WO2020207758A1 - Verfahren zur herstellung eines metall-kunststoff-verbundbauteils sowie metall-kunststoff-verbundbauteil - Google Patents

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Michael Lakenbrink
Jan Daniel WENZEL
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Definitions

  • the invention is directed to a method for producing a metal-plastic composite component with a plastic component and a metal component. Wei terhin the invention is directed to such a metal-plastic composite component.
  • DE 10 2014 109 114 A1 discloses a joint between a plastic component which is effective in terms of lighting technology and a metal component.
  • a snap hook is shown on a first side and a screw element on an opposite, second side.
  • the example shows that connections between plastic components and metal components are usually expensive in the construction of lighting devices for vehicles and require several additional components, alternatively when avoiding geometrical form-fitting connections such as snap hooks and the like and / or when avoiding screw elements Glued connections or clamp connections are used.
  • the use of holding elements such as springs and the like are also common. Disadvantageously, this results in a complex design and assembly of the joint connection, and several additional components or additional materials such as screws, springs or adhesives and the like are usually necessary.
  • the connection is sometimes highly stressed and the material, i.e. the plastic or the metal, can experience high local stresses in the connection area. This results in unwanted deformations, which should be avoided in particular with tight tolerances are;
  • This also applies to the position and arrangement of components that are effective in terms of lighting technology, such as illuminant carriers, reflectors, lenses, light guides and the like.
  • a method for producing a joint connection in which a cast component is connected to a metallic structure element.
  • the metallic structural element must be produced generatively, for example by powder bed processes, by selective laser sintering or selective laser melting.
  • the surface of the metallic structure element has a surface structure that includes micro-depressions into which the cast material of the cast component can penetrate. This creates a form-fitting, flat micro-connection between the metallic structural element and the cast component.
  • connection technology presented can only be transferred to a limited extent, since not every metallic structural element can be produced in the generative process; in particular not for reasons of cost and a more extensive application of the method is also not known without forming a form fit between the structural element and the cast component.
  • joining components are positively interlocked.
  • a method for the production of reflectors is known, in particular high-precision and dimensionally stable reflectors for a vehicle headlights, the following steps being provided: production of a metallic, preferably one-piece body, which body consists of a base body and at least one There is reflector shell and application of a plastic material to form the at least one reflector surface in the optically effective area of the at least one reflector shell, the at least one reflector shell being encased or reshaped with the material.
  • a substantially complete sheathing of the base body with the plastic material is not necessary to prevent the plastic material from becoming detached from the base body, where the base body is made, for example, from a metal material.
  • DE 10 2012 011 635 A1 discloses a luminaire comprising a circuit board on which at least one lamp is arranged, as well as a reflector unit with a reflector body, which is fastened by a reflector holder above the lamp on a circuit board carrying the lamp, the reflector body with a the end face portion facing the circuit board is formed on a holding portion of the reflector holder material inhomogeneous to the reflector body, and the reflector torhalter is soldered to the circuit board with a metal material made of a soldering portion located outside the reflector body.
  • the reflector holder is placed with a holding section in a casting or injection mold, for example in such a way that the holding section forms part of the wall of the casting mold or rests against it, so that when the reflector material is introduced as the holding section of the
  • the reflector holder is integrally formed on the reflector body or molded into it.
  • the holding section of the reflector holder can be connected directly to the material of the reflector body.
  • the disadvantage is that the joint strength is dependent on the surface properties of the metal component that forms the reflector holder, and no defined joint strength between the metal component and the plastic component can be assumed.
  • the object of the invention is to improve a method for setting a metal-plastic composite component, in particular for a lighting device of a vehicle.
  • the process is intended to produce the plastic component by injection molding.
  • the flaking should be between the plastic component and the metal component can be significantly increased and it should be possible to design the adhesion on the entire contact surface between the plastic component and the metal component locally differently.
  • the inventive method for producing a metal-plastic composite component with a plastic component and a metal component provides the following steps according to the invention: generating a microstructure in a contact surface of the metal component, the microstructure having undercuts with respect to the contact surface; Inserting the metal component into an injection molding tool in such a way that the contact surface of the metal component can be overmolded with the plastic material of the plastic component; Injection molding of the plastic component; whereby part of the liquid plastic material penetrates into the back cuts of the microstructure or surrounds them and the plastic material of the plastic component cools to form a positive and / or non-positive connection between the plastic component and the metal component.
  • the inventive implementation of the method for producing a metal-plastic composite component is based on the idea of creating a particularly geometrically defined microstructure on the contact surface with which a micro-form connection is achieved between the metal component and the plastic component, which has a defined high joint strength enables.
  • the plastic component By injecting the plastic component, the plastic can get caught in the microstructure, in particular due to the undercuts, and thereby form a micro-form fit.
  • the generally sensitive and precisely positioned light-technically effective plastic components such as lenses, light guides, thick-wall optics, reflectors, illuminant carriers and the like can be easily applied to a metal component and produced in conjunction with it, and there are no additional elements such as screws, clamping elements or springs required. In addition, no joining materials such as adhesives or the like are necessary.
  • the joints in the lighting device for example when building light modules in a headlamp, have improved properties, in particular the attachment of solid lighting components such as thick-walled light guides, can be built up improved by the attached metallic components as holding elements.
  • Optically transparent materials such as PMMA or certain types of PC plastic are very brittle, which very often leads to considerable problems with the load-safe fastening of the components.
  • the advantage of the joint connection according to the invention lies in the two-dimensional connection without the creation of punctual joint connections such as, for example, with a screw connection, so that there are no voltage peaks in the sensitive lighting component.
  • the particular advantage that can be used with the method according to the invention is that the penetration of the part of the liquid plastic material into the undercuts of the microstructure can be generated with an injection pressure of the liquid plastic material in the injection molding process itself. Therefore, no further pressing device is required to introduce the plastic material into the undercuts in the microstructure.
  • Another advantage is that the metal component is heated before it is inserted into the injection molding tool, so that the plastic material can better penetrate the undercuts in the microstructure.
  • the heat can be introduced to heat the metal component by means of contact heating elements, by means of laser irradiation or by means of IR irradiation the complementary joining surface of the plastic component can be achieved. Furthermore, the heat can also be introduced by induction or furnace storage or by other suitable methods. By heating the metal component, the flint cuts of the microstructure are enclosed, since the plastic melt in the injection molding does not cool down on a cold surface of the metal component and loses its flowability.
  • the microstructure has furrows or notches in the surface of the metal component, which penetrate the body of the metal component in an oblique manner with respect to the surface.
  • the angle of inclination of the grooves or holes in the metal component can be changed alternately so that the plastic component cannot be detached from the metal component again in a pull-out direction.
  • the microstructure itself with undercuts for example by increasing the lateral dimensions of a microstructure at a greater depth within the metal component.
  • Such microstructures can be produced, for example, by laser ablation or by means of an etching process.
  • the geometric dimensions of the microstructures can be, for example, 10 ⁇ m to 1,000 ⁇ m.
  • the microstructure in the joining surface of the metal component can have depressions or elevations. If the microstructure is raised in the joining surface, the plastic encloses it in the injection molding process, so that a form fit and / or a force fit is formed after the plastic has cooled down.
  • a form fit is created between the plastic component and the metal component.
  • a frictional connection can be formed, in particular through slight shrinkage processes when the plastic material cools, in particular in the area of the material tongues. In a certain way, this means that the plastic component digs into the surface of the metal component. The connection is thus established permanently.
  • Such a joint can advantageously ge connection can be used for optics that are placed on brackets or the like, or metal components can in turn be applied to the optics itself, for example if it has larger dimensions.
  • the joining surface with the microstructure is selected to be the same size or smaller than a contact surface between the plastic component and the metal component.
  • surface sections with a force transmission between the plastic component and the metal component can be created in a targeted manner, which can be designed in such a way that only low mechanical loads arise in the joining zones, so that the actual contact area between the components can be significantly larger than the joining area.
  • the only local application of the connection allows targeted contact areas between the plastic component and the metal component, which are arranged so that an ideal transmission of force between the plastic component and the metal component is achieved.
  • the joint surface is chosen so large that the specific surface load remains well below a damage limit when the force is transferred.
  • joining surfaces can be provided in the four corners of the rectangular shape in the case of a rectangular contact area between an optic and a metallic carrier body.
  • the metal component is formed by means of a Mg alloy, an AL alloy, a Zn alloy or an Fe alloy and / or the metal component is formed by means of a die-casting process, an extrusion process, a forging process, by means of machining and / or manufactured by means of a stamping and bending process.
  • the joining surface with the microstructure between the plastic component and the metal component is advantageously chosen so that, despite the different Thermal expansion coefficients between the plastic component and the metal component when the component is heated, no or only a reduced deformation of the geometry of the metal-plastic composite component as a reflector, as a light guide body, as a thick-walled optic or as a primary optic or as any other component that is effective in terms of lighting technology, or none when heated or only a reduced change in the position of the metal-plastic composite component relative to the installation environment is achieved by the metal component having a high thermal conductivity and lower thermal expansion compared to the plastic component.
  • an adhesion promoter can be applied to the contact surface of the metal component before the injection molding.
  • the invention is also directed to a metal-plastic composite component
  • Herge provides a method according to the above representation, wherein the metal-plastic composite component forms a light-technically effective component of a lighting device of a vehicle.
  • the metal-plastic composite component forms a reflector of a lighting device of a vehicle.
  • the metal component in particular forms a basic structure of the reflector and the plastic component has a reflective layer on a surface that faces a light source.
  • the plastic component has a plastic material with a mineral filler, especially in the case of reflectors.
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view through the composite between the
  • Fig. 2 is a view of a reflector as an example of a metal-plastic composite component with a light-technically effective plastic component and a metal component.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view through a composite between a plastic component 1 and a metal component 2, so that the composite forms a metal-plastic composite component 100.
  • the plastic component 1 and the Metallkom component 2 are shown in abstract form and are therefore designed to be technically effective in terms of light technology in a manner not shown, and the plastic component 1 relates, for example, to reflective or transmissive optics of a light module in a lighting device of a vehicle, for example a reflector.
  • the metal component 2 can be, for example, a holder, a screen or some other structural part of the reflective or transmissive optics, for example a base body of the reflector, a heat sink or sections of the same components.
  • microstructures 10 are introduced which, beginning from the surface, run obliquely into the body of the metal component 2, the inclination angle of the microstructures 10 pointing in different directions, in The view is shown schematically with the left-hand microstructures 10 with the oppositely aligned right-hand microstructures 10.
  • the contact surface 11 can be formed with microstructures 10 that are raised above the contact surface 11, that is, extend into the composite with the plastic component 1. Undercuts or geometrically formed positive connections are also conceivable with this.
  • the microstructures 10 have been introduced into the metal component 2, for example, using a laser ablation process or an etching process or another suitable process.
  • the representation of the microstructure 10 is oversized with respect to the thickness of the metal component 2, and it is sufficient if the microstructure 10 with a depth of, for example, less than 1,000 ⁇ m, less than 500 pm or less than 200 pm deep running into the material starting from the surface.
  • the microstructure can also be designed to emerge on the metal component.
  • the microstructure 10 is first produced in the contact surface 11 of the metal component 2, the microstructure 10 having undercuts with respect to the contact surface 11.
  • the metal component 2 is then placed in an injection molding tool in such a way that the contact surface 11 of the metal component 2 can be overmolded with the plastic material of the plastic component 1.
  • the plastic component 1 is injection molded, with part of the liquid plastic material penetrating the undercuts of the micro structure 10 or enclosing them, as shown in FIG. This is followed by the cooling of the plastic material of the plastic component 1 with the formation of a form-fit and / or force-fit connection between the plastic component 1 and the metal component 2.
  • FIG. 2 shows a metal-plastic composite component 100 in the form of a reflector 101, as can be used, for example, in a lighting device of a vehicle.
  • the reflector 101 has a base body which is formed with the metal component 2, and in an area of the reflector 101, into which a lamp 14 can shine, and for the purpose of stiffening the reflector body and for the purpose of generating an anti-reflective surface in the area of a reflector base 15, has the metal component 2, for example, the injection-molded plastic component 1 in the areas mentioned.
  • the free surface of the plastic component 1 can be produced with a very low surface roughness on which a reflective layer 13 is finally applied, which fulfills the actual reflector function of the light generated by the illuminant 14.
  • the contact surface 11 of the metal component 2 is provided with the microstructure 10 onto which the plastic component 1 is injection molded.
  • the embodiment of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiment given above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solution shown even in the case of fundamentally different designs. All of the features and / or advantages arising from the claims, the description or the drawings, including structural details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention both individually and in a wide variety of combinations.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kunststoff-Verbundbauteils (100) mit einer Kunststoffkomponente (1) und einer Metallkomponente (2), wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte umfasst: - Erzeugen einer Mikrostruktur (10) in einer Kontaktfläche (11) der Metallkomponente (2), wobei die Mikrostruktur (10) mit Bezug auf die Kontaktfläche (11) Hinterschneidungen aufweist, - Einlegen der Metallkomponente (2) in ein Spritzgusswerkzeug, derart, dass die Kontaktfläche (11) der Metallkomponente (2) mit dem Kunststoffwerkstoff der Kunststoffkomponente (1) überspritzt werden kann, - Spritzgießen der Kunststoffkomponente (1), wobei ein Teil des flüssigen Kunststoffwerkstoffes in die Hinterschneidungen der Mikrostruktur (10) eindringt oder diese umschließt und - Erkalten des Kunststoffmaterials der Kunststoffkomponente (1) unter Bildung einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Kunststoffkomponente (1) und der Metallkomponente (2). Weiterhin richtet sich die Erfindung auf ein solches Metall-Kunststoff-Verbundbauteil (100).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kunststoff-Verbundbauteils
sowie Metall-Kunststoff-Verbundbauteil
Beschreibung
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kunststoff- Verbundbauteils mit einer Kunststoffkomponente und einer Metallkomponente. Wei terhin richtet sich die Erfindung auf ein solches Metall-Kunststoff-Verbundbauteil.
STAND DER TECHNIK
Aus der DE 10 2014 109 114 A1 ist ein Fügeverbund zwischen einer lichttechnisch wirksamen Kunststoffkomponente und einer Metallkomponente bekannt. Um die Kunststoffkomponente mit der Metallkomponente zu verbinden, ist beispielhaft ein Schnapphaken auf einer ersten Seite und ein Schraubelement auf einer gegenüber liegenden, zweiten Seite gezeigt. Das Beispiel verdeutlicht, dass üblicherweise Ver bindungen zwischen Kunststoffkomponenten und Metallkomponenten bei der Kon struktion von Beleuchtungseinrichtungen für Fahrzeuge aufwendig sind und mehrere Zusatzbauteile erfordern, wobei bei einer Vermeidung von geometrischen Form schlussverbindungen wie Schnapphaken und dergleichen und/oder bei der Vermei dung von Schraubelementen, alternativ Klebeverbindungen oder Klemmverbindungen zum Einsatz kommen. Auch sind der Einsatz von Halteelementen wie Federn und dergleichen üblich. Nachteilhafterweise ergibt sich dadurch eine aufwendige Ausge staltung und Montage der Fügeverbindung, und es sind in der Regel mehrere Zusatz bauteile oder Zusatzwerkstoffe wie Schrauben, Federn oder Klebemittel und derglei chen notwendig.
Ein weiterer Nachteil entsteht dann, wenn beispielsweise bei einer Schraubverbindung oder Nietverbindung eine punktuelle kraftüberleitende Verbindung erzeugt wird, die bei einer mechanischen Beanspruchung des Verbundes entstehen. Die Verbindung wird teilweise hoch belastet und der Werkstoff, also der Kunststoff oder das Metall, können hohe lokale Spannungen im Verbindungsbereich erfahren. Dadurch ergeben sich ungewollte Verformungen, die insbesondere bei engen Toleranzen zu vermeiden sind; dies auch hinsichtlich der Lage und Anordnung von lichttechnisch wirksamen Bauteilen wie Leuchtmittelträger, Reflektoren, Linsen, Lichtleitern und dergleichen.
Aus der DE 10 2017 214 518 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbin dung bekannt, bei dem eine gegossene Komponente mit einem metallischen Struktu relement verbunden wird. Das metallische Strukturelement muss dabei generativ ge fertigt werden, beispielsweise durch Pulverbettverfahren, durch selektives Lasersin tern oder selektives Laserschmelzen. Die Oberfläche des metallischen Strukturele mentes weist eine Oberflächenstruktur auf, die Mikrovertiefungen umfasst, in die der Gusswerkstoff der gegossenen Komponente eindringen kann. Dadurch entsteht eine formschlüssige, flächig ausgebildete Mikroverbindung zwischen dem metallischen Strukturelement und der gegossenen Komponente. Nachteilhafterweise ist die An wendbarkeit der vorgestellten Verbindungstechnologie nur begrenzt übertragbar, da nicht jedes metallische Strukturelement im generativen Verfahren hergestellt werden kann; insbesondere nicht aus Kostengründen und eine weiter reichende Applikation des Verfahrens ist überdies nicht bekannt, ohne einen Formschluss zwischen dem Strukturelement und der gegossenen Komponente zu bilden. Hier sind die Fügekom ponenten formschlüssig ineinander gefügt.
Aus der EP 2 589 479 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Reflektoren bekannt, insbesondere von hochpräzisen und formstabilen Reflektoren für einen Fahrzeug scheinwerfer, wobei folgende Schritte vorgesehen sind: Herstellen eines metallischen, vorzugsweise einstückigen Körpers, welcher Körper aus einem Basiskörper und zu mindest einer Reflektorschale besteht und Aufbringen eines Kunststoffmaterials zur Bildung der zumindest einen Reflektorfläche im optisch wirksamen Bereich der zu mindest einen Reflektorschale, wobei die zumindest eine Reflektorschale mit dem Ma terial ummantelt bzw. umformt wird. Nachteilhafterweise ist dabei eine im Wesentli chen vollständige Ummantelung des Basiskörpers mit dem Kunststoffmaterial not wendig, um ein Ablösen des Kunststoffmaterials vom Basiskörper zu verhindern, wo bei der Basiskörper beispielsweise aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist. Die DE 10 2012 011 635 A1 offenbart eine Leuchte umfassend eine Leiterplatte, auf der zumindest ein Leuchtmittel angeordnet ist, sowie eine Reflektoreinheit mit einem Reflektorkorpus, der durch einen Reflektorhalter über dem Leuchtmittel auf einer das Leuchtmittel tragenden Leiterplatte befestigt ist, wobei der Reflektorkorpus mit einem der Leiterplatte zugewandten Stirnseitenabschnitt an einen Halteabschnitt des zum Reflektorkorpus materialinhomogenen Reflektorhalters angeformt ist, und der Reflek torhalter mit einem aus Metallwerkstoff bestehenden, außerhalb des Reflektorkorpus befindlichen Lötabschnitt an der Leiterplatte festgelötet ist. Dabei ist vorgesehen, dass der Reflektorhalter mit einem Halteabschnitt in eine Guss- bzw. Spritzgussform einge legt wird, beispielsweise derart, dass der Halteabschnitt einen Teil der Wandung der Gussform bildet bzw. an dieser anliegt, so dass beim Einbringen des Reflektormateri als der Halteabschnitt des Reflektorhalters integral an den Reflektorkorpus angeformt bzw. in diesen eingeformt wird. Hierbei entsteht eine stoffschlüssige bzw. stoffschlus sähnliche Verbindung direkt zwischen dem Halteabschnitt und dem Material des Re flektorkorpus, beispielsweise durch atomare oder molekulare Bindungen zwischen den Materialien und/oder auch durch Mikroformschluss im Sinne eines mikroskopi schen oder auch makroskopischen Verhakens des einfließenden Reflektormaterials an der bzw. in die Oberflächenstruktur und dort eventuell vorhandenen Poren und Rauheiten, so dass sich das Reflektormaterial beim Verfestigen am Halteabschnitt des Reflektorhalters anbindet. Ähnlich wie dies beim Zweikomponenten-Spritzgießen bekannt ist, kann der Halteabschnitt des Reflektorhalters unmittelbar am Material des Reflektorkorpus angebunden werden. Nachteilhafterweise ist die Fügefestigkeit ab hängig von der Oberflächenbeschaffenheit der Metallkomponente, die den Reflektor halter bildet, und es kann von keiner definierten Fügefestigkeit zwischen der Metall komponente und der Kunststoffkomponente ausgegangen werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Verbesserung eines Verfahrens zur Fierstellung eines Metall-Kunststoff-Verbundbauteils insbesondere für eine Beleuchtungseinrich tung eines Fahrzeuges. Das Verfahren soll dabei die Kunststoffkom ponente im Spritz guss hersteilen. Insbesondere soll die Flaftung zwischen der Kunststoffkomponente und der Metallkomponente signifikant gesteigert werden und es soll die Möglichkeit geschaffen werden, die Haftung auf der gesamten Kontaktfläche zwischen der Kunst stoffkomponente und der Metallkomponente lokal unterschiedlich auszugestalten.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und ausge hend von einem Verbundbauteil gemäß Anspruch 9 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kunststoff- Verbundbauteils mit einer Kunststoffkomponente und einer Metallkomponente sieht erfindungsgemäß die folgenden Schritte vor: Erzeugen einer Mikrostruktur in einer Kontaktfläche der Metallkomponente, wobei die Mikrostruktur mit Bezug auf die Kon taktfläche Hinterschneidungen aufweist; Einlegen der Metallkomponente in ein Spritz gusswerkzeug, derart, dass die Kontaktfläche der Metallkomponente mit dem Kunst stoffwerkstoff der Kunststoffkomponente überspritzt werden kann; Spritzgießen der Kunststoffkomponente; wobei ein Teil des flüssigen Kunststoffwerkstoffes in die Hin terschneidungen der Mikrostruktur eindringt oder diese umschließt und Erkalten des Kunststoffmaterials der Kunststoffkomponente unter Bildung einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Kunststoffkomponente und der Metallkomponente.
Die erfindungsgemäße Ausführung des Verfahrens zur Herstellung eines Metall- Kunststoff-Verbundbauteils setzt an dem Gedanken an, eine insbesondere geomet risch definierte Mikrostruktur auf der Kontaktfläche zu schaffen, mit der ein Mikroform schluss zwischen der Metallkomponente und der Kunststoffkomponente erreicht wird, der eine definiert hohe Fügefestigkeit ermöglicht. Durch das Anspritzen der Kunst stoffkomponente kann der Kunststoff sich insbesondere aufgrund der Hinterschnei dungen in der Mikrostruktur verhaken und dadurch einen Mikroformschluss bilden.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Bereitstellung eines Metall-Kunststoff- Verbundbauteils für einen Aufbau in einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges angewendet, können auf einfache Weise die im allgemeinen empfindlichen und lage genau einzubauenden lichttechnisch wirksamen Kunststoffkomponenten wie Linsen, Lichtleiter, Dickwandoptiken, Reflektoren, Leuchtmittelträger und dergleichen auf eine Metallkomponente aufgebracht und im Verbund mit dieser hergestellt werden, und es sind keine Zusatzelemente wie Schrauben, Klemmelemente oder Federn erforderlich. Darüber hinaus sind keine Fügestoffe wie Klebemittel oder dergleichen notwendig.
Die Fügeverbindungen in der Beleuchtungseinrichtung, beispielsweise beim Aufbau von Lichtmodulen in einem Scheinwerfer, weisen verbesserte Eigenschaften auf, ins besondere die Befestigung massiver lichttechnischer Bauteile wie Dickwandlichtleiter, können durch die angefügten metallischen Komponenten als Halteelemente verbes sert aufgebaut werden. Optisch transparente Werkstoffe wie PMMA oder bestimmte PC-Kunststofftypen weisen eine hohe Sprödigkeit auf, was sehr oft zu erheblichen Problemen mit der belastungssicheren Befestigung der Bauteile führt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Fügeverbindung liegt in der flächigen Verbindung ohne die Er zeugung punktueller Fügeverbindungen wie beispielsweise bei einer Schraubverbin dung, sodass im empfindlichen lichttechnischen Bauteil keine Spannungsspitzen ent stehen.
Der besondere Vorteil, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt werden kann, liegt darin, dass das Eindringen des Teils des flüssigen Kunststoffwerkstoffes in die Hinterschneidungen der Mikrostruktur mit einem Spritzdruck des flüssigen Kunst stoffwerkstoffes im Spritzgussverfahren selbst erzeugt werden kann. Daher ist keine weitere Pressvorrichtung, erforderlich, um den Kunststoffwerkstoff in die Hinterschnei dungen in der Mikrostruktur einzubringen.
Mit weiterem Vorteil wird die Metallkomponente vor dem Einlegen in das Spritzguss werkzeug erwärmt, damit der Kunststoffwerkstoff in die Hinterschneidungen in der Mikrostruktur besser eindringen kann.
Dafür kann die Wärmeeinbringung zur Erwärmung der Metallkomponente mittels Kon taktheizelementen, mittels einer Laserbestrahlung oder mittels einer IR-Bestrahlung der komplementären Fügefläche der Kunststoffkomponente erreicht werden. Ferner kann die Wärmeeinbringung auch durch Induktion oder Ofenlagerung erfolgen oder durch weitere geeignete Methoden. Durch eine Erwärmung der Metallkomponente wird das Umschließen der Flinterschneidungen der Mikrostruktur begünstigt, da dann die Kunststoffschmelze im Spritzguss nicht an einer kalten Oberfläche der Metallkom ponente ebenfalls erkaltet und die Fließfähigkeit verliert.
Beispielsweise weist die Mikrostruktur Furchen oder Einkerbungen in der Oberfläche der Metallkomponente auf, die mit Bezug auf die Oberfläche schräg verlaufend in den Körper der Metallkomponente eindringen. Der Schrägungswinkel der Furchen oder Löcher in der Metallkomponente kann dabei wechselseitig geändert werden, sodass die Kunststoffkomponente nicht in einer Auszugsrichtung von der Metallkomponente wieder gelöst werden kann. Zudem besteht die Möglichkeit, die Mikrostruktur selber mit Hinterschneidungen auszuführen, beispielsweise durch zunehmende laterale Ab messungen einer Mikrostruktur in größerer Tiefe innerhalb der Metallkomponente. Herstellbar sind solche Mikrostrukturen beispielsweise durch einen Laserabtrag oder mittels Ätzverfahren. Die geometrischen Abmessungen der Mikrostrukturen können beispielsweise 10 pm bis 1.000 gm betragen.
Die Mikrostruktur in der Fügefläche der Metallkomponente kann Vertiefungen oder Erhebungen aufweisen. Ist die Mikrostruktur in der Fügefläche erhaben ausgeführt, so umschließt der Kunststoff diese im Spritzgussprozess, sodass nach Abkühlung des Kunststoffes ein Formschluss und/oder ein Kraftschluss gebildet wird.
Bilden sich Materialzungen innerhalb der Mikrostruktur, die insbesondere auch noch schräg zur Oberfläche verlaufen, und in unterschiedliche Schrägungsrichtungen über der Fügefläche verteilt ausgerichtet sind, entsteht ein Formschluss zwischen der Kunststoffkomponente und der Metallkomponente. Zudem kann ein Kraftschluss ge bildet werden, insbesondere durch leichte Schwindungsvorgänge beim Erkalten des Kunststoffmaterials insbesondere im Bereich der Materialzungen. In gewisser Weise verkrallt sich dadurch die Kunststoffkomponente in der Oberfläche der Metallkompo nente. Die Verbindung ist damit dauerhaft hergestellt. Mit Vorteil kann eine solche Fü- geverbindung genutzt werden für Optiken, die auf Halterungen oder dergleichen auf gebracht werden oder es können Metallkomponenten wiederum auf der Optik selber aufgebracht werden, beispielsweise wenn diese größere Abmessungen aufweist.
Mit weiterem Vorteil wird die Fügefläche mit der Mikrostruktur gleich groß oder kleiner ausgewählt als eine Kontaktfläche zwischen der Kunststoffkomponente und der Me tallkomponente. So können gezielt Flächenabschnitte mit einer Kraftübertragung zwi schen der Kunststoffkomponente und der Metallkomponente geschaffen werden, die so ausgelegt werden können, dass nur geringe mechanische Belastungen in den Fü gezonen entstehen, sodass die eigentliche Kontaktfläche zwischen den Bauteilen deutlich größer sein kann als die Fügefläche. Durch die lediglich lokale Anwendung der Verbindung können gezielt Kontaktbereiche zwischen der Kunststoffkomponente und der Metallkomponente erzeugt werden, die so angeordnet sind, dass eine ideale Kraftüberleitung zwischen der Kunststoffkomponente und der Metallkomponente er reicht wird. Die Fügefläche wird so groß gewählt, dass die spezifische Flächenbelas tung bei der Kraftüberleitung deutlich unterhalb einer Schädigungsgrenze bleibt.
Zudem ist es vorteilhaft, dass auf einer Kontaktfläche zwischen der Kunststoffkompo- nente und der Metallkomponente eine vereinzelte oder mehrere einzeln getrennt von einander ausgebildete Fügeflächen mit der Mikrostruktur gebildet sind. Beispielsweise können bei einer rechteckigen Kontaktfläche zwischen einer Optik und einem metalli schen Trägerkörper in den vier Ecken der Rechteckform Fügeflächen vorgesehen sein.
Mit weiterem Vorteil wird die Metallkomponente mittels einer Mg-Legierung, einer AL- Legierung, einer Zn-Legierung oder einer Fe-Legierung gebildet und/oder die Metall komponente wird mittels eines Druckgussverfahrens, eines Strangpressverfahrens, eines Schmiedeverfahrens, mittels einer spanenden Fertigung und/oder mittels eines Stanz-Biegeverfahrens hergestellt.
Die Fügefläche mit der Mikrostruktur zwischen der Kunststoffkomponente und der Me tallkomponente wird vorteilhafterweise so gewählt, dass trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Kunststoffkomponente und der Me tallkomponente bei Erwärmung des Bauteils keine oder nur eine reduzierte Verfor mung der Geometrie des Metall-Kunststoff-Verbundbauteils als Reflektor, als Lichtleit körper, als Dickwandoptik oder als Primäroptik oder als sonstiges lichttechnisch wirk sames Bauteil oder bei Erwärmung keine oder nur eine reduzierte Veränderung der Lage des Metall-Kunststoff-Verbundbauteils relativ zur Einbauumgebung erreicht wird, indem die Metallkomponente im Vergleich zur Kunststoffkom ponente eine hohe Wär meleitfähigkeit und eine geringere thermische Ausdehnung aufweist.
Um die Haftung zwischen der Metallkomponente und der Kunststoffkomponente wei ter zu verbessern, kann auf der Kontaktfläche der Metallkomponente vor dem Spritz gießen ein Haftvermittler aufgebracht werden.
Die Erfindung richtet sich weiterhin auf ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil, herge stellt mit einem Verfahren gemäß vorstehender Darstellung, wobei das Metall- Kunststoff-Verbundbauteil ein lichttechnisch wirksames Bauteil einer Beleuchtungsein richtung eines Fahrzeugs bildet. Insbesondere bildet dabei das Metall-Kunststoff- Verbundbauteil einen Reflektor einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeugs. Die Metallkomponente bildet insbesondere eine Grundstruktur des Reflektors und die Kunststoffkomponente weist auf einer Oberfläche eine Reflexionsschicht auf, die einer Lichtquelle zugewandt ist. Zur Gewährleistung der Dauerhaftigkeit des Verbundbau teils weist die Kunststoffkomponente insbesondere bei Reflektoren einen Kunststoff werkstoff mit einem mineralischen Füllanteil auf.
BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematisierte Querschnittsansicht durch den Verbund zwischen dem
Kunststoffkomponente und der Metallkomponente, Fig. 2 eine Ansicht eines Reflektors als Beispiel eines Metall-Kunststoff- Verbundbauteils mit einer lichttechnisch wirksamen Kunststoffkomponente und einer Metallkomponente.
Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Verbund zwischen einer Kunst stoffkomponente 1 und einer Metallkomponente 2, sodass der Verbund ein Metall- Kunststoff-Verbundbauteil 100 bildet. Die Kunststoffkomponente 1 und die Metallkom ponente 2 sind abstrahiert dargestellt und daher in nicht näher gezeigter Weise licht technisch wirksam ausgebildet und die Kunststoffkomponente 1 betrifft beispielsweise eine reflektive oder transmittive Optik eines Lichtmoduls in einer Beleuchtungseinrich tung eines Fahrzeuges, beispielsweise einen Reflektor.
Die Metallkomponente 2 kann beispielsweise eine Halterung, eine Blende oder ein sonstiges Umbauteil der reflektiven oder transmittiven Optik sein, etwa ein Grundkör per des Reflektors, ein Kühlkörper oder Abschnitte selbiger Bauteile.
In der als Kontaktflächei 1 zur Kunststoffkomponente 1 dienenden Oberfläche der Me tallkomponente 2 sind Mikrostrukturen 10 eingebracht, die von der Oberfläche begin- nened in den Körper der Metallkomponente 2 schräg einlaufen, wobei der Schrä gungswinkel der Mikrostrukturen 10 in voneinander unterschiedliche Richtungen wei sen, in der Ansicht schematisch gezeigt mit den linksseitigen Mikrostrukturen 10 mit den entgegengesetzt ausgerichteten rechtsseitigen Mikrostrukturen 10. Alternativ kann die Kontaktfläche 11 mit Mikrostrukturen 10 ausgebildet sein, die über der Kon taktfläche 11 erhaben sind, sich also im Verbund mit der Kunststoffkomponente 1 in diese hinein erstrecken. Auch damit sind Hinterschneidungen bzw. geometrisch aus gebildete Formschlüsse denkbar.
Die Mikrostrukturen 10 sind beispielsweise mit einem Laser-Abtragsverfahren oder mit einem Ätzverfahren oder einem anderen geeigneten Verfahren in die Metallkompo nente 2 eingebracht worden. Die Darstellung der Mikrostruktur 10 ist überdimensional ausgebildet mit Bezug auf die Dicke der Metallkomponente 2, und es ist hinreichend, wenn die Mikrostruktur 10 mit einer Tiefe von beispielsweise kleiner als 1.000 pm, kleiner als 500 pm oder kleiner als 200 pm Tiefe von der Oberfläche beginnend in das Material einläuft. Die Mikrostruktur kann dabei auch auf der Metallkomponente her austretend ausgebildet sein.
Zur Erzeugung des Verbundes wird zunächst die Mikrostruktur 10 in der Kontaktfläche 11 der Metallkomponente 2 erzeugt, wobei die Mikrostruktur 10 mit Bezug auf die Kontaktfläche 11 Hinterschneidungen aufweist. Anschließend wird die Metallkompo nente 2 in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt, derart, dass die Kontaktfläche 11 der Metallkomponente 2 mit dem Kunststoffwerkstoff der Kunststoffkomponente 1 über spritzt werden kann. Schließlich folgt das Spritzgießen der Kunststoffkomponente 1 , wobei ein Teil des flüssigen Kunststoffwerkstoffes in die Hinterschneidungen der Mik rostruktur 10 eindringt oder diese umschließt, wie in der Figur 1 gezeigt. Anschließend folgt noch das Erkalten des Kunststoffmaterials der Kunststoffkomponente 1 unter Bil dung einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Kunststoffkomponente 1 und der Metallkomponente 2.
Figur 2 zeigt ein Metall-Kunststoff-Verbundbauteil 100 in Form eines Reflektors 101 , wie dieser beispielsweise in einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeugs zum Ein satz kommen kann. Der Reflektor 101 weist einen Grundkörper auf, der mit der Me tallkomponente 2 gebildet ist, und in einem Bereich des Reflektors 101 , in den ein Leuchtmittel 14 einstrahlen kann, sowie zwecks Aussteifung des Reflektorkörpers und zwecks Erzeugung einer Antireflexoberfläche im Bereich eines Reflektorfußes 15, weist die Metallkomponente 2 beispielhaft die angespritzte Kunststoffkomponente 1 in den erwähnten Bereichen auf. Insbesondere kann die freie Oberfläche der Kunststoff komponente 1 mit einer sehr geringen Oberflächenrauheit hergestellt werden, auf der schließlich eine Reflexionsschicht 13 aufgebracht ist, die die eigentliche Reflektorfunk tion des mit dem Leuchtmittel 14 erzeugten Lichtes erfüllt.
Die Kontaktfläche 11 der Metallkomponente 2 ist mit der Mikrostruktur 10 versehen, an die die Kunststoffkomponente 1 angespritzt ist. Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angege bene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denk bar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1 Kunststoffkomponente
2 Metallkomponente
10 Mikrostruktur
11 Kontaktfläche
12 Lichtquelle
13 Reflexionsschicht
14 Leuchtmittel
15 Reflektorfuß
100 Metall-Kunststoff-Verbundbauteil
101 Reflektor

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kunststoff-Verbundbauteils sowie Metall-Kunststoff-Verbundbauteil Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kunststoff-Verbundbauteils (100) mit einer Kunststoffkomponente (1 ) und einer Metallkomponente (2), wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte umfasst:
- Erzeugen einer Mikrostruktur (10) in einer Kontaktfläche (11 ) der Me tallkomponente (2), wobei die Mikrostruktur (10) mit Bezug auf die Kontaktfläche (11 ) Hinterschneidungen aufweist,
- Einlegen der Metallkomponente (2) in ein Spritzgusswerkzeug, derart, dass die Kontaktfläche (11 ) der Metallkomponente (2) mit dem Kunst stoffwerkstoff der Kunststoffkom ponente (1 ) überspritzt werden kann,
- Spritzgießen der Kunststoffkomponente (1 ), wobei ein Teil des flüssi gen Kunststoffwerkstoffes in die Hinterschneidungen der Mikrostruktur (10) eindringt oder diese umschließt und
- Erkalten des Kunststoffmaterials der Kunststoffkomponente (1 ) unter Bildung einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Kunststoffkomponente (1 ) und der Metallkomponente (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Eindringen des Teils des flüssigen Kunststoffwerkstoffes in die Hinterschneidungen der Mikrostruktur (10) mit einem Spritzdruck des flüssigen Kunststoffwerkstoffes im Spritzgussverfahren erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mik rostruktur (10) in der Metallkomponente (2) durch einen Laserabtrag oder mittels Ätzverfahren oder durch ein anderes geeignetes Verfahren erzeugt wird oder dass die Mikrostruktur (10) durch Erhebungen auf der Kontaktflä che (11 ) der Metallkomponente (2) gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fügefläche mit der Mikrostruktur (10) gleich groß oder kleiner ist als eine Kontaktfläche (11 ) zwischen der Kunststoffkomponente (1 ) und der Metallkomponente (2).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Kon taktfläche (11 ) zwischen der Kunststoffkomponente (1 ) und der Metallkom ponente (2) eine vereinzelte oder mehrere einzeln getrennt voneinander ausgebildete Fügeflächen mit der Mikrostruktur (10) gebildet werden.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponente (2) mittels einer Mg-Legierung, einer AL-Legierung, einer Zn-Legierung oder einer Fe-Legierung gebildet wird und/oder mittels eines Druckgussverfahrens, eines Strangpressverfahrens, eines Schmiedeverfahrens, mittels einer spanenden Fertigung und/oder mit tels eines Stanz-Biegeverfahrens hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügefläche mit der Mikrostruktur (10) zwischen der Kunststoffkomponente (1 ) und der Metallkomponente (2) so gewählt wird, dass trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Kunststoffkomponente (1 ) und der Metallkomponente (2) bei Erwärmung des Bauteils keine oder nur eine reduzierte Verformung der Geometrie des Metall-Kunststoff-Verbundbauteils (100) als Reflektor, als Lichtleitkörper, als Dickwandoptik oder als Primäroptik oder als sonstiges lichttechnisch wirksa mes Bauteil oder bei Erwärmung keine oder nur eine reduzierte Veränderung der Lage des Metall-Kunststoff-Verbundbauteils (100) relativ zur Einbauum gebung erreicht wird, indem die Metallkomponente im Vergleich zur Kunst stoffkomponente (1 ) eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine geringere ther mische Ausdehnung aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kontaktfläche der Metallkomponente (2) vor dem Spritzgießen der Kunststoffkomponente (1 ) ein Haftvermittler aufgebracht wird.
9. Metall-Kunststoff-Verbundbauteil (100) hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Metall-Kunststoff- Verbundbauteil (100) ein lichttechnisch wirksames Bauteil einer Beleuch tungseinrichtung eines Fahrzeugs bildet.
10. Metall-Kunststoff-Verbundbauteil (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall-Kunststoff-Verbundbauteil (100) einen Reflektor (101 ) einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeugs bildet.
11. Metall-Kunststoff-Verbundbauteil (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponente (2) eine Grundstruktur des Re flektors (101 ) bildet und dass die Kunststoffkomponente (1 ) auf eine Oberflä che eine Reflexionsschicht (13) aufweist, die einer Lichtquelle (12) zuge wandt ist.
12. Metall-Kunststoff-Verbundbauteil (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffkomponente (1 ) einen Kunst stoffwerkstoff mit einem mineralischen Füllanteil aufweist.
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