittlers erfordert die Überschreitung einer bestimmten, vom jeweils eingesetzten Haftvermittler abhängigen Temperatur. Wird diese Temperatur nicht erreicht, so resultiert eine unzureichende Verbindung zwischen den beiden Kompo- nenten des Verbundbauteils. Die Verbindung über eine Haftvermittlerschicht war daher bislang wenigen speziellen Anwendungsgebieten vorbehalten.
Aus der DE 38 39 855 C2 ist weiterhin ein Verbundbauteil bekannt, bei dem Verstärkungsrippen aus angespritztem Kunststoff an einem Grundkörper aus Metall über Durchbrüche in diesem Grundkörper verbunden sind, durch die der Kunststoff gespritzt ist. Eine derartige Verbindung weist keine optimale Festigkeit auf. Alternativ ist es bekannt, eine formschlüssige Verbindung auch über eine entsprechende Versi- ckung der Metallkomponente zu erreichen. Derartige formschlüssige Verbindungen weisen stets eine unzureichende Verbundfestigkeit auf.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass über die Haftvermittlerschicht regelmäßig eine sichere Verbindung zwischen den Komponenten des Verbundbauteils geschaffen ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Herstellungsverfahren mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch Metallkomponenten ausrei- chend zur Aktivierung der Haftvermittlerschicht erwärmen, bei denen dies bislang vor oder während dem Sphtzgussschritt nicht möglich war. Insbesondere lassen sich auch dickere Metallkomponenten einsetzen, die bisher während des Spritzgießens an der der Kunststoffkomponente zugewandten Seite nicht ausreichend zur Haftvermittleraktivierung erwärmt werden konnten, da die Wärme sofort ins Innere des Me- talls abfloss. Erfindungsgemäß wird nachträglich soviel Wärme zugeführt, bis auch eine dickere Metallkomponente nahe der Haftvermittlerschicht so erwärmt ist, dass letztere aktiviert wird. Da das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von der Prozessführung beim Spritzgießen ist, kann es im Anschluss an ein kontinuierliches oder auch an ein diskontinuierliches Spritzgussverfahren durchgeführt werden. Da beim diskontinuierlichen Spritzgießen die Metallkomponente in der Regel über die daran anliegende Wandung der Gussform erheblich abgekühlt wird, waren Verbundbauteile, die durch diskontinuierliches Spritzgießen hergestellt wurden, einer Verbindung über eine Haftvermittlerschicht bislang praktisch nicht zugänglich. Auch die Komponenten derartiger Verbundbauteile können nun mit Hilfe einer Haftvermittlerschicht miteinander verbunden werden.
Eine induktive Erwärmung nach Anspruch 2 ist besonders elegant. Die Metallkomponente muss hierzu nicht besonders vorbereitet werden. Auch sperrige Verbundbauteile können ohne größere apparative Probleme auf diese Weise durch Aktivie- rung der Haftvermittlerschicht hergestellt werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbundbauteil der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine belastbare Verbindung zwischen der Metall- und der Kunststoffkomponente mit geringem Aufwand erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verbundbauteil mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 3 angegebenen Merkmalen.
Eine aktivierbare Haftvermittlerschicht kann schon im Vorfeld einer ggf. erforderlichen Unformung der Metallkomponente bzw. im Vorfeld der Fertigung des Verbundbauteils aufgebracht werden, was die Fertigung vereinfacht. Eine Verbindung der Metallkomponente mit der Kunststoffkomponente über Formschluss ist nicht zwin- gend erforderlich, sodass beispielsweise eine hinterschneidungsfreie Ausgestaltung der Verbindungswand zwischen der Metallkomponente und der Kunststoffkomponente möglich ist. Die Haftvermittlerschicht gewährleistet eine sichere stoffschlüssige Verbindung zwischen der Metallkomponente und der Kunststoffkomponente. Die Metallkomponente und die Kunststoffkomponente können insbesondere so ausges- taltet sein, dass die Anlagefläche der Haftvermittlerschicht über die Verbindungswand eine größtmögliche Ausdehnung bis hin zu einer völligen Bedeckung der Metallkomponente aufweist. Dies verringert die Anforderungen an die Haftvermittlerschicht zur Erzielung eines vorgegebenen Stoffschlusses. Je nach Aufbau des Verbundbauteils kann die Metallkomponente einseitig oder auch beidseitig mit der Haft- ermittlerschicht versehen sein.
Die Haftvermittlerschicht kann auf die Metallkomponente gemäß Anspruch 4 vollflächig oder alternativ nur dort aufgebracht sein, wo Haftung erwünscht ist. Es können gezielt haftungsfreie Bereiche erzeugt werden.
Ein zusätzlicher Formschlussbeitrag gemäß Anspruch 5 senkt die Anforderungen an die Haftvermittlerschicht zur Gewährleistung einer sicheren Verbindung zwischen der Metallkomponente und der Kunststoffkomponente. Die Verbindungsstruktur kann zum Beispiel als Rippe oder als Napf ausgeführt sein. Auch andere Verbindungs- Strukturen sind möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 einen gebrochenen Schnitt durch ein Verbundbauteil;
Fig. 2 bis 4 zu Fig. 1 ähnliche Darstellungen weiterer Ausführungen eines Verbundbauteils; und
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens für ein Verbundbauteil nach den Fig. 1 bis 4.
Ein Verbundbauteil 1 weist als Metallkomponente ein Blech 2 aus Stahl oder Alumi- nium auf. Über eine durchgehende Verbindungswand 3 haftet das Blech 2 an einer Kunststoffkomponente 4 des Verbundbauteils 1. Die Kunststoffkomponente 4 um- fasst einen parallel zur Verbindungsfläche 3 angeordneten Verbindungsabschnitt 4a und einen hierzu senkrecht stehenden Verstärkungsabschnitt 4b in Form einer Rippe bzw. eines Steges. Dort, wo der Verbindungsabschnitt 4a und der Verstärkungsab- schnitt 4b aneinander stoßen, ist vorzugsweise eine spannungsentlastende Verrun- dung 4c vorgesehen. Senkrecht zur Verbindungswand 3 weist das Blech 2 eine Dicke auf, die je nach Ausführung des Verbundbauteils 1 bemessen ist. Zwischen dem Blech 2 und dem Verbindungsabschnitt 4a der Kunststoffkomponente 4 ist eine Haftvermittlerschicht 5 angeordnet, über welche das Blech 2 und die Kunststoffkompo- nente 4 aneinander haften. Die Haftvermittlerschicht 5 wird auch als Primer bezeichnet.
In den Fig. 2 bis 4 sind alternative Ausführungen eines Verbundbauteils 1 dargestellt. Komponenten, die denjenigen entsprechen, die unter Bezugnahme auf die Fig. 1 schon erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Die Ausführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von denjenigen von Fig. 1 dadurch, dass der Verbindungsabschnitt 4a nicht durchgehend ausgeführt ist, sondern als sich rechts und links des Verstärkungsabschnitts 4b erstreckender Fußabschnitt gestaltet ist, sodass die Kunststoffkomponente des Verbundbauteils 1 nach Fig. 2 im dargestellten Bereich den Querschnitt eines umgekehrten Buchstabens „T" aufweist.
Bei der Ausführung nach Fig. 2, liegt wie bei derjenigen nach Fig. 1 , eine durchge- hende Haftvermittlerschicht 5 vor. Alternativ ist es möglich, die Haftvermittlerschicht nur dort vorzusehen, wo die Kunststoffkomponente 4 über die Verbindungsfläche 3 an dem Blech 2 anliegt.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist zusätzlich zu dem Stoffschluss über die Haftvermittlerschicht 5 der Ausführung nach den Fig. 1 und 2 über einen im Spritzgusspro- zess hergestellten Niet 8 eine formschlüssige Verbindung ausgeführt. Der Niet 8 erstreckt sich hierbei durch eine Durchtrittsöffnung 9 im Blech 2 und ist einstückig mit der Kunststoffkomponente 4 verbunden.
Im in Fig. 4 dargestellten Ausschnitt einer weiteren Variante des Verbundbauteils 1 weist das Blech 2 eine im Querschnitt U-förmige Verbindungsstruktur 6 auf, die in eine hierzu komplementäre Verbindungsaufnahme 7 der Kunststoffkomponente 4 eingreift. Aufgrund der Verbindungsstruktur 6 und der hierzu komplementären Verbindungsaufnahme 7 ist das Blech 2 auch formschlüssig mit der Kunststoffkomponente 4 verbunden.
Bei der Ausführung der Fig. 4 ist die Verbindungsstruktur 6 als durchgehende Ver- bindungsrippe ausgeführt. Alternativ kann die Verbindungsstruktur 6 zum Beispiel auch als Verbindungsnapf ausgebildet sein, dessen Querschnitt demjenigen von Fig. 3 entspricht und der parallel zum Napfboden einen rechteckigen oder auch runden Querschnitt haben kann.
Verbundbauteile 1 entsprechend den Fig. 1 bis 4 kommen zum Beispiel als Hohlkammerbauteile beim Fahrzeugbau zum Einsatz, wobei die Kunststoffkomponente 4 zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit der Metallkomponente, also des Blechs 2, eingesetzt ist. Insbesondere die Knicksteifigkeit, aber auch z. B. die Torsionsfestigkeit, wird hier- durch verbessert. Beispiele derartiger Verbundbauteile 1 sind mit Kunststoffrippen verstärkte metallische U-Profile sowie Metall-Kunststoffzierleisten. Auch sperrige, größere Bauteile, wie z. B. Frontendmodule von Kraftfahrzeugen, können erfindungsgemäß als Verbundbauteile 1 hergestellt werden.
Ein Herstellungsverfahren für ein Verbundbauteil nach den Fig. 1 bis 4 zeigt das schematische Ablaufdiagramm der Fig. 5. Dieses Herstellungsverfahren ist geeignet für ein Blech 2 aus Stahl mit einer Dicke, die größer ist als 0,3 mm, oder für ein Blech 2 aus Aluminium mit einer Dicke, die größer ist als 0,7 mm. Auch andere Blechdicken können verarbeitet werden, sodass die angegebenen Bereiche keine Beschränkung darstellen.
Nach einem Wareneingangsschritt 10 wird das Blech 2 zunächst in einem Kontrollschritt 11 hinsichtlich ihrer Abmessungen und ihrer Materialqualität geprüft. Beim Verfahren nach Fig. 5 ist die Haftvermittlerschicht 5 auf das Blech 2 vor dem Wareneingangsschritt 10 bereits aufgetragen worden. Nach dem Kontrollschritt 11 wird das Blech 2 in einem Lagerschritt 12 zunächst zwischengelagert. Kunststoffrohmaterial für die Kunststoffkomponente 4 durchläuft parallel einen entsprechenden Wareneingangsschritt 13 sowie einen Kontrollschritt 14 und einen Lagerschritt 15.
In einem Spritzgussschritt 16 wird das Blech 2 in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und mit dem plastifizierten Kunststoffrohmaterial überspritzt. Hierbei legt sich das Kunststoffrohmaterial über die Verbindungswand 3 an das Blech 2 an, sodass bei der Ausführung des Verbundbauteils 1 nach den Fig. 3 und 4 Formschlussverbindungen gebildet werden. Das Blech 2 ist hierbei derart in die Gießform des Spritzgusswerkzeugs eingelegt, dass die Haftvermittlerschicht 5 einem freien Volu- men in der Gießform des Spritzgusswerkzeugs zugewandt ist. Nach dem Spritzgussschritt 16 folgt in einem Aktivierungsschritt 17 eine Erwärmung des Blechs 2. Diese Erwärmung kann mittels Induktion oder durch Widerstandsheizen erfolgen. Der Aktivierungsschritt 17 kann zum Beispiel erfolgen, indem das gespritzte Verbundbauteil 1 mittels eines Entnahmegerätes des Spritzgusswerkzeugs durch eine Induktionsspule geführt wird. Der Aktivierungsschritt 17 erfolgt insbesondere nur kurze Zeit nach dem Spritzgussschritt 16, sodass das Blech 2 als Folge des Spritzgussschrittes 16 noch warm ist. Die beim Aktivierungsschritt 17 aufzubringende Energie ist damit gering. Aufgrund der Erwärmung wird die Haftvermittlerschicht 5 aktiviert, sodass ein Stoff- schluss zwischen dem Blech 2 und der Kunststoffkomponente 4 über die gesamte Verbindungswand 3, auf der die Haftvermittlerschicht 5 vorliegt, erfolgt. In einem nachgelagerten Kontrollschritt 18 wird das erzeugte Verbundbauteil 1 hinsichtlich seiner Abmessungen, seiner Materialqualität sowie der Widerstandsfähigkeit der Stoffschlussverbindung zwischen dem Blech 2 und der Kunststoffkomponente 4 geprüft. Nach positiver Prüfung wird das erzeugte Verbundbauteil 1 in einem Lager- schritt 19 gelagert. Die Qualitätsanforderungen nach dem Kontrollschritt 18 nicht erfüllende Verbundbauteile 1 werden in einem Nachbearbeitungsschritt 20 nachgebessert. Der Erfolg des Nachbearbeitungsschritts 20 wird in einem weiteren Kontrollschritt 21 überprüft.
Nur Verbundbauteile 1 , die dieser Prüfung standhalten, gelangen zum Lagerschritt 19. Die den Kontrollschritt 21 nicht bestehenden Verbundbauteile 1 werden einem Ausschussweiterverarbeitungsschritt 22 zugeführt.
Die Höhe der beim Aktivierungsschritt 17 oder beim Spritzguss/Aktivierungsschritt 16,17 einzustellenden Temperatur des Blechs 2 zur Aktivierung der Haftvermittlerschicht 5 und die Zeitdauer der Erwärmung zu dieser Aktivierung hängen von der Dicke des Blechs 2 und von der erforderlichen Verarbeitungstemperatur der Kunststoffkomponente 4 ab.
Beim vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren nach Fig. 5 wird ein einseitig mit der Haftvermittlerschicht 5 beschichtetes Blech 2 eingesetzt. Soll bei einem alternativen Verbundbauteil das Blech 2 zwischen zwei damit verbundenen Kunststoffkomponenten angeordnet sein, wird alternativ ein beidseitig mit der Haftvermittler- Schicht beschichtetes Blech 2 eingesetzt.
Beim oben im Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebenen Herstellungsverfahren wird ein bereits mit der Haftvermittlerschicht 5 beschichtetes Blech 2 weiterverarbeitet. Die Haftvermittlerschicht 5 kann dabei vor oder nach einem für das Blech 2 formge- benden Schritt aufgebracht werden. Alternativ zum Einsatz eines vorher beschichteten Blechs 2 kann die Beschichtung mit der Haftvermittlerschicht 5 auch erst unmittelbar vor dem Spritzgussschritt 16 erfolgen.
Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung von einer Haftvermittlerschicht 5 ge- sprachen wird, fallen darunter auch Haftvermittlerschichten die mehrlagig (Sandwichschicht) sind und aus mindestens 2 Komponenten bestehend auf dem Blech 2 aufgebracht sind.
- Patentansprüche -