WO2017157380A1 - Kunststoffkomponente und verfahren zur herstellung eines metallkunststoffbauteils - Google Patents

Kunststoffkomponente und verfahren zur herstellung eines metallkunststoffbauteils Download PDF

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Alex Mirau
Günther Fortmeier
Frank Höcker
Oliver Seibt
Simon Pöhler
Thomas Tröster
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    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09J—ADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
    • C09J2400/00—Presence of inorganic and organic materials
    • C09J2400/10—Presence of inorganic materials
    • C09J2400/16—Metal
    • C09J2400/163—Metal in the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09J—ADHESIVES; NON-MECHANICAL ASPECTS OF ADHESIVE PROCESSES IN GENERAL; ADHESIVE PROCESSES NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE; USE OF MATERIALS AS ADHESIVES
    • C09J2400/00—Presence of inorganic and organic materials
    • C09J2400/20—Presence of organic materials
    • C09J2400/22—Presence of unspecified polymer
    • C09J2400/226—Presence of unspecified polymer in the substrate

Definitions

  • the invention relates to a plastic component for producing a metal plastic component having the features of claim 1, and a method for connecting a plastic component and a metal component for producing a metal plastic component having the features of claim 7, and the use of such a plastic component in a metal plastic component.
  • EP 2 121 304 B1 discloses a method for producing a hybrid component consisting of a plastic component and a metal component. Between the plastic component and the metal component, a bonding agent is arranged, being produced by joining under heat and pressure a cohesive bond between the components.
  • the plastic component has a tip region intended for connection to the metal component. This tip area is swaged after heating during compression of the plastic and metal components, thereby improving the connection between the two components.
  • the material of the plastic component is distributed during upsetting in the vicinity of the tip region, which may lead to the fact that in the vicinity of the joint located breakthroughs, holes or cavities in the metal component are filled by the plastic material.
  • the invention relates to a plastic component which is materially connectable to a metal component for producing a metal-plastic component, wherein the plastic component and the metal component at least partially come into contact over the entire surface, wherein on the surface regions of the plastic component are provided for full contact with the metal component, Material reservoirs are provided which are plastically deformable when connecting the plastic component with the metal component with heat, wherein by means of an adhesive between the metal component and the plastic component, a material connection is generated.
  • the material reservoirs are plasticized.
  • the material reservoirs are small amounts of plastic material that can be found on those surface areas of the plastic component, which are provided for full contact with the metal component.
  • the material reservoirs are dimensioned such that the surface areas to be connected over the entire area are largely or completely covered by the plasticized plastic material of the material reservoirs, but that there is no excess plastic material outside the relevant surface areas. This ensures that the plastic material that is provided for the cohesive connection between metal component and plastic component really only spreads between these two components and adjacent holes, openings or cavities are not polluted by the plastic material.
  • the main body of the plastic component itself is not heated and thus deformable.
  • the adhesive is applied to the metal component, with which the plastic components to be connected, and is activated by the introduced heat.
  • the heat supply for plastic deformation of the material reservoirs and for activating the adhesive can be done in any way. It is possible, for example, to heat the metal component completely or partially and then to connect under pressure with the plastic component. It is also possible to locally heat the material reservoirs to produce the plasticization. It is also possible to first bring the two components into abutment with one another and then to carry out the heating in, for example, a tool and, at the same time, press the two components against one another.
  • an adhesive can serve pure adhesive within the scope of the invention. It is also possible to use a one- or two-component adhesion promoter or even a hot melt adhesive (hotmelt).
  • hotmelt hot melt adhesive
  • the plastic component is formed from a fiber-reinforced plastic.
  • the fibers that reinforce the plastic material may be short fibers, ie fibers with a length of 0, 1 millimeters to 10 centimeters.
  • the fibers may also be present as random fibers or generally anisotropically oriented fibers.
  • the fiber material can also be woven or woven laid form, where the fibers usually have a length of more than 10 centimeters.
  • the plastic material may be, for example, polyamide, polypropylene, polyacetylene or PBT.
  • the material reservoirs are integrally formed from the plastic component. This means that the material reservoirs are already taken into account during the production process of the plastic component. In the production of components made of fiber-reinforced plastics, the material reservoirs can also be provided with fibers.
  • the material reservoirs are applied to the plastic component.
  • the material reservoirs are, for example, solid elements in, for example, strip or ring form, which are placed on the plastic component.
  • these elements are fixed by a powder connector or adhesive dots to prevent slippage of the material reservoir during transport of the plastic components.
  • the material reservoirs are sprayed on, sprayed on or applied in any other way. It is essential here that the material reservoirs then do not necessarily have to consist of the same plastic material as the plastic component itself. Thus, there is greater variability with regard to the production of a plastic component according to the invention.
  • a further preferred variant of the invention provides that the material reservoirs themselves are formed from the adhesive. That is, the material reservoirs themselves serve as an adhesive and enable the cohesive connection between the plastic component and the metal component. This is possible by the material of the plastic component is modified accordingly.
  • a modification of the material of the plastic component can consist in that the chemical constituents of the plastic, if appropriate also only locally, have been changed so that they undergo a cohesive connection directly with the metal component under the action of heat.
  • material reservoirs can be applied from the adhesive to the metal component. Then, individual elements consisting of an adhesive, for example an adhesive or a hotmelt, can be placed or sprayed on the plastic component or on the metal component.
  • the material reservoirs applied to the plastic component additionally have the advantage that plastic materials or adhesives may be used which have a melting temperature which lies in a completely different temperature range than the melting temperature of the plastic material of the plastic component itself. In this way, it is particularly easy to plasticize the material reservoirs and to distribute them for the production of the cohesive connection between the two components, without the plastic component is deformed undesirable in any way. Consequently, the melting temperature of the material reservoir in this case is then below the melting temperature of the plastic material of the plastic component.
  • the material reservoirs are preferably designed in the form of lines, circles, ribs, spherical segments, elliptical segments, points or beads. Regardless of the exact shape is of particular importance that only the amount of plastic material is present in the material reservoirs, which is necessary for the production of cohesive connection. As already described above, an excess of plastic material leads to contamination of the metal component or overflowing of the material between the two components, so that the excess material has to be removed again in a further working step, for example cut away.
  • the concrete design of the material reservoir depends on the specific component to be manufactured and can be done as needed. In particular, it is possible to make the ribs particularly narrow or the dots particularly small, so that the necessary heat to be introduced in order to plasticize the material is minimized. Due to the then extremely small volume of the material reservoirs, an already small amount of heat enough to the material reservoirs plasticize, whereas no additional heat is available for a melting of the main body of the plastic component, so that the plastic component then remains untouched.
  • the object is procedurally achieved by a method for connecting a plastic component and a metal component for producing a metal plastic component with the features of claim 7 and the use of a plastic component in a metal plastic component according to claim 1.
  • a method for connecting a plastic component and a metal component for producing a metal plastic component with the features of claim 7 and the use of a plastic component in a metal plastic component according to claim 1.
  • Particular embodiments are the subject matter of subclaims 8 to 10 and 12, respectively.
  • the invention further relates to a method for connecting a plastic component and a metal component for producing a metal plastic component, wherein the metal component and / or the plastic component are at least partially heated and the metal component and the plastic component are brought under pressure at least in areas over the entire area in Appendix, characterized that on the surface areas of the plastic component which are provided for full surface contact with the metal component, material reservoirs are plastically deformed under heat and by means of an adhesive to the metal component enter into a flat, cohesive connection.
  • the metal component and / or the plastic component can be heated locally where the full-surface connection is to take place. In this case, the amount of heat can be metered so that only the material reservoirs melt and the remaining volume of the plastic component remains untouched. In this case, in a preceding step, the metal component or the plastic component can be locally heated and subsequently both components are brought into contact. But it is also possible to bring both components first in conditioning and then perform a local heating of the components to apply simultaneously with the heating or subsequently a pressure to the two To press components together. Which way is chosen for the production of the metal plastic component depends largely on the geometry of the components and the accessibility of the entire surface to be brought into abutment areas of the components.
  • the metal component is shaped in three dimensions, so that, if necessary, certain areas of the component are not readily accessible for heating.
  • the plastic component can serve as a reinforcing element or support element for the metal component here, for example.
  • a particular embodiment of the invention provides that a positive connection is additionally generated by the plastic deformation of the material reservoir.
  • a positive connection is additionally generated by the plastic deformation of the material reservoir.
  • apertures or holes or the like may be provided in the metal component, into which the material of the material reservoirs can flow while being brought into contact, in order to obtain a positive connection by means of an undercut thus produced.
  • Such a form-fitting connection can serve to support or supplement the substance connection provided in principle.
  • the proposed material bond is made possible by an adhesive which is arranged between the plastic component and the metal component.
  • the adhesive is applied as a coating on the metal component.
  • the adhesive is applied to a metal sheet, which is formed into the metal component. The adhesive is then applied to the sheet metal plate so that it finds after forming in the areas that are provided for a full-surface connection with the plastic component.
  • the material reservoirs completely melt in the production of the cohesive connection.
  • the material reservoirs are provided by their volume so that the material as a thin layer or film of material over the entire surface between the plastic component and the metal component arranges, preferably without gaps to form and thicken locally without the plastic component.
  • the material reservoirs must completely melt.
  • the metal component and / or the plastic component are heated to a melting temperature of the material of the material reservoir.
  • a melting temperature By reaching the melting temperature optimum plasticization of the material reservoirs is achieved. If, as described above, the material reservoirs consist of a different material than the remaining volume of the plastic component and this material of the material reservoir in particular has a lower melting temperature than the material of the plastic component, can be achieved in this way very easily that the dimensional stability of the plastic component is maintained.
  • the invention relates to the use of a plastic component according to the invention, as described above in a metal plastic component.
  • This metal plastic component is preferably a component for motor vehicles.
  • these are a chassis component such as a handlebar, a wheel carrier, a front axle, a rear axle or a rim or a structural component such as an A-pillar, a B-pillar, a Bumper, a cross member or an impact protection element.
  • the component may be a door, a tailgate, a hood, a roof component, or any other automotive component.
  • Figure 1 embodiment of a metal plastic component
  • Figure 2 shows a simple embodiment of a plastic component for a
  • FIG. 3 shows a detail of a plastic component
  • FIG. 4 shows the detail of Figure 3 together with the associated
  • Figure 6 is a sectional view through a plastic component and a
  • FIG. 1 A possible embodiment of a metal plastic component 1 is shown in FIG. 1. It is an axle carrier made of a plastic component 2 and a metal component 3.
  • the metal component 3 is designed here as the upper shell of the axle carrier, the plastic component 2 as a matching lower shell.
  • the plastic component 2 comes with the metal component 3 partially fully area in abutment. This is the case in the region of peripheral flanges 4 or in the area of screw points 5.
  • FIG. 2 shows a plastic component 2 according to the invention in a somewhat simplified embodiment.
  • a plastic component 2 according to the invention in a somewhat simplified embodiment.
  • Such a configuration could be used, for example, for the local reinforcement of an elongate carrier.
  • the plastic component 2 with its entire surface over the entire surface in contact with the corresponding (not shown here) metal component 3.
  • the surface region 6, which is provided for full contact with a metal component 3 has material reservoirs 7.
  • these material reservoirs 7 are formed in one piece from the plastic component 2.
  • the material reservoirs 7 are here formed as elongated lines and extend completely and continuously over the entire length of the plastic component 2. To produce a compound of the two components, the material reservoirs 7 are plastically deformed under heat.
  • FIG. 1 a detail of the metal-plastic component 1 from FIG. 1 in FIGS. 3 and 4 is shown enlarged.
  • this is a screw point 5.
  • an opening 9 can be seen in the plastic component 2, through which a screw element or a connecting element can be guided, for instance around the axle carrier Connect vehicle body.
  • ribs 8 for stiffening the metal component 3 can be seen.
  • the material reservoirs 7 are here adapted to the immediate surroundings of the plastic component 2.
  • the material reservoirs 7 form concentric circles around the opening 9.
  • the associated metal component 3 is shown in FIG. It has a corresponding opening 10, which is arranged above the opening 9 of the plastic component 2.
  • the metal component 3 is also formed three-dimensionally, it has, for example, in the region of the screw 5 on a flank 1 1, which is supported by the ribs 8 of the plastic component 2.
  • FIG. 5 shows a state immediately prior to the generation of the material connection
  • FIG. 6 shows a state immediately after the production of the material connection.
  • the plastic component 2 and the metal component 3 are partially brought into contact with the supply of heat T and under pressure P.
  • the material reservoirs 7 formed on the surface areas 6 of the plastic component 2 provided on the entire surface area with the metal component 3 have become plasticizable under the influence of heat T.
  • the plastic component 2 can be heated directly. This is done in such a way that only the material reservoirs 7 reach a temperature which makes the plastic material held there soft and malleable.
  • the remainder of the plastic component 2 is not heated and is thus not undesirably deformed in the subsequent pressing step.
  • the heat T has the further task of the adhesion promoter, which is applied to the plastic component 2 facing surface 12 of the metal component 3, to activate.
  • an indirect heating would also be possible.
  • the metal component 3 is heated and the heat T transferred to the plastic component 2 at the beginning of the Anpressvorganges. It is also possible first to press both components 2, 3 against each other and to heat both components 2, 3 at the same time, for example, in a radiation field.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung einer Kunststoffkomponente (2) und einer Metallkomponente (3) zur Herstellung eines Metallkunststoffbauteils (1) und eine entsprechende Kunststoffkomponente (2), wobei die Metallkomponente (3) und/oder die Kunststoffkomponente (2) zumindest bereichsweise erwärmt werden und die Metallkomponente (3) und die Kunststoffkomponente (2) unter Druck P zumindest bereichsweise vollflächig in Anlage gebracht werden. Auf den Oberflächenbereichen (6) der Kunststoffkomponente (2), die zur vollflächigen Anlage mit der Metallkomponente (3) vorgesehen sind, werden Materialreservoirs (7) unter Wärmezufuhr plastisch verformt und gehen mittels eines Haftmittels mit der Metallkomponente (3) eine flächige, stoffschlüssige Verbindung ein.

Description

Kunststoffkomponente und Verfahren zur Herstellung eines
Metal I ku nststoff bautei Is
Die Erfindung betrifft eine Kunststoff komponente zur Herstellung eines Metallkunststoffbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , sowie ein Verfahren zur Verbindung einer Kunststoff komponente und einer Metallkomponente zur Herstellung eines Metallkunststoffbauteils mit den Merkmalen von Patentanspruch 7, sowie die Verwendung einer solchen Kunststoff komponente in einem Metallkunststoffbauteil.
Die Verwendung von Kunststoff komponenten im Automobilbau gewinnt in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung, da durch das geringe Gewicht von Kunststoffmaterialien der automobile Leichtbau unterstützt werden kann. Gleichzeitig ist bei einer Vielzahl von Bauteilen aus dem Automobilbereich allerdings die Verwendung von metallischen Werkstoffen nicht wegzudenken, da diese erst eine ausreichende Verformbarkeit der Bauteile in einer Unfallsituation ermöglichen. Die Vorteile der beiden Materialgruppen zu verbinden und die jeweiligen Nachteile zu eliminieren ist eine Herausforderung, die häufig durch hybride Bauteile, die sowohl aus Metall als auch aus Kunststoffkomponenten bestehen, gelöst wird. Die beiden unterschiedlichen Materialien fest und unlösbar miteinander zu verbinden ist insbesondere Gegenstand heutiger Forschungstätigkeiten.
Aus der EP 2 121 304 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines aus einer Kunststoffkomponente und einer Metallkomponente bestehenden Hybrid-Bauteiles bekannt. Zwischen der Kunststoffkomponente und der Metallkomponente ist ein Haftvermittler angeordnet, wobei durch Fügen unter Wärmeinwirkung und Druck ein stoffschlüssiger Verbund zwischen den Komponenten hergestellt wird. Die Kunststoffkomponente weist einen zur Verbindung mit der Metallkomponente bestimmten Spitzenbereich auf. Dieser Spitzenbereich wird nach dem Erwärmen beim Zusammenpressen der Kunststoff- und der Metallkomponente aufgestaucht, wodurch die Verbindung zwischen den beiden Komponenten verbessert wird. Durch dieses Konzept ist eine Verbindung der beiden Komponenten lediglich in den Bereichen möglich, in denen eine Kunststoffkomponente einen solchen Spitzenbereich aufweist. Dadurch sind lediglich lokale und keine vollflächigen Verbindungen möglich, die aber häufig hinsichtlich der Dauerfestigkeit der Verbindung zwischen den Einzelkomponenten erwünscht sind. Gleichzeitig wird das Material der Kunststoffkomponente beim Aufstauchen in der Umgebung des Spitzenbereiches verteilt, was unter Umständen dazu führt, dass in der Nähe der Fügestelle gelegene Durchbrüche, Löcher oder auch Hohlräume in der Metallkomponente durch das Kunststoffmaterial aufgefüllt werden. Weiterhin nachteilig ist an diesem Verfahren, dass die Kunststoff komponente selbst aufgeschmolzen wird, d. h. das Material der Kunststoff komponente wird zur Herstellung der Verbindung verwendet, so dass bedingt durch das Aufwärmen und den Druck lokal die Form der Kunststoffkomponente nicht mehr maßhaltig eingehalten werden kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kunststoff komponente zur Verfügung zu stellen, die vollflächig stabil mit einer Metallkomponente verbindbar ist, wobei beim Herstellen der Verbindung eine Verschmutzung der Metallkomponente vermieden wird. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zur Verbindung einer Kunststoffkomponente und einer Metallkomponente zur Verfügung zu stellen, das die Herstellung eines Metallkunststoffbauteils ermöglicht, bei dem die Verbindung der Komponenten möglichst stabil ist und die Verschmutzung der Metallkomponente möglichst gering gehalten wird.
Dies wird ermöglicht durch eine Kunststoff komponente mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 6.
Die Erfindung betrifft eine Kunststoffkomponente die zur Herstellung eines Metall- Kunststoff-Bauteils mit einer Metallkomponente stoffschlüssig verbindbar ist, wobei die Kunststoffkomponente und die Metallkomponente zumindest bereichsweise vollflächig in Anlage kommen, wobei auf den Oberflächenbereichen der Kunststoffkomponente die zur vollflächigen Anlage mit der Metallkomponente vorgesehen sind, Materialreservoirs vorgesehen sind, die beim Verbinden der Kunststoffkomponente mit der Metallkomponente unter Wärmezufuhr plastisch verformbar sind, wobei mittels eines Haftmittels zwischen der Metallkomponente und der Kunststoffkomponente eine stoffschlüssige Verbindung erzeugbar ist.
Durch den Wärmeeintrag in die Kunststoffkomponente werden die Materialreservoirs plastifiziert. Bei den Materialreservoirs handelt es sich um kleine Mengen von Kunststoffmaterial, die auf denjenigen Oberflächenbereichen der Kunststoffkomponente zu finden sind, die zur vollflächigen Anlage mit der Metallkomponente vorgesehen sind. Die Materialreservoirs sind dabei so bemessen, dass die vollflächig zu verbindenden Oberflächenbereiche durch das plastifizierte Kunststoffmaterial der Materialreservoirs weitgehend oder vollständig bedeckt werden, jedoch außerhalb der betreffenden Oberflächenbereiche kein überschüssiges Kunststoffmaterial vorliegt. Dadurch wird erreicht, dass das Kunststoffmaterial, das für die stoffschlüssige Verbindung zwischen Metallkomponente und Kunststoffkomponente vorgesehen ist, sich wirklich nur zwischen diesen beiden Komponenten ausbreitet und benachbart gelegene Löcher, Durchbrüche oder Hohlräume von dem Kunststoffmaterial nicht verschmutzt werden. Gleichzeitig wird der Grundkörper der Kunststoff komponente selbst nicht erwärmt und damit verformbar. Beim Verbinden der Kunststoff komponente mit der Metallkomponente wird der Grundkörper der Kunststoffkomponente nicht verändert. Das bedeutet, dass die Maße der Kunststoff komponente in jedem Falle eingehalten werden. Durch das Zusammenpressen der Metallkomponente und der Kunststoffkomponente unter Druck wird das plastifizierte Material der Materialreservoirs in dem kleinen Zwischenraum zwischen den Komponenten verteilt. Es wird gewissermaßen ein Materialfilm zwischen den Komponenten erzeugt. Durch die Plastifizierung der Materialreservoirs und dem Wärmeeintrag wird die Aktivierung des Haftvermittlers und die Verbindung zwischen der Kunststoffkomponente und dem Haftvermittler begünstigt bzw. ermöglicht.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das Haftmittel auf der Metallkomponente, mit der die Kunststoffkomponenten verbunden werden soll, aufgetragen ist und durch die eingebrachte Wärme aktiviert wird. Die Wärmezufuhr zum plastischen Verformen der Materialreservoirs und zur Aktivierung des Haftmittels kann auf beliebige Art erfolgen. Es ist dabei beispielsweise möglich, die Metallkomponente ganz oder bereichsweise zu erwärmen und dann unter Druck mit der Kunststoffkomponente zu verbinden. Es ist auch möglich, die Materialreservoirs lokal zu erwärmen, um die Plastifizierung zu erzeugen. Es ist auch möglich, die beiden Komponenten zunächst in Anlage miteinander zu bringen und dann in beispielsweise in einem Werkzeug die Erwärmung durchzuführen und gleichzeitig die beiden Komponenten aneinander zu pressen.
Als Haftmittel kann im Rahmen der Erfindung reiner Klebstoff dienen. Ebenso ist es möglich einen ein- oder zweikomponentigen Haftvermittler oder auch einen Heißkleber (Hotmelt) einzusetzen.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Kunststoffkomponente aus einem faserverstärkten Kunststoff geformt ist. Die Fasern, die das Kunststoffmaterial verstärken, können dabei Kurzfasern, also Fasern mit einer Länge von 0, 1 Millimetern bis 10 Zentimetern, sein. Insbesondere können die Fasern auch als Wirrfasern oder allgemein anisotrop ausgerichtete Fasern vorliegen. Im Gegensatz zu den Kurzfasern kann das Fasermaterial auch in gewebter oder gelegter Form vorliegen, wo die Fasern üblicherweise eine Länge von mehr als 10 Zentimetern aufweisen. Man spricht dann von Endlosfasern. Bei dem Kunststoffmaterial kann es sich beispielsweise um Polyamid, Polypropylen, Polyacetylen oder PBT handeln.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Materialreservoirs einstückig aus der Kunststoffkomponente ausgebildet sind. Das bedeutet, dass bereits beim Herstellungsprozess der Kunststoffkomponente die Materialreservoirs berücksichtigt werden. Bei der Herstellung von Komponenten aus faserverstärkten Kunststoffen können auch die Materialreservoirs mit Fasern versehen werden.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Materialreservoirs auf der Kunststoffkomponente aufgebracht sind. Darunter ist zu versehen, dass es sich bei den Materialreservoirs beispielsweise um feste Elemente in beispielsweise Streifenoder Ringform handelt, die auf die Kunststoffkomponente aufgelegt werden. Gegebenenfalls werden diese Elemente durch ein Pulverbinder oder Klebepunkte fixiert, um ein Verrutschen der Materialreservoirs beim Transport der Kunststoffkomponenten zu verhindern. Es ist auch möglich, dass die Materialreservoirs aufgespritzt, aufgesprüht oder in irgendeiner anderen Art und Weise aufgetragen werden. Wesentlich ist hier, dass die Materialreservoirs dann nicht zwingend aus demselben Kunststoffmaterial bestehen müssen, wie die Kunststoffkomponente selbst. Es besteht somit eine größere Variabilität hinsichtlich der Herstellung einer erfindungsgemäßen Kunststoffkomponente.
Eine weitere bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass die Materialreservoirs selbst aus dem Haftmittel ausgebildet sind. Das heißt, die Materialreservoirs selbst dienen als Haftmittel und ermöglichen die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Kunststoffkomponente und der Metallkomponente. Dies ist möglich, indem das Material der Kunststoffkomponente entsprechend modifiziert ist. Eine Modifikation des Materials der Kunststoffkomponente kann darin bestehen, dass die chemischen Bestandteile des Kunststoffs, gegebenenfalls auch nur lokal, so verändert worden sind, dass sie unter Wärmeeinwirkung direkt eine stoffschlüssige Verbindung mit der Metallkomponente eingehen. Andererseits können auch Materialreservoirs aus dem Haftmittel auf die Metallkomponente aufgebracht werden. Dann können Einzelelemente, die aus einem Haftmittel bestehen, beispielsweise einem Klebstoff oder einem Hotmelt, auf die Kunststoffkomponente oder auf die Metallkomponente aufgelegt oder aufgespritzt werden.
Die auf der Kunststoffkomponente aufgebrachten Materialreservoirs haben zusätzlich den Vorteil, dass hier Kunststoffmaterialien oder Haftmittel zum Einsatz kommen können, die eine Schmelztemperatur haben, die in einem völlig anderen Temperaturbereich als die Schmelztemperatur des Kunststoffmaterials der Kunststoffkomponente selbst liegt. Auf diese Art und Weise ist es besonders einfach möglich die Materialreservoirs zu plastifizieren und für die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Komponenten zu verteilen, ohne dass die Kunststoffkomponente in irgendeiner Art und Weise unerwünscht verformt wird. Folglich liegt die Schmelztemperatur der Materialreservoirs in diesem Falle dann unterhalb der Schmelztemperatur des Kunststoffmaterials der Kunststoffkomponente.
Bevorzugt sind die Materialreservoirs in Form von Linien, Kreisen, Rippen, Kugelsegmenten, Ellipsensegementen, Punkten oder Wülsten ausgebildet. Unabhängig von der genauen Formgebung ist von besonderer Bedeutung, dass nur genau die Menge Kunststoffmaterial in den Materialreservoirs vorhanden ist, die für die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung notwendig ist. Wie bereits oben beschrieben führt ein Übermaß an Kunststoffmaterial zum Verschmutzen der Metallkomponente oder zu einem Überquellen des Materials zwischen den beiden Komponenten, so dass das überschüssige Material in einem weiteren Arbeitsschritt wieder entfernt, beispielsweise weggeschnitten werden muss.
Die konkrete Ausgestaltung der Materialreservoirs hängt vom konkreten herzustellenden Bauteil ab und kann je nach Bedarf erfolgen. Insbesondere ist es möglich, die Rippen besonders schmal oder die Punkte besonders klein zu gestalten, so dass die einzubringende notwendige Wärme, um das Material zu plastifizieren, möglichst gering ist. Durch das dann äußerst kleine Volumen der Materialreservoirs reicht eine bereits geringe Wärmemenge aus, um die Materialreservoirs zu plastifizieren, wohingegen für ein Aufschmelzen des Grundkörpers der Kunststoffkomponente keine zusätzliche Wärme mehr zur Verfügung steht, so dass die Kunststoffkomponente dann unangetastet bleibt.
Weiterhin wird die Aufgabe verfahrensmäßig gelöst durch ein Verfahren zur Verbindung einer Kunststoffkomponente und einer Metallkomponente zur Herstellung eines Metallkunststoffbauteils mit den Merkmalen von Patentanspruch 7 sowie die Verwendung einer Kunststoffkomponente in einem Metallkunststoffbauteil gemäß Patentanspruch 1 1 . Besondere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 8 bis 10 bzw. 12.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Verbindung einer Kunststoffkomponente und einer Metallkomponente zur Herstellung eines Metallkunststoffbauteils, wobei die Metallkomponente und/oder die Kunststoffkomponente zumindest bereichsweise erwärmt werden und die Metallkomponente und die Kunststoff komponente unter Druck zumindest bereichsweise vollflächig in Anlage gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Oberflächenbereichen der Kunststoff komponente die zur vollflächigen Anlage mit der Metallkomponente vorgesehen sind, Materialreservoirs unter Wärmezufuhr plastisch verformt werden und mittels eines Haftmittels mit der Metallkomponente eine flächige, stoffschlüssige Verbindung eingehen. Hinsichtlich der Vorteile, die Verwendung von erfindungsgemäßen Metallreservoirs auf den vollflächigen Verbindung der Metallkomponenten und der Kunststoff komponente vorgesehenen Oberflächenbereichen, mit sich bringt, sei auf die vorstehenden Ausführungen zu der Kunststoffkomponente selbst verwiesen. Die Metallkomponente und/oder die Kunststoffkomponente können lokal dort erwärmt werden, wo die vollflächige Verbindung erfolgen soll. Dabei kann die Wärmemenge so dosiert werden, dass lediglich die Materialreservoirs aufschmelzen und das übrige Volumen der Kunststoffkomponente unangetastet bleibt. Dabei kann in einem vorhergehenden Schritt die Metallkomponente oder auch die Kunststoffkomponente lokal erwärmt werden und nachfolgend beide Komponenten in Anlage gebracht werden. Es ist aber auch möglich beide Komponenten zunächst in Anlage zu bringen und dann eine lokale Erwärmung der Komponenten durchzuführen, um gleichzeitig mit der Erwärmung oder nachfolgend einen Druck aufzubringen, um die beiden Komponenten aneinander zu drücken. Welcher Weg zur Herstellung des Metallkunststoffbauteils gewählt wird hängt maßgeblich von der Geometrie der Komponenten und der Zugänglichkeit der vollflächig in Anlage zu bringenden Bereiche der Komponenten ab.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Metallkomponente dreidimensional geformt ist, so dass ggf. bestimmte Bereiche der Komponente für die Erwärmung nicht ohne weiteres zugänglich sind. Die Kunststoffkomponente kann hier beispielsweise als Verstärkungselement oder Stützelement für die Metallkomponente dienen.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass durch die plastische Verformung der Materialreservoirs zusätzlich eine formschlüssige Verbindung erzeugt wird. Dazu können in der Metallkomponente, Durchbrüche oder Löcher oder dergleichen vorgesehen sein, in die das Material der Materialreservoirs beim in Anlage bringen fließen kann, um durch einen so erzeugten Hinterschnitt eine formschlüssige Verbindung zu erhalten. Eine solche formschlüssige Verbindung kann zur Unterstützung oder Ergänzung des grundsätzlich vorgesehenen Stoffschlusses dienen. Der vorgesehene Stoffschluss wird durch ein Haftmittel ermöglicht, das zwischen der Kunststoff komponente und der Metallkomponente angeordnet ist.
Es kann beispielweise auch vorgesehen sein, dass das Haftmittel als Beschichtung auf der Metallkomponente aufgetragen ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Haftmittel auf einer Blechplatine aufgetragen ist, die in die Metallkomponente umgeformt wird. Das Haftmittel ist dann so auf der Blechplatine aufgetragen, dass es nach dem Umformen sich in den Bereichen wiederfindet, die für eine vollflächige Verbindung mit der Kunststoffkomponente vorgesehen sind.
Weiterhin ist besonders vorgesehen, dass die Materialreservoirs bei der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung vollständig aufschmelzen. Die Materialreservoirs sind von ihrem Volumen so vorzusehen, dass sich das Material als dünne Schicht oder Materialfilm vollflächig zwischen der Kunststoff komponente und der Metallkomponente anordnet, möglichst ohne Lücken zu bilden und ohne die Kunststoffkomponente lokal aufzudicken. Um dieses zu erreichen müssen die Materialreservoirs vollständig aufschmelzen. Gleichzeitig muss hier aber sicher gestellt sein, dass trotzdem ausreichend Material vorhanden ist, um eine (zumindest nahezu) lückenlose Benetzung der vollflächig in Anlage zu bringenden Oberflächenbereiche zu gewährleisten.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Metallkomponente und/oder die Kunststoffkomponente auf einer Schmelztemperatur des Materials der Materialreservoirs angewärmt werden. Durch das Erreichen der Schmelztemperatur wird eine optimale Plastifizierung der Materialreservoirs erreicht. Wenn wie vorstehend beschrieben die Materialreservoirs aus einem anderen Material bestehen als das übrige Volumen der Kunststoffkomponente und dieses Material der Materialreservoirs insbesondere eine niedrigere Schmelztemperatur hat als das Material der Kunststoffkomponente, kann auf diese Art und Weise sehr einfach erreicht werden, dass die Maßhaltigkeit bei der Kunststoffkomponente gewahrt bleibt.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kunststoffkomponente, wie vorstehend beschrieben in einem Metallkunststoffbauteil.
Bei diesem Metallkunststoffbauteil handelt es sich bevorzugt um ein Bauteil für Kraftfahrzeuge. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Fahrwerkskomponente wie etwa einen Lenker, einen Radträger, einen Vorderachsträger, einen Hinterachsträger oder eine Felge oder ein Strukturbauteil wie eine A-Säule, eine B- Säule, einen Bumper, einen Querträger oder ein Aufprallschutzelement. Ebenso kann es sich bei dem Bauteil um eine Tür, eine Heckklappe, eine Motorhaube, eine Dachkomponente oder um jedes beliebige andere Kraftfahrzeugbauteil handeln.
Die nachfolgende Beschreibung der Figuren dient der Erläuterung der Erfindung und stellt besondere Ausgestaltungen der Erfindung heraus. Zur Vereinfachung sind gleiche Bestandteile oder Komponenten der Erfindung mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigt
Figur 1 Ausführung eines Metallkunststoffbauteils;
Figur 2 eine einfache Ausgestaltung einer Kunststoff komponente für ein
Metall ku nststoff ba ute i I ; Figur 3 einen Ausschnitt einer Kunststoffkomponente;
Figur 4 den Ausschnitt aus Figur 3 zusammen mit der zugehörigen
Metallkomponente für ein Metallkunststoffbauteil;
Figur 5 ein Schnittbild durch eine Kunststoff komponente und eine
Metallkomponente kurz vor der Verbindung zum Metallkunststoffbauteil und
Figur 6 ein Schnittbild durch eine Kunststoff komponente und eine
Metallkomponente kurz nach der Verbindung zum
Metallkunststoffbauteil.
Eine mögliche Ausgestaltung eines Metallkunststoffbauteils 1 zeigt Figur 1 . Es handelt sich dabei um einen Achsträger aus einer Kunststoffkomponente 2 und einer Metallkomponente 3. Die Metallkomponente 3 ist hier als Oberschale des Achsträgers ausgestaltet, die Kunststoffkomponente 2 als dazu passende Unterschale. Die Kunststoffkomponente 2 kommt mit der Metallkomponente 3 bereichsweise vollflächig in Anlage. Dies ist etwa im Bereich von randseitigen Flanschen 4 der Fall oder im Bereich von Schraubpunkten 5.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Kunststoffkomponente 2 in einer etwas vereinfachten Ausführungsform. Eine derartige Ausgestaltung könnte beispielsweise zur lokalen Verstärkung eines langgestreckten Trägers eingesetzt werden. Hier kommt die Kunststoffkomponente 2 mit ihrer kompletten Oberfläche vollflächig in Anlage mit der korrespondierenden (hier nicht näher dargestellten) Metallkomponente 3. Der Oberflächenbereich 6, der zur vollflächigen Anlage mit einer Metallkomponente 3 vorgesehen ist, weist Materialreservoirs 7 auf. In der gezeigten Ausführungsform der Figur 3 sind diese Materialreservoirs 7 einstückig aus der Kunststoffkomponente 2 ausgebildet. Die Materialreservoirs 7 sind hier als langgestreckte Linien ausgebildet und erstrecken sich vollständig und ununterbrochen über die gesamte Länge der Kunststoff komponente 2. Zur Herstellung einer Verbindung der beiden Komponenten werden die Materialreservoirs 7 unter Wärmezufuhr plastisch verformt. Diese Verformung ermöglicht eine großflächige stoffschlüssige Verbindung, die sich vollständig oder fast vollständig über den vorgesehenen Oberflächenbereich 6 erstreckt. Die Materialreservoirs 7 sind gleichzeitig aber so bemessen, dass kein überschüssiges Kunststoffmaterial vorliegt, das Öffnungen in den Komponenten verstopfen könnte oder zwischen den Komponenten übersteht und in einem zusätzlichen Verfahrensschritt entfernt werden müsste.
Exemplarisch hierfür ist ein Ausschnitt aus der Metallkunststoffkomponente 1 aus Figur 1 in den Figuren 3 und 4 vergrößert dargestellt. Bei dem zur vollflächigen Anlage mit der Metallkomponente 3 vorgesehenen Oberflächenbereich 6 handelt es sich hier um einen Schraubpunkt 5. Dort ist eine Öffnung 9 in der Kunststoffkomponente 2 zu sehen, durch die ein Schraubelement oder ein Verbindungselement geführt werden kann, etwa um den Achsträger mit einer Fahrzeugkarosserie zu verbinden. Des Weiteren sind aus der Kunststoffkomponente 2 ausgebildete Rippen 8 zur Aussteifung der Metallkomponente 3 zu erkennen.
Die Materialreservoirs 7 sind hier angepasst an die unmittelbare Umgebung der Kunststoffkomponente 2 ausgeführt. Die Materialreservoirs 7 bilden konzentrische Kreise um die Öffnung 9. Die zugehörige Metallkomponente 3 ist in Figur 4 mit abgebildet. Sie besitzt eine korrespondierende Öffnung 10, die über der Öffnung 9 der Kunststoffkomponente 2 angeordnet wird. Die Metallkomponente 3 ist zudem dreidimensional ausgebildet, sie weist beispielsweise im Bereich des Schraubpunktes 5 eine Flanke 1 1 auf, die durch die Rippen 8 der Kunststoffkomponente 2 gestützt wird.
Auf der Oberfläche 12 der Metallkomponenten 3, die mit dem Oberflächenbereich 6 der Kunststoffkomponente 2 in vollflächige Anlage kommen soll, ist ein Haftvermittler aufgetragen. Durch diesen wird es möglich, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Kunststoffkomponente 2 und der Metallkomponente 3 herzustellen.
Die beiden Komponenten sind in den Figuren 5 und 6 noch einmal im Querschnitt dargestellt. Hierbei zeigt Figur 5 einen Zustand unmittelbar vor der Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung und Figur 6 einen Zustand unmittelbar nach der Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung. Die Kunststoffkomponente 2 und die Metallkomponente 3 werden unter Zufuhr von Wärme T und unter Druck P bereichsweise in Anlage gebracht. Die auf den zur vollflächigen Anlage mit der Metallkomponente 3 vorgesehenen Oberflächenbereichen 6 der Kunststoffkomponente 2 ausgebildeten Materialreservoirs 7 sind unter dem Einfluss von Wärme T plastifizierbar geworden. Hierbei kann beispielsweise die Kunststoffkomponente 2 direkt erwärmt werden. Dies geschieht so bemessen, dass lediglich die Materialreservoirs 7 eine Temperatur erreichen, die das dort vorgehaltene Kunststoffmaterial weich und formbar macht. Idealerweise wird der Rest der Kunststoffkomponente 2 nicht erwärmt und wird somit im nachfolgenden Anpressschritt nicht unerwünscht verformt. Die Wärme T hat weiterhin die Aufgabe den Haftvermittler, der auf der der Kunststoff komponente 2 zugewandten Oberfläche 12 der Metallkomponente 3 aufgetragen ist, zu aktivieren.
Neben der direkten Erwärmung der Kunststoffkomponente 2 wäre auch noch eine indirekte Erwärmung möglich. Dabei wird die Metallkomponente 3 erwärmt und die Wärme T zu Beginn des Anpressvorganges auf die Kunststoff komponente 2 übertragen. Es ist auch möglich, zunächst beide Komponenten 2, 3 aneinander zu pressen und beide Komponenten 2, 3 gleichzeitig etwa in einem Strahlungsfeld zu erwärmen.
Metallkomponente 3 und Kunststoffkomponente 2 werden unter Druck P vollflächig in Anlage gebracht. Dabei werden die Materialreservoirs 7 verformt und bilden einen nahezu oder vollständig geschlossenen Materialfilm 13 zwischen den beiden Komponenten. Wie in der Figur 6 deutlich wird, bleiben die Öffnung 9 der Kunststoffkomponente 2 sowie die Öffnung 10 der Metallkomponente 3 frei von Kunststoffmaterial, da die Materialreservoirs 7 so bemessen sind, dass zwar eine möglichst vollflächige Verbindung zwischen den Komponenten entsteht, allerdings ohne dass das Kunststoffmaterial über die Kanten der Komponenten hinaus in Öffnungen oder über Ränder quillt. Bezuqszeichen:
1 - Metallkunststoffbauteil
2 - Kunststoffkomponente
3 - Metallkomponente
4 - Flansch
5 - Schraubpunkt
6 - Oberflächenbereich von 2
7 - Materialreservoir
8 - Rippe
9 - Öffnung in 2
10 - Öffnung in 3
1 1 - Flanke
12 - Oberfläche von 3
13 - Materialfilm
T - Wärme
P - Druck

Claims

Patentansprüche
1. Kunststoffkomponente (2) die zur Herstellung eines Metallkunststoffbauteils (1) mit einer Metallkomponente (3) stoffschlüssig verbindbar ist, wobei die Kunststoffkomponente (2) und die Metallkomponente (3), zumindest bereichsweise vollflächig in Anlage kommen, wobei auf den Oberflächenbereichen (6) der Kunststoffkomponente (2) die zur vollflächigen Anlage mit der Metallkomponente (3) vorgesehen sind, Materialreservoirs (7) vorgesehen sind, die beim Verbinden der Kunststoffkomponente (2) mit der Metallkomponente (3) unter Wärmezufuhr plastisch verformbar sind, wobei mittels eines Haftmittels zwischen der Metallkomponente (3) und der Kunststoffkomponente (2) eine stoffschlüssige Verbindung erzeugbar ist.
2. Kunststoffkomponente (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff komponente (2) aus einem faserverstärkten Kunststoff geformt ist.
3. Kunststoffkomponente (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialreservoirs (7) einstückig aus der Kunststoffkomponente (2) ausgebildet sind.
4. Kunststoffkomponente (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialreservoirs (7) auf der Kunststoffkomponente (2) aufgebracht sind.
5. Kunststoffkomponente (2) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialreservoirs (7) selbst aus dem Haftmittel ausgebildet sind, indem entweder das Material der Kunststoffkomponente (2) entsprechend modifiziert ist oder Materialreservoirs (7) aus dem Haftmittel auf die Metallkomponente (3) aufgebracht sind.
6. Kunststoffkomponente (2) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialreservoirs (7) in Form von Linien, Kreisen, Rippen, Kugelsegmenten, Ellipsensegmenten, Punkten oder Wülsten ausgebildet sind.
7. Verfahren zur Verbindung einer Kunststoffkomponente (2) und einer Metallkomponente (3) zur Herstellung eines Metallkunststoffbauteils (1), wobei die Metallkomponente (3) und/oder die Kunststoffkomponente (2) zumindest bereichsweise erwärmt werden und die Metallkomponente (3) und die Kunststoffkomponente (2) unter Druck (P) zumindest bereichsweise vollflächig in Anlage gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Oberflächenbereichen (6) der Kunststoffkomponente (2) die zur vollflächigen Anlage mit der Metallkomponente (3) vorgesehen sind, Materialreservoirs (7) unter Wärmezufuhr plastisch verformt werden und mittels eines Haftmittels mit der Metallkomponente (3) eine flächige, stoffschlüssige Verbindung eingehen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die plastische Verformung eine formschlüssige Verbindung erzeugt wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialreservoirs (7) bei Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung vollständig aufschmelzen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponente (3) und/oder Kunststoffkomponente (2) auf eine Schmelztemperatur des Materials der Materialreservoirs (7) angewärmt werden.
11.Verwendung einer Kunststoffkomponente (2) nach den Ansprüchen 1 bis 6 in einem Metallkunststoffbauteil (1).
12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Metallkunststoffbauteil (1) für Kraftfahrzeuge handelt, insbesondere um eine Fahrwerkskomponente oder ein Strukturbauteil.
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