DE102004053130A1

DE102004053130A1 - Hybridbauteil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102004053130A1
Application number: DE200410053130
Authority: DE
Inventors: Thiemo Stawinski; Bernhard Eckhardt
Original assignee: Faurecia Innenraum Systeme GmbH
Current assignee: Faurecia Innenraum Systeme GmbH
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridbauteil (5) aus einem Kunststoff/Metallverbund, bei dem eine Kunststoffmasse in eine Durchbrechung einer Blechlage (3) so eingebracht worden ist, dass dadurch eine Verformung der Blechlage (3) eintritt und einen kraft- und/oder formschlüssigen Kontakt mit einer weiteren Blechlage (2) herstellt. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Hybridbauteils (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybridbauteil aus einem Kunststoff/Metallverbund, bei dem eine Kunststoffmasse in eine Durchbrechung einer Blechlage so eingebracht worden ist, dass dadurch eine Verformung der Blechlage eintritt und einen kraft- und/oder formschlüssigen Kontakt mit einer weiteren Blechlage herstellt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Hybridbauteils.

Hybridbauteile aus einem Kunststoff/Metallverbund sind grundsätzlich bekannt. So offenbart die DE 195 00 790 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoff/Metallverbundkörpern mit einer Kombination von Metallfügetechnik und konventionellen Spritzgussverfahren in der Kavität eines modifizierten Spritzgusswerkzeuges. Bei diesem Verfahren werden in einem ersten Schritt einzelne zu verbindende Bleche oder Blechprofile in das Spritzgusswerkzeug eingelegt und mit Hilfe eines Pressstempels formschlüssig durch Verpressen oder Fügen miteinander verbunden. In einem anschließenden Verfahrensschritt erfolgt dann ein Verbinden durch Anspritzen mit Kunststoff von den Durchbrüchen im Bereich der Füge- bzw. Verpressungsstellen und/oder anderen übereinander liegenden Durchbrüchen der Einzelbleche.

Nachteilig bei den bekannten Verfahren zum Herstellen derartiger Hybridbauteile und bei den damit erhaltenen Hybridbauteilen ist, dass entweder die Verbindung der beiden Blechteile nur ausgesprochen aufwendig herzustellen ist, weil ein Verpressen in einem eigenen Arbeitsschritt erfolgen muss, oder andernfalls eine entsprechende Verbundstruktur nach dem Stand der Technik keine ausreichende Festigkeit besitzt.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hybridbauteil vorzuschlagen, das in einem vergleichsweise aufwandsarmen Verfahren herzustellen ist und zugleich insbesondere im Bereich der Durchbrüche eine ausgesprochen hohe Festigkeit – auch bei Dauerbelastungen – aufweist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Herstellungsverfahren vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird in Bezug auf das Hybridbauteil durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, dass durch eine in einen Hohlraum, der von dem Kragen des Durchbruchs in der zweiten Blechlage bzw. der Eindrückung umgeben wird, eingebrachte Kunststoffmasse die zweite Blechlage derart verformt ist, dass sich eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung mit der anderen Blechlage ergibt.

Auch der Durchbruch in der ersten Blechlage kann eventuell zur Realisierung einer guten Verbindung einen Kragen aufweisen, wobei es dann vorteilhaft ist, wenn die Kragenlängen der beiden Blechlagen bzw. die Kragenlänge und die Tiefe der Eindrückung unterschiedlich sind, so dass die Kragenlänge des Kragens bzw. die Tiefe der Eindrückung der zweiten Blechlage, in die die Kunststoffmasse eingebracht worden ist, größer ist als die Kragenlänge des Kragens der anderen Blechlage.

Der Kragen der zweiten Blechlage bzw. die Eindrückung überragt dann einen Rand des Durchbruchs in der zweiten Blechlage und gegebenenfalls einen dort ansetzenden Kragen zu einer der zweiten Blechlage abgewandten Seite hin. Dadurch wird die Verformung – vorzugsweise eine Aufweitung – des Kragens bzw. der Eindrückung erleichtert, aus der eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung – vorzugsweise eine in alle Richtungen formschlüssige Verbindung – mit der anderen Blechlage resultiert.

Als Kragenlänge wird hier die Abmessung eines Kragens (als Tiefe einer Eindrückung dementsprechend die Abmessung der Eindrückung) in zur entsprechenden Blechlage an der Stelle des Durchbruchs (bzw. in einer Umgebung der Eindrückung) senkrechter Richtung bezeichnet.

Das Hybridbauteil nach der Erfindung zeichnet sich somit dadurch aus, dass zum einen ein kraft- und/oder formschlüssiger Kontakt der beiden Blechlagen unter einander realisiert ist und dass die sich in dem Hohlraum befindliche, ausgehärtete Kunststoffmasse eine dauerhafte Stabilisierung des erzeugten Kraft- und/oder Formschlusses ermöglicht. Dadurch wird erreicht, dass die Verbindung eine ausgezeichnete Dauerstandfestigkeit aufweist. Eine sichere Verbindung der Blechlagen wird dabei in vorteilhaft einfacher Weise in einem Arbeitsschritt mit dem Einbringen der Kunststoffmasse hergestellt. Das Einbringen der Kunststoffmasse – vorzugsweise einer Schmelze – erfolgt dabei typischerweise durch einen Spritzgießprozess.

Als Durchbruch sei in der vorliegenden Schrift eine Ausnehmung oder Öffnung in der entsprechenden Blechlage bezeichnet, alternativ aber auch ein Ansatz einer eventuell geschlossenen topf- oder domartigen Vertiefung. Als Eindrückung, die z.B. durch Tiefziehen realisierbar ist, sei wiederum allgemein eine solche topfartige Vertiefung oder ein Dom oder eine Mulde bezeichnet.

Schließlich ist es selbstverständlich auch möglich, dass die zweite Blechlage zu jedem von mehreren Durchbrüchen in der ersten Blechlage jeweils einen korrespondierenden Durchbruch mit Kragen oder eine korrespondierende Eindrückung beschriebener Art aufweist.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Kragen bzw. die Eindrückung der Blechlage, in der die Kunststoffmasse eingebracht worden ist, in der Weise verformt ist, dass eine vollständige oder teilweise Hinterschneidung mit der anderen Blechlage vorliegt.

Der Durchbruch der ersten Blechlage kann also ebenfalls einen Kragen aufweisen, vorzugsweise mit einer Kragenlänge im Bereich von 0 mm bis 20 mm. Die Kragenlänge des Kragens der zweiten Blechlage bzw. die Tiefe der Eindrückung liegt vorzugsweise im Bereich von 2 mm bis 30 mm. Die Durchmesser der in den Blechlagen eingebrachten Durchbrechungen bzw. der Eindrückung liegen typischerweise in Größenordnungen von 3 mm bis 30 mm. Die Durchmesser der Durchbrechungen der beiden Blechlagen bzw. der Eindrückung in der zweiten Blechlage sind so abgestimmt, dass die eine Blechlage in die andere Blechlage eingreift, d.h. der eine Durchbruch bzw. die Eindrückung durchdringt den anderen Durchbruch.

Beispiele für bevorzugte Bleche für die erfindungsgemäßen Hybridbauteile sind Stahlbleche, Aluminiumbleche, Magnesiumbleche oder Bleche aus Magnesium und/oder Aluminium enthaltenden Legierungen. Bei der Kunststoffmasse, die in den Hohlraum eingebracht wird, hat es sich herausgestellt, dass insbesondere Polyamid ausgezeichnet geeignet ist. Andere Kunststoffmassen, die ebenfalls angewendet werden können, sind Polyurethan, Polyepoxid, Polypropylen, Polyethylen oder eine oder mehrere dieser Kunststoffe enthaltende Materialmischungen sowie andere zum Spritzgießen geeignete, vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils wie vorstehend beschrieben (Patentanspruch 9).

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei so vorgegangen, dass die Blechlagen mit den Durchbrüchen und/oder der (den) Eindrückung(en), die übereinander geschichtet sind, in das Spritzgusswerkzeug eingelegt werden, wobei das Spritzgusswerkzeug entsprechende Kavitäten für die Durchbrüche bzw. Eindrückungen aufweist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden somit mindestens zwei separate Bauteile (die erste und die zweite Blechlage) in das Spritzgusswerkzeug eingelegt.

Anschließend wird dann das Werkzeug geschlossen und die Kunststoffmasse in den Hohlraum eingebracht. Wesentlich ist nun, dass mit einem so hohen Druck gearbeitet wird, dass eine Verformung des Kragens bzw. der Eindrückung der Blechlage erfolgt, sodass dadurch ein kraft- und/oder formschlüssiger Kontakt dieser Blechlage mit der darunter liegenden Blechlage hergestellt wird. Anschließend erfolgt eine Aushärtung.

Bevorzugt ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren, wenn die Kavität im Spritzgusswerkzeug selbst vorzugsweise durch Schieber realisierte Hinterschneidungen aufweist, sodass dann bei Einbringung der Kunststoffmasse auch eine entsprechende Verformung des Blechbauteils erreicht wird, sodass dieses ganz oder teilweise die darunter liegende Blechlage hinterschneiden kann.

Bevorzugt ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren, wenn eine Kunststoffmasse verwendet wird, die über Temperatur ausgehärtet werden kann. Die Einstellung der Temperatur richtet sich dabei nach der ausgewählten Kunststoffmasse und ist allgemein dem Fachmann bekannt.

Beim Einbringen der Kunststoffmasse kann vorzugsweise mit Drücken von 150 bar bis 400 bar, besonders vorzugsweise mit Drücken von 200 bar bis 300 bar gear beitet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 3, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, näher beschrieben.
1 zeigt in 1a schematisch den Zustand vor Einbringung der Kunststoffmasse und 1b die fertige Verbundstruktur.
2 zeigt in 2a die Ausführungsform mit einer Eindrückung in der Blechlage und 2b die fertige Verbundstruktur.
3a zeigt ein dem Hybridbauteil aus 1 vergleichbares Bauteil, jedoch hier mit einem Spritzgusswerkzeug mit Hinterschneidungen. In 3b ist wiederum das fertige Bauteil abgebildet.
In 1a ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch aufgezeigt. Mit 1 bezeichnet ist dabei ausschnittsweise ein Spritzgusswerkzeug dargestellt. Das Spritzgusswerkzeug 1 besitzt eine entsprechende Kavität 11, in die die erste Blechlage 2 mit seinem Kragen 6 und die zweite Blechlage 3 mit seinem Kragen 7 eingreift. Die Kavität 11 des Spritzgusswerkzeugs ist dabei so ausgebildet, dass der Kragen 7 nahezu bis zum Boden der Kavität 11 reicht. Wie aus 1a zu erkennen, ist dabei die Kragenlänge der zweiten Blechlage 3 länger als die der ersten Blechlage 2. Die Blechbauteile, die in 1 abgebildet sind, weisen bevorzugt eine Dicke von etwa 1,5 mm auf. Im Beispielsfall der 1 ist für beide Blechlagen 2 und 3 ein Aluminiumblech eingesetzt worden. An Stelle dessen könnte auch ein Stahlblech, ein Magnesiumblech oder ein Blech aus einer Aluminium- und/oder Magnesiumlegierung verwendet werden. Wie aus 1a hervorgeht, wird nun in den Hohlraum, der durch die Durchbrechung in der zweiten Blechlage 3 erzeugt wird, eine Kunststoffmasse 4 unter hohem Druck eingebracht.
1b zeigt dann den Zustand nach erfolgtem Einspritzen der Kunststoffmasse, wodurch ein Hybridbauteil 5 entstanden ist. 1b zeigt, dass durch das Einbringen der Kunststoffmasse eine Verformung des Kragens der zweiten Blechlage 7 erfolgt und dass ein kraft- und/oder formschlüssiger Kontakt mit dem Kragen 6 der ersten Blechlage 2 hergestellt wird. Durch den kraft- und/oder formschlüssigen Kontakt der beiden Bleche untereinander, d.h. des Kragens 6 und 7 und durch die in dem Hohlraum sich befindliche Kunststoffmasse entsteht ein extrem belastbares Verbundsystem. 1b zeigt, dass bei dieser erfindungsgemäßen Lösung kein Umspritzen beider Metalllagen erfolgt, sondern dass die Kunststoffmasse sich nur in dem Hohlraum befindet, der durch den Durchbruch der zweiten Blechlage aufgespannt wird. Möglich wäre aber auch ein vollständiges Umspritzen beider Blechlagen 2 und 3 zumindest an der Verbindungsstelle. Entscheidend ist weiterhin, dass die Kunststoffmasse, die zur Verformung des Kragens 7 geführt hat, diesen Zustand so stabilisiert, sodass eine allseitige stabile Verformung und allseitig formschlüssige Verbindung der Blechlagen 2 und 3 vorliegt. Als Kunststoffmasse wurde bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 ein Polyamid verwendet. Die Kunststoffmasse wurde dabei mit einem Druck von etwa 70 bar in den Hohlraum der Durchbrechung der Metalllage 3 eingebracht.
Das Ausführungsbeispiel, das in 2 gezeigt ist, unterscheidet sich von 1 dadurch, dass hier die zweite Blechlage 3 keine Durchbrechung mit einem Kragen aufweist, sondern in Form einer Eindrückung 8 ausgebildet ist. Die Eindrückung 8 ist dabei nun so geformt, dass die Tiefe dieser Eindrückung 8 auf jeden Fall die Kragenlänge des Kragens 6 der ersten Metalllage 2 überragt. Wie aus 2b ersichtlich, wird auch bei dieser Ausführungsform ein kraft- und/oder formschlüssiger Kontakt des Kragens 6 der ersten Metalllage mit der Eindrückung 8 der zweiten Metalllage hergestellt. Die Kunststoffmasse 4 ist wiederum im Hohlraum, der durch die Eindrückung 8 in der zweiten Metalllage 3 gebildet worden, eingebracht.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Kavität 11 eine Hinterschneidung 12 aufweist. Ansonsten entspricht diese Ausführungsform der 1. Vorteilhaft hierbei ist, dass durch die Hinterschneidung 12 in der Kavität 11 des Spritzgusswerkzeuges 1 eine vollständige Hinterschneidung des Kragens 6 der ersten Metalllage 2 erreicht werden kann. Dies sorgt für einen zusätzlichen Form- und/oder Kraftschluss und eine verbesserte Dauerfestigkeit des Verbundkörpers. Um ein Entformen des fertigen Hybridbauteils 5 zu ermöglichen, ist die Hinterschneidung 12 durch die Ausführung mindestens eines Teils des Spritzgusswerkzeugs 1 als entsprechend geformter Schieber realisiert.

Claims

Hybridbauteil (5) aus einem Kunststoff/Metallverbund, umfassend mindestens eine erste Blechlage (2) mit mindestens einem Durchbruch und mindestens eine zweite Blechlage (3), die über die erste Blechlage (2) geschichtet ist, wobei die zweite Blechlage (3) einen mit dem Durchbruch in der ersten Blechlage (2) korrespondierenden Durchbruch mit einem Kragen (7) und/oder eine mit dem erstgenannten Durchbruch korrespondierende Eindrückung (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (7) bzw. die Eindrückung (8) durch den Durchbruch in der ersten Blechlage (2) hindurchragt, wobei die zweite Blechlage (3) im Bereich des Kragens (7) bzw. der Eindrückung (8) durch eine zumindest in einen vom Kragen (7) bzw. von der Eindrückung (8) umgebenen Hohlraum eingebrachte Kunststoffmasse derart verformt ist, dass ein Form- und/oder Kraftschluss mindestens im Bereich des Durchbruchs der ersten Blechlage (2) und des Kragens (7) der zweiten Blechlage (3) bzw. des Durchbruchs der ersten Blechlage (2) und der Eindrückung (8) der zweiten Blechlage (3) vorliegt.
Hybridbauteil nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch der ersten Blechlage (2) einen Kragen (6) mit einer Kragenlänge von zwischen 0 mm und 20 mm aufweist und/oder der Kragen (7) des Durchbruches der zweiten Blechlage (3) eine Kragenlänge bzw. die Eindrückung (8) eine Tiefe von zwischen 2 mm und 30 mm hat.
Hybridbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Durchbruches der ersten Blechlage (2) im Bereich von 4 mm bis 30 mm liegt und der Durchmesser des Durchbruches bzw. einer engsten Stelle der Eindrückung (8) der zweiten Blechlage (3) im Bereich von 3 mm bis 28 mm liegt mit der Maßgabe, dass der Durchmesser des Durchbruchs bzw. der Eindrückung (8) der zweiten Blechlage (3) kleiner ist als der der ersten Blechlage (2).
Hybridbauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (7) des Durchbruches der zweiten Blechlage (3) beim fertigen Hybridbauteil derart verformt ist, dass er den Durchbruch und oder den Kragen (6) der ersten Blechlage (2) ganz oder teilweise hinterschneidet.
Hybridbauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Blechlage (3) mindestens eine korrespondierende Eindrückung (8) aufweist, wobei die Eindrückung (8) beim fertigen Hybridbauteil derart verformt ist, dass sie dem Kragen (6) der ersten Blechlage (2) teilweise oder vollständig hinterschneidet.
Hybridbauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Blechlage (2) und/oder die zweite Blechla ge (3) eine Stärke von zwischen 0,5 mm und 3 mm aufweist.
Hybridbauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Blechlagen (2,3) ein Stahl-, Aluminium- oder Magnesiumblech oder ein Blech aus einer Aluminium- und/oder Magnesiumlegierung ist.
Hybridbauteil nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmasse ausgewählt ist aus Polyurethan, Polyamiden, Polyepoxid, Polypropylen, Polyethylen oder eine eines oder mehrere dieser Materialien enthaltende Mischung ist.
Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass – die mindestens eine Blechlage (2) und die mindestens eine zweite Blechlage (3) in ein Spritzgusswerkzeug (1) mit entsprechenden Kavitäten (11) für die Durchbrüche eingelegt wird, – das Werkzeug (1) geschlossen wird, – unter Druck die Kunststoffmasse in den Hohlraum der durch den Durchbruch bzw. die Eindrückung der zweiten Blechlage (3) aufgespannt wird, eingebracht wird, wobei mit einem so hohen Druck gearbeitet wird, dass eine Verformung des Kragens (7) bzw. der Eindrückung (8) der zweiten Blechlage (3) erfolgt und – dass die Kunststoffmasse ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtung durch Anwendung von Temperatur erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Druck von 150 bar bis 400 bar gearbeitet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität im Spritzgusswerkzeug (1) Hinterschneidungen (10) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschneidungen der Kavität durch Schieber realisiert werden.