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Die
vorliegende Erfindung betrifft Strukturbauteile mit einer Metallkomponente
und einer Kunststoffkomponente, die mittels Haftvermittler verbunden
sind.
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Metall-Kunststoff-Verbundbauteile
sollen die jeweiligen positiven Eigenschaften der Komponenten Metall
und Kunststoff in einem Bauteil vereinigen. Bauteile aus zwei unterschiedlichen
Komponenten, Metall und Kunststoff, werden hierin als „Hybrid"-Bauteile bezeichnet.
Metalle und Kunststoffe sind jedoch in ihren Eigenschaften und ihrem
Verarbeitungsverhalten sehr unterschiedlich und daher nicht problemlos
so miteinander zu verbinden, dass eine dauerhafte und belastbare
Verbindung erhalten wird.
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Aus
DE 38 39 855 C2 ist
ein Verbundbauteil bekannt, bei dem Verstärkungsrippen aus Kunststoff an
einen Grundkörper
aus Metall angespritzt sind. Der Metall-Grundkörper weist Durchbrüche auf, durch
die der Kunststoff gespritzt ist. Es handelt sich also um eine formschlüssige Verbindung,
bei der sich der Kunststoff quasi in dem Metall verhakt. Alternativ ist
es bekannt, eine formschlüssige
Verbindung über eine
entsprechende Versickung der Metallkomponente zu erreichen. Derartige
formschlüssige
Verbindungen sind für
belastete Teile hinsichtlich ihrer Verbundfestigkeit nicht zufrieden
stellend. Außerdem sind
die Teile korrosionsanfällig,
da durch Kapillarwirkung Feuchtigkeit zwischen die Metallkomponente und
die Kunststoffkomponente eindringen kann.
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Bekannt
ist auch, eine haftlackbeschichtete Metallkomponente in einem kontinuierlichen
Prozess durch Koextrusion mit einer Kunststoffkomponente zu verbinden.
Die Metallkomponente, die hierbei in Folienform vorliegt, wird vorgeheizt,
so dass die Haftvermittlerschicht während des Extrudierens aktiviert wird
und eine Verbindung der Metallkomponente mit der aufgebrachten Kunststoffkomponente
schafft. Eine Aktivierung des Haftvermittlers erfordert die Überschreitung
einer bestimmten, vom jeweils eingesetzten Haftvermittler abhängigen Temperatur.
Wird diese Temperatur nicht erreicht, so resultiert eine unzureichende
Verbindung zwischen den beiden Komponenten des Verbundbauteils.
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Da
Metalle gute Wärmeleiter
sind ist die Erzielung einer ausreichenden Temperatur oft schwierig,
besonders bei großen,
sperrigen Teilen.
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Gemäß
WO 2005/032793 wird dieses
Verfahren weitergebildet, indem ein mittels nachträglicher
Erwärmung
aktivierbarer Haftvermittler verwendet wird, d.h., es wird zuerst
ein Verbundbauteil durch Spritzgießen einer Kunststoffkomponente
auf eine Metallkomponente hergestellt, und anschließend wird
die Metallkomponente nochmals zur Aktivierung der Haftvermittlerschicht
erwärmt.
Durch dieses Verfahren wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Metallkomponente
und Kunststoffkomponente erhalten.
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Das
Verfahren gemäß
WO 2005/032793 ergibt
eine Festigkeit der Verbindung zwischen Metall und Kunststoff, die
voll ausreichend ist für
Bauteile, die keinen sehr starken mechanischen Belastungen ausgesetzt
sind, beispielsweise für
reine Dekorbauteile. Auch für
Bauteile, die zwar gewissen mechanischen Belastungen ausgesetzt
sind, deren potentielles Versagen aber keine schwerwiegenden Konsequenzen
nach sich zieht, können
die Verbundbauteile gegebenenfalls eingesetzt werden.
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Bei
Strukturbauteilen, insbesondere tragenden Teilen, beweglichen Teilen
und/oder sicherheitsrelevanten Teilen eines Fahrzeugs, einer Apparatur oder
einer sonstigen Vorrichtung, sind jedoch Anforderungen an die Festigkeit
und Zuverlässigkeit
der Verbindung von Metall und Kunststoff zu stellen, die vom Stand
der Technik nicht erfüllt
werden können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, Strukturbauteile mit einer
Metallkomponente und einer Kunststoffkomponente bereitzustellen,
die dauerhaft und belastbar miteinander verbunden sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, derartige Strukturbauteile
bereitzustellen, die statisch und dynamisch belastbar sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es ferner, derartige Strukturbauteile
bereitzustellen, die eine hohe Biege- und Torsionssteifigkeit besitzen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es auch, derartige Strukturbauteile
bereitzustellen, die in korrosionsgefährdeten Bereichen einsetzbar
sind.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturbauteil aufweisend eine
Metallkomponente, eine Kunststoffkomponente und ein die Metallkomponente
und die Kunststoffkomponente verbindendes Haftvermittlersystem,
wobei das Haftvermittlersystem aus einem Kunststoff-Haftvermittler oder
aus einem Kunststoff-Haftvermittler in Kombination mit einem Primer
besteht, und wobei der Kunststoff-Haftvermittler ein Polyester,
ein Polyurethan oder ein Epoxid ist, das mit einem Dien und/oder
einem Polyen modifiziert ist.
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Das
erfindungsgemäße Strukturbauteil
ist nach einem Verfahren erhältlich,
das folgende Schritte aufweist:
- (a) Bereitstellen
einer Metallkomponente, wobei die Metallkomponente an einer Seite
mit einem vorgehärteten,
d.h. vorvernetzten, Haftvermittlersystem beschichtet ist,
- (b) Einbringen der mit dem vorgehärteten Haftvermittlersystem
beschichteten Metallkomponente in eine Gießform eines Spritzgusswerkzeugs
dergestalt, dass die vorgehärtete
Haftvermittlerschicht einem freien Volumen in der Gießform zugewandt ist,
- (c) Spritzgießen
einer Kunststoffkomponente auf die Metallkomponente, wobei das Haftvermittlersystem
weiter aushärtet,
und
wobei als Haftvermittlersystem ein aus einem Kunststoff-Haftvermittler
oder aus einem Kunststoff-Haftvermittler in Kombination mit einem
Primer bestehendes Haftvermittlersystem verwendet wird, und der
Kunststoff-Haftvermittler ein Polyester, ein Polyurethan oder ein
Epoxid ist, das mit einem Dien und/oder einem Polyen modifiziert
ist.
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Der
Begriff "ein" ist in der vorliegenden
Beschreibung und den Ansprüchen
stets als "mindestens
ein" zu verstehen.
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Kernpunkt
der vorliegenden Erfindung ist das Haftvermittlersystem. Es handelt
sich um ein hitzereaktives, zweistufig härtendes (vernetzbares) System,
das durch seine besondere Zusammensetzung, insbesondere durch die
Modifizierung mit Dienen und/oder Polyenen, optimal an den anzuspritzenden
Kunststoff angepasst werden kann. Dadurch wird eine bisher unerreichte
Haftfestigkeit durch eine stoffschlüssige Anbindung zwischen Metall
und Kunststoff erzielt.
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Als
Metallkomponente kommen grundsätzlich
alle Metalle, insbesondere die auf dem Gebiet der Strukturbauteile üblichen
Metalle wie z.B. Stahl in verschiedenen Festigkeiten, Edelstahl,
Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium, etc., in Frage. Die Metallkomponente
wird typischerweise in Form von Blechen oder zu Formteilen geformten
Blechen eingesetzt.
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Bevorzugte
Materialien für
die Kunststoffkomponente werden in Abhängigkeit von dem beabsichtigten
Anwendungstemperaturbereich und in Abhängigkeit von den mechanischen
Anforderungen ausgewählt.
Faserverstärkte
Kunststoffmaterialien, z.B. glasfaserverstärkte oder kohlefaserverstärkte Kunststoffmaterialien,
garantieren eine besonders hohe Festigkeit.
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Typische
anzuspritzende Kunststoffmaterialien sind Polypropylen (PP), beispielsweise
PP LGF 30, Polyamid (PA), beispielsweise PA 6 GF und PA 6.6 GF,
Polyamid-Polyphenylenoxid-Blends (PA-PPO-Blends),
Polyamid-Polystyrol (syndiotaktisch)-Blends (PA-sPS-Blends), Polyamid-Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat-Blends (PA-ABS-Blends), Polyphthalamid
(PPA), Polyphenylensulfid (PPS) und Polysulfon (PSU).
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In
den obigen Bezeichnungen steht GF für Glasfaser, LGF für Langglasfaser,
und die Zahl hinter LGF bedeutet den Gewichtsprozentanteil der Langglasfaser
im Kunststoff.
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Langglasfasern
werden aufgrund ihres Größenaspekts
(Verhältnis
von Länge
zu Höhe)
verwendet. Sie erhöhen
die Wärmeformbeständigkeit
und Schlagzähigkeit
des Kunststoffs, z.B. des Polypropylens. An kurzglasfaserverstärkte (GF)
Kunststoffe können
bereits hohe Anforderungen an die Wärmeformbeständigkeit und das Maß an Schwindung
gestellt werden; langglasfaserverstärkte Kunststoffe können noch
höhere
thermische und mechanische Anforderungen erfüllen. Bei PP LGF übertreffen
Festigkeit und Steifigkeit die Werte von GF (Kurzfaser)-gefüllten Polypropylen-Compounds
um 30%, die Kerbschlagzähigkeit
sogar um bis zu 300%.
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Für den Temperaturbereich
von +100 °C, d.h.
für thermisch
gering belastete Strukturbauteile, kann beispielsweise PP LGF 30
verwendet werden, d.h. Polypropylen mit einem Anteil von 30 Gew.-% Langglasfasern.
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Für den Temperaturbereich
von –40 °C bis +120 °C bzw. +140 °C, d.h. für thermisch
höher belastete
Strukturbauteile, sind in Abhängigkeit
von den mechanischen Anforderungen hochwertigere Kunststoffe notwendig,
wie Polyamid, z.B. PA 6 GF oder PA 6.6 GF. Polyamide (PA) vom Aminocarbonsäure-Typ entstehen
aus einem Baustein durch Polykondensation oder Polymerisation (ε-Lactam),
und Polyamide vom Diamin-Dicarbonsäure-Typ entstehen aus zwei Bausteinen
durch Polykondensation. Codiert werden die Polyamide aus unverzweigten
aliphatischen Bausteinen durch die Anzahl der Kohlenstoffatome,
d.h. PA 6 ist aus Aminohexansäure
(oder ε-Caprolactam) aufgebaut,
und PA 6.6 ist aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure aufgebaut.
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Alternativ
zu PA 6 GF und PA 6.6 GF können PA-PPO-Blends
und PA-sPS-Blends verwendet werden, wobei PPO für Polyphenylenoxid steht und
sPS syndiotaktisches Polystyrol bedeutet.
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Für den Temperaturbereich
von –40 °C bis über +140 °C, d.h. für thermisch
hoch belastete Bauteile, sind in Abhängigkeit von den mechanischen
Anforderungen und den chemischen Anforderungen Hochleistungskonstruktionskunststoffe
notwendig, z.B. PPA, PPS. PPA steht für Polyphthalamid, und PPS steht
für Polyphenylensulfid.
Als Alternativen können
auch allgemein teilaromatische Polyamide und PSU eingesetzt werden.
PSU steht für
Polysulfon (Poly[oxy-1,4-phenylen-sulfonyl-1,4-phenylen-oxy-(4,4'-isopropylidendiphenylen)]).
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Die
erfindungsgemäßen Strukturbauteile eignen
sich wegen ihrer Leichtigkeit, Festigkeit und Verbindungssicherheit
besonders gut für
Karosseriebauteile von Fahrzeugen. Unlösbar verbundene Karosseriebauteile
müssen
die Anforderungen im Temperaturbereich von –40 °C bis +120 °C erfüllen. Diese Bauteile müssen die
Lackieranlagen bei der Fahrzeugherstellung durchlaufen, und zwar
ohne Beeinträchtigung
von Funktion, Geometrie, Oberfläche, etc.
Es gelten dabei die folgenden Bedingungen: Bei der katalytischen
Tauchbadlackierung typischerweise 20 Minuten bei 200 °C, bei dem
Füllerauftrag
30 Minuten bei 160 °C,
und bei dem Decklackauftrag 30 Minuten bei 150 °C. Entsprechend muss als Kunststoffwerkstoff
z.B. Polyamid, beispielsweise PA 6 GF, PA 6.6 GF zum Einsatz kommen.
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Lösbar an
der Grundkarosserie angeschlossene Anbauteile, wie beispielsweise
eine Heckklappe, müssen
diese mit der katalytischen Tauchbadlackierbarkeit verbundenen Anforderungen
nicht notwendigerweise erfüllen.
Solche Teile werden typischerweise erst nachträglich angebaut. Als Kunststoff
für derartige
Anbauteile eignet sich beispielsweise PP LGF.
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Die
Kunststoffe müssen
darüber
hinaus die mechanischen Anforderungen, im Wesentlichen Anforderungen
an Torsion und Biegung, sowie gegebenenfalls weitere Anforderungen,
z.B. chemische Beständigkeit,
elektrische Leitfähigkeit,
Geruchsneutralität,
etc., erfüllen.
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Das
Haftvermittlersystem ist ein zweistufiges Haftvermittlersystem,
d.h. ein Haftvermittlersystem, das in zwei aufeinander folgenden
Schritten vollständig
vernetzt wird. Die Vernetzung erfolgt durch thermische Aktivierung.
Das Haftvermittlersystem besteht aus dem "eigentlichen" Haftvermittler, einem Kunststoff-Haftvermittler,
der alleine oder in Kombination mit einem Primer, der der besseren
Aktivierung der Metalloberfläche
dient, verwendet werden kann. Das Haftvermittlersystem wird auf
das Blechmaterial bzw. die Metallkomponente aufgebracht und in einem
ersten Schritt teilvernetzt, so dass sich eine trockene Oberfläche ausbildet,
die ausreichend resistent gegen Handling-Beschädigungen ist. Beim oder nach
dem Anspritzen von Kunststoff wird das Haftvermittlersystem vollständig vernetzt,
so dass es seine endgültigen
Eigenschaften erhält.
Das vollständige
Vernetzen des Haftvermittlersystems kann beispielsweise in einem
Nachhärteschritt
oder beim Durchgang durch die katalytische Tauchbadlackierung erfolgen.
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Das
Haftvermittlersystem muss zum einen eine stoffschlüssige Anbindung
mit dem Metallmaterial eingehen und zum anderen eine stoffschlüssige Anbindung
mit dem Kunststoffmaterial eingehen. Entsprechend wird seine Materialzusammensetzung in
Abhängigkeit
von der Metallkomponente und der Kunststoffkomponente des Strukturbauteils,
insbesondere in Abhängigkeit
von der Kunststoffkomponente, gewählt.
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Wenn
das Haftvermittlersystem einen Primer aufweist, werden konventionelle
Primer eingesetzt, wie sie in der Technik bekannt sind. Der Primer
weist sowohl metallophile Gruppen auf, die für eine stoffschlüssige Anbindung
an das Metall sorgen, als auch organische Gruppen, die in der Lage
sind, an einen Kunststoff oder ein Material auf Kunststoffbasis,
wie die Haftvermittlermatrix, anzubinden. Die Primer sind organische
Verbindungen, die zur Anbindung an das Metall Hydroxy-, Thiol-,
Amin- oder Carboxylgruppen besitzen. Außerdem können Metallsalze und, bevorzugter,
metallorganische Verbindungen, wie z.B. funktionalisierte Eisencyclopentadienyle,
eingesetzt werden. Die funktionelle Gruppe bindet an das Metall,
der organische Molekülteil
bindet an den Kunststoff-Haftvermittler.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu den genannten Primern können
organofunktionalisierte Alkoxysilane, wie z.B. 3-(Trimethoxysilyl)-1-propanamin,
3-(Trimethoxysilyl)-propylmethacrylat, N-1-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]-1,2-ethandiamine,
3-(Triethoxysilyl)-propannitrile, 3-Glycidyloxypropyl-trimethoxysilan, etc., verwendet
werden. Sie werden in verdünnter
Form, z.B. als 1- bis 10%ige alkoholische oder wässrige Lösung, auf die Metalloberfläche aufgebracht
und zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie für eine besonders
gute Verbindung zwischen den Komponenten sorgen. Die Alkoxy-Funktionalität des Silans
bindet an die Metalloberfläche,
und die zusätzliche
Funktionalität
an der organischen Gruppe bindet an die Matrix des Kunststoff-Haftvermittlers.
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Außerdem können Mischungen
der Silane mit Präpolymeren,
beispielsweise aus Carbamaten, eingesetzt werden. Geeignete Mischungsverhältnisse
(Gewichtsverhältnisse)
von Silan:Präpolymer
sind von 1:50 bis 1:1.
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Der
Primer kann, nur beispielhaft, aber nicht beschränkend, folgende Zusammensetzung
haben: 3 bis 8 Gew.-% 3-Glycidoxypropy-methyldimethoxysilan oder
1-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]urethan oder 3-(Trimethoxysilyl)propyl-methacrylat
plus 2 bis 5 Gew.-% N-(2-Aminoethyl)-3-(trimethoxysilyl)propylamin
oder 3-(Trimethoxysilyl)propylamin oder 3-(Trimethoxysilyl)-1-propanthiol in einem
Alkohol oder Gemisch von Alkoholen, wobei Ethanol, Methanol und
Isopropylalkohol bevorzugt sind. Gut geeignet ist auch eine 5 bis
15 Gew.-%-ige Lösung
von N-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]-N'-(4-vinylbenzyl)ethylendiaminhydrochlorid
in z.B. Methanol.
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Auf
den Primer wird der "eigentliche" Haftvermittler,
der Kunststoff-Haftvermittler, aufgetragen, der zum Einen an den
Primer anbindet und zum Anderen für die stoffschlüssige Anbindung
an den Kunststoff sorgt. Alternativ können Primer und Kunststoff-Haftvermittler
auch gemischt werden. Der "eigentliche" Haftvermittler ist
nach dem Aushärten selbst
ein Kunststoffmaterial. Er weist typischerweise auch metallophile
Gruppen auf oder enthält
Komponenten mit metallophilen Gruppen, so dass auf einen Primer
verzichtet werden kann und die stoffschlüssige Anbindung an das Metall
auch durch den Kunststoff-Haftvermittler erfolgen kann. Der Kunststoff-Haftvermittler
wird dann direkt auf das Metall aufgetragen.
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Der
Kunststoff-Haftvermittler, der für
die stoffschlüssige
Anbindung an den Kunststoff sorgt und an den Primer und/oder die
Metalloberfläche
bindet, ist bevorzugt ein Polyester oder ein Polyurethan oder ein
Epoxid, besonders bevorzugt ein auf Bisphenol A und/oder Bisphenol
B und/oder Bisphenol C und/oder Bisphenol F basierendes Epoxidharz.
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Bisphenol
A ist 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan, Bisphenol B ist 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-butan,
Bisphenol C ist 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan, und Bisphenol
F ist 2,2-Methylendiphenol. Bisphenol A und Bisphenol B sind besonders bevorzugt.
Werden sie im Gemisch eingesetzt, liegt das Gewichtsverhältnis bevorzugt
im Bereich von 1:1 bis 1:10 Bisphenol A: Bisphenol B.
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Die
Anpassung des Haftvermittlersystems an den jeweiligen anzubindenden
Kunststoff erfolgt im Wesentlichen durch Modifizierung mit Dienen,
insbesondere 1,3-Dienen, oder durch Modifizierung mit Polyenen wie
Naturkautschuk oder Synthesekautschuk, wobei die Diene und/oder
Polyene kovalent an das Harz gebunden (in die Haftvermittlermatrix einpolymerisiert)
sein können
und/oder physikalisch in die Haftvermittlermatrix eingebunden (additiviert) sein
können.
Der Dien-Anteil und/oder Polyen-Anteil am Haftvermittlersystem beträgt bevorzugt
1 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 3 bis 10 Gew.-%.
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Elastomermodifizierte
Epoxidklebstoff-Haftvermittler werden beispielsweise erhalten durch
Einpolymerisieren von 1,3-Butadien (kovalente Anbindung) oder durch
Zugabe von Kautschuk (physikalische Einbindung, Additivierung).
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Der
Kunststoff-Haftvermittler ist bevorzugt der alleinige Haftvermittler.
Bei Epoxidsystemen beispielsweise kann die Epoxidgruppe zur Metallaktivierung
und stoffschlüssigen
Anbindung an das Metall dienen.
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Eine
weitere Anpassung des Haftvermittlersystems an den jeweiligen anzubindenden
Kunststoff ist möglich
durch Zugabe von Alkyl- und/oder Aryl-modifizierten Silanen der
allgemeinen Formel HO-Si(R)(R')(R''), wobei die Reste R, R' und R'' gleich sein können oder teilweise oder alle
ungleich mit Alkyl- und/oder Arylgruppen modifiziert sein können, wobei
die Alkyl- und/oder Arylgruppen funktionelle Gruppen wie COOH, OH,
NH2 tragen. Die Silane dienen der Quervernetzung
(durch die Funktionalität
an der organischen Gruppe) und der Anbindung an das Metall (durch
die Hydroxylgruppe am Silicium).
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Die
Silane sind jedoch nicht zwingend erforderlich, da die Anbindung
an das Metall auch über funktionelle
Gruppen an dem Kunststoff-Haftvermittler erfolgen kann.
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Die
stoffschlüssige
Anbindung führt
zu dem Entfall einer Kapillarwirkung (d.h. eines Kriechens von Feuchtigkeit
zwischen das Kunststoffmaterial und das Metallmaterial) durch die
vollflächige
Verklebung zwischen dem Kunststoffmaterial und dem Metallmaterial
mittels des Haftvermittlersystems. Das ermöglicht ein Umspritzen von offenen,
d.h. nicht geschützten
Schnittstellen und anderen ungeschützten Metallflächen mit
dem Kunststoffmaterial. Solange beidseitig eine vollflächige Verklebung
gegeben ist, kann außer
durch Diffusion keine Feuchtigkeit an die ungeschützten Stellen
gelangen, so dass eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit
realisiert ist. Selbstverständlich
ist der Haftvermittler selbst korrosions- und hydrolysebeständig.
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Der
Haftvermittler kann gleichzeitig als Korrosionsschutz dienen, insbesondere
wenn ein kunststoffbasiertes System verwendet wird, beispielsweise
ein Epoxidsystem, ein Polyester- oder ein Polyurethansystem. Bei
einer derartigen Auswahl des Haftvermittlers bildet der ausgehärtete Haftvermittler beim
fertigen Bauteil in den Bereichen, wo er nicht von Kunststoffmaterial überdeckt
ist, eine Korrosionsschutzschicht für das Metallmaterial. Es ist
wichtig, dass das Haftvermittlersystem als dichte Schicht aufgebracht
wird.
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Wo
es erforderlich ist, ist es notwendig, dass der Haftvermittler KTL-fähig ist
(KTL – katalytische Tauchbad-Lackierung).
Dafür sind
insbesondere ausreichende Temperaturbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit
erforderlich.
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Ein
elektrisch leitfähiger
Haftvermittler wird durch Zugabe elektrisch leitfähiger Bestandteile
erhalten. Geeignete elektrisch leitfähige Bestandteile sind, auf
organischer Basis, beispielsweise Ruß und Graphit, und auf anorganischer
Basis Metallpulver wie z.B. Zinkstaub.
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Für manche
Anwendungen ist es erforderlich, dass der Haftvermittler schweißbar ist,
d.h. dass die mit dem Haftvermittler beschichteten Metallteile geschweißt werden
können.
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Wesentliche
Voraussetzungen dafür
sind zum einen die elektrische Leitfähigkeit und die Temperaturbeständigkeit.
Darüber
hinaus sollte er nicht brennbar sein. Die Temperaturbeständigkeit
wird bevorzugt durch Verwendung hoch vernetzter Epoxidsysteme auf
der Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol B erzielt.
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Die
Unbrennbarkeit wird durch halogenierte Bisphenole erzielt. Beispielsweise
kann der Haftvermittler auf der Basis von 2,2-Bis-(3,5-dibrom-4-hydroxyphenyl)-propan
und/oder Tetrabrombisphenol A aufgebaut sein oder zusätzlich diese
Bisphenole enthalten. Alternativ oder zusätzlich können herkömmliche Flammschutzmittel (halogenhaltig
oder halogenfrei) dem Haftvermittler zugesetzt werden.
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Insbesondere
beim Aufbringen des Haftvermittlers im Coil-coating-Verfahren ist
eine ausreichende Elastizität
bzw. Umformbarkeit des Haftvermittlers nach dem ersten Teilvernetzungsschritt
erforderlich, so dass der Haftvermittler nach dem Umformen vollflächig auch
in extremen Biegungsbereichen an dem Metallmaterial anhaftet. Die
Elastizität
des Haftvermittlers kann beispielsweise durch eine Anbindung von
Elastomer (1,3-Butadien) an den Haftvermittler oder durch eine Additivierung
des Haftvermittlers mit Kautschuk erhöht werden.
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Zur
Verbesserung der stoffschlüssigen
Anbindung an das Metall, des Korrosionsschutzes, der elektrischen
Leitfähigkeit,
der Temperaturbeständigkeit,
der Unbrennbarkeit und der Elastizität können, je nach gewünschter
Eigenschaft, die oben angegebenen Materialien einzeln oder in Kombination
zugegeben werden.
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Die
Verbindung von Metall und Kunststoff zur Herstellung der Metall-Kunststoff-Hybrid-Strukturbauteile
erfolgt durch Anspritzen des Kunststoffs an die mit dem vorvernetzten
Haftvermittler beschichtete Metallkomponente.
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Die
Beschichtung der Metallkomponente mit dem Haftvermittlersystem ist
vor oder nach der Formgebung der Metallkomponente möglich. Typischerweise
erfolgt die Formgebung der Metallkomponente durch Stanzen und Tiefziehen
von Metallblechen. Mögliche
Beschichtungsverfahren sind das sogenannte "Coil Coating" (Beschichtung vor der Formgebung),
Spritzlackierung, Tauchlackierung, Pulverbeschichtung, (Beschichtung
nach der Formgebung).
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Wird
das Haftvermittlersystem vor dem Stanzen und Tiefziehen der Bleche
im Coil Coating-Verfahren
aufgebracht, sind die gestanzten und tiefgezogenen Metallbauteile
an ihren Schnittkanten nicht von Haftvermittler bedeckt. Möglicherweise
sind sie auch in Bereichen großer
Umformung nicht von Haftvermittler bedeckt.
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Zur
Sicherung der Korrosionsbeständigkeit ist
es daher erforderlich, die Metallbereiche ohne Haftvermittler entweder
nachträglich
mit Haftvermittler zu versehen oder aber mit Kunststoffmaterial
so zu spritzen, dass die unbedeckten Bereiche mit Kunststoffmaterial überdeckt
sind, wobei das Kunststoffmaterial voll umfangmäßig um die unbedeckten Bereiche
mit Haftvermittler verklebt ist. Das Coil Coating-Beschichten kann
räumlich
völlig
getrennt von dem Stanzen und Tiefziehen erfolgen. Die im Coil Coating-Verfahren
beschichteten Bleche werden anschließend für eine Zeitdauer und bei einer
Temperatur erhitzt, bis eine trockene und feste Beschaffenheit des
Haftvermittlersystems erreicht ist. Das Haftvermittlersystem muss
soweit teilvernetzt werden, dass sich eine trockene Oberfläche ausbildet,
die ausreichend resistent gegen Handling-Beschädigungen ist. Danach werden
die Bleche zugeschnitten und geformt bzw. gestanzt und im Tiefziehverfahren
geformt. Anschließend
werden die Bleche entfettet und dann kann die Kunststoffkomponente
in einem geeigneten Spritzgusswerkzeug angespritzt werden. Gegebenenfalls
können
danach noch ungeschützte
Metallbereiche durch Lackieren, etc. mit einem Korrosionsschutz
versehen werden.
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In
einer Abwandlung des obigen Verfahrens kann eine Tiefziehfolie zum
Stanzen und Tiefziehen der Bleche verwendet werden. Die Tiefziehfolie
kann im Anschluss an die Coil Coating-Beschichtung aufgezogen werden
(nach der Vorvernetzung des Haftvermittlersystems) oder unmittelbar
vor dem Stanzen und Tiefziehen der Bleche aufgezogen werden. Nach dem
Stanzen und Tiefziehen der Bleche wird die Tiefziehfolie entfernt.
Ein Entfetten der Bleche ist in diesem Fall nicht erforderlich.
Dann wird in einem geeigneten Spritzgusswerkzeug die Kunststoffkomponente
angespritzt. Auch hier kann es erforderlich sein, bei korrosionsgefährdeten
Bauteilen anschließend Schnittkanten
oder andere freie Metallbereiche mit einem Korrosionsschutz zu versehen,
beispielsweise durch eine spezielle Lackierung.
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Wird
das Haftvermittlersystem nach der Formgebung der Metallkomponente
aufgetragen, beispielsweise durch Spritzlackierung, Tauchlackierung,
Pulverbeschichtung oder katalytische Tauchlackierung, kann der Korrosionsschutz
des Haftvermittlersystems besser genutzt werden. Es gibt dann keine
ungeschützten
Schnittkanten oder Beschädigungen
der Haftvermittlerschicht durch den Umformungsprozess. Die Korrosionsbeständigkeit des
Haftvermittlersystems wird dann nicht nur im Bereich der Anbindung
der Kunststoffkomponente genutzt, sondern auch in den Bereichen,
die keinen Kontakt mit der Kunststoffkomponente haben. Dadurch kann
der zusätzliche
Arbeitsschritt einer Lackierung der Metallkomponente eingespart
werden. Außerdem
können,
falls gewünscht,
gezielt Bereiche, die nicht von Haftvermittlersystem überdeckt
sein sollen, ausgespart werden.
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Die
Anhaftung des Haftvermittlersystems am Metall kann verbessert werden
durch eine geeignete Vorbehandlung der Metalloberfläche, beispielsweise durch
Entfettung und/oder Reinigung; durch eine mechanische Behandlung
wie z.B. Strahlen oder Bürsten;
durch Passivierung; durch elektrische oder physikalische Aktivierung.
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Nach
der Beschichtung mit Haftvermittlersystem kann es vorteilhaft sein,
die Haftvermittlerbeschichtung nachzubehandeln, beispielsweise durch Abtropfen,
durch Trocknen oder durch einen Waschprozess. Anschließend erfolgt
das Anbinden des Haftvermittlers, d.h. seine Teilvernetzung bis
zur Handling-Festigkeit. Die benötigte
Temperatur und die Zeitdauer sind abhängig von dem verwendeten Haftvermittlersystem,
beispielsweise 100 °C
für 30 Sekunden
oder 140 °C
für 40
Sekunden oder 120 °C für 20 Sekunden.
Im Allgemeinen sind Temperaturen zwischen 80 und 160 °C und Zeiten
zwischen 10 Sekunden und 1 Minute angemessen.
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Die
mit dem vorvernetzten Haftvermittlersystem beschichtete Metallkomponente
wird nun in ein geeignetes Spritzgusswerkzeug eingebracht. Die Gestalt
der Gießform
ist dabei der Gestalt der Metallkomponente einerseits und der gewünschten
Gestalt der Kunststoffkomponente andererseits angepasst, und die
Metallkomponente wird so in die Gießform eingelegt, dass die Haftvermittlerschicht
einem freien Volumen in der Gießform
zugewandt ist. Die Gießform
kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass Kunststoff-Versteifungsstrukturen
an die Metallkomponente angespritzt werden. Es ist vorteilhaft,
die Gießform
auf eine definierte Temperatur, die von dem Haftvermittlersystem
abhängt,
vorzuwärmen.
Die Vorwärmung
unterstützt
das hitzereaktive Verhalten des Haftvermittlersystems. Alternativ
oder zusätzlich kann
die Metallkomponente auf die Aktivierungstemperatur des Haftvermittlersystems
vorgewärmt
werden. Eine derartige Vorerwärmung
kann beispielsweise extern durch Induktionsheizung, IR-Strahler,
in einem Ofen, etc., oder innerhalb des Spritzgusswerkzeugs (während oder
nach dem Einbringen der Metallkomponente in die Gießform) z.B.
durch IR-Strahler, erfolgen. Dann wird das Kunststoffkomponenten-Ausgangsmaterial
eingespritzt. Die hohe Temperatur der flüssigen Schmelze bewirkt die
thermische Aktivierung, und in der Regel die vollständige Reaktion,
des Haftvermittlersystems. Der Kunststoff wird dauerhaft an die
Metallkomponente angebunden. Anschließend wird das erzeugte Hybrid-Strukturbauteil
und das Spritzgusswerkzeug zur schnelleren Abkühlung bevorzugt gekühlt und
das fertige Hybrid-Strukturbauteil aus dem Spritzgusswerkzeug entfernt.
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Wird
ein Haftvermittlersystem mit einer hohen Aktivierungstemperatur
verwendet, kann es sinnvoll sein, nach dem Spritzgießen einen
Tempervorgang des Strukturbauteils anzuschließen, um die vollständige Durchhärtung des
Haftvermittlersystems und damit die zuverlässige und stabile Anbindung
der Kunststoffkomponente an die Metallkomponente sicherzustellen.
Dies gilt auch für
mit dem Haftvermittlersystem beschichtete Bereiche, an denen kein Kunststoff
angespritzt wurde, damit der Korrosionsschutz durch das Haftvermittlersystem
zuverlässig gewährleistet
ist.
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Generell
kann das Haftvermittlersystem vollflächig oder nur bereichsweise,
außerdem
einseitig oder beidseitig auf den Oberflächen der Metallkomponente vorgesehen
werden. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Haftvermittlersystems liegt darin,
dass bei nur einseitiger Anbindung der Kunststoffkomponente an die
Metallkomponente eine sichere, belastbare und dauerhafte Verbindung
erzielt wird. Die Verbindung ist rein stoffschlüssig, und zusätzliche
Sicherungen durch eine formschlüssige Verbindung
von Metall und Kunststoff sind nicht erforderlich. Selbstverständlich können derartige
formschlüssige
Verbindungen, wenn sie bei dem entsprechenden Bauteil nicht stören, zusätzlich vorgesehen werden,
beispielsweise Durchspritzungen von Kunststoffmaterial in Durchbrüche der
Metallkomponente.
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Da
für die
Verbindung von Metall und Kunststoff eine einseitige stoffschlüssige Anbindung
mittels Haftvermittlersystem ausreichend ist, wird die kunststofffreie
Oberfläche
der Metallkomponente in ihrem Aussehen in keiner Weise beeinträchtigt.
Diese Oberfläche
der Metallkomponente kann daher als sichtbare, beispielsweise dekorative
Fläche
mit Metall- oder Lackoptik, genutzt werden. Bei der Verarbeitung
eines derartigen Strukturbauteils mit Metallsichtoberfläche kann
sich diese Metallsichtoberfläche
(bei jeweils mit Haftvermittler behandelter Rückseite der Metallkomponente)
in unterschiedlichen Bearbeitungsstadien befinden. Sie kann beispielsweise gebürstet, feingewalzt,
poliert, mit kratzfestem Klarlack, oder mit Nanolack lackiert sein;
sie kann mit Decklack fertig behandelt sein; oder sie kann mit einer
Grundierung behandelt sein. In diesem Fall wird das fertige Strukturbauteil
abschließend
mit dem Decklack lackiert. So wird auch der Schutz der Schnittkanten
erreicht. Zum Schutz der Metallsichtoberfläche bei der Verarbeitung, beispielsweise
beim Spritzgießen,
ist es sinnvoll, die Metallsichtoberfläche mit einer Schutzfolie abzudecken.
Die Schutzfolie wird frühestens
nach dem Spritzgießen
entfernt.
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Neben
der Möglichkeit,
eine optisch unbeeinträchtigte
Metallsichtoberfläche
zu schaffen, bieten die erfindungsgemäßen Hybrid-Strukturbauteile zahlreiche
weitere Vorteile: Sie sind statisch und dynamisch belastbar; mit
Kraft oder Drehmoment beaufschlagbar; bieten Ausfallsicherheit über die
gesamte Lebensdauer des Strukturbauteils; sind für sicherheitsrelevante Teile
geeignet; haben ein geringes Gewicht, aber eine hohe Biege- und
Torsionssteifigkeit; sind gut gegen Korrosion geschützt; und
auch für
bewegliche Bauteile geeignet.
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Die
erfindungsgemäßen Hybrid-Strukturbauteile
finden beispielsweise Anwendung im Fahrzeugbau, z.B. als Rahmen
von Motorrollern, als Rahmenstrukturen bei Transportern oder Bussen,
in PKW-Karosserien, als Crash-Element in PKWs und LKWs, PKW-Achsen,
in Sitzgestellen; außerdem
im Flugzeugbau, in der Raumfahrt und in Unterseebooten, als Gehäuse von
Motorkleingeräten,
um nur einige zu nennen.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere Karosseriebauteile für Fahrzeugkarosserien,
die ein erfindungsgemäß Hybrid-Strukturbauteil
aufweisen. Es sei darauf hingewiesen, dass einzelne der nachfolgend
zu dem Karosseriebauteil geschilderten Merkmale, die insbesondere
den Aufbau des Karosseriebauteils und des entsprechenden Strukturbauteils betreffen,
für sich
selbst und insbesondere ohne die Merkmale des Anspruchs 1 oder des
Anspruchs 8 oder mit lediglich einem Teil dieser Merkmale für erfinderisch
angesehen werden. Bei Strukturbauteilen und Karosseriebauteilen
im Besonderen spielt das Gewicht eine erhebliche Rolle. Andererseits
sind die von dem Bauteil aufzunehmenden Belastungen erheblich und
es werden erhebliche Anforderungen insbesondere auch an die Haltbarkeit
der Bauteile gestellt. So wird trotz des vorangehend geschilderten Stands
der Technik im Karosseriebau bei Fahrzeugen und insbesondere bei
Personenkraftwägen
die konventionelle zweischalige Blechbauweise praktisch ausschließlich eingesetzt.
Diese Bauweise hat sich über
die Jahre hinweg als kostengünstig,
stabil und zuverlässig
bewährt
und sie wird trotz des Gewichtsnachteils weiterhin eingesetzt. Mit
dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil
wird die Voraussetzung für
ein Karosseriebauteil geschaffen, welches hinsichtlich der Kosten
und der Zuverlässigkeit
vergleichbar zu Karosseriebauteilen doppelschaliger Blechbauweise
ist, welches andererseits aber eine erhebliche Gewichtseinsparung
erlaubt.
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Das
Karosseriebauteil kann ein Strukturbauteil gemäß des der vorliegenden Erfindung
oder ein gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestelltes Strukturbauteil aufweisen, welches eine
Hybrid-Tragestruktur für
das Karosseriebauteil darstellt.
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Das
Karosseriebauteil bzw. das Strukturbauteil kann gemäß der konventionellen
Bauweise aufgebaut sein, wobei lackiertes Blech an der Sichtoberfläche vorgesehen
ist. Es ist jedoch günstiger,
von dieser konventionellen Bauweise abzuweichen und die Metallkomponente
bzw. das Blech nicht an der Sichtseiten-Oberfläche vorzusehen. Es ist dann möglich, das
entsprechende Bauteil so zu konstruieren, dass die Metallkomponente
nur dort vorhanden ist, wo sie aus Festigkeitsgründen benötigt wird. Auf diese Weise
lässt sich
weiteres Gewicht einsparen.
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An
der Hybrid-Tragestruktur kann ein Verkleidungselement angeschlossen
sein. Das Verkleidungselement kann aus Kunststoffmaterial insbesondere
im Spritzgussverfahren hergestellt sein. Das Verkleidungselement
kann nachträglich
lackiert werden, beispielsweise in dem das Karosseriebauteil mit dem
Rest der Karosserie die üblichen
Lackierprozesse durchläuft,
es kann auch entsprechend gefärbtes Kunststoffmaterial
verwendet werden.
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Das
Verkleidungselement kann auch ein Strukturbauteil mit einer Metallsichtoberfläche sein. Nachdem
bei einem solchen Strukturbauteil mit Metallsichtoberfläche die
Metallkomponente in erster Linie optischen Zwecken dient, kann das
entsprechende Metallmaterial relativ dünn ausgebildet sein, so dass
entsprechende Karosseriebauteile, die sich optisch praktisch nicht
von den konventionellen Karosseriebauteilen unterscheiden, dennoch
eine Gewichtseinsparung ermöglichen.
Generell kann die Hybrid-Tragestruktur in dem Karosseriebauteil
innen liegend, nicht sichtbar bzw. lediglich teilweise sichtbar
vorgesehen sein. Es ist insbesondere möglich, beidseitig Verkleidungen
vorzusehen. Bei einer derartigen innenliegenden Anbringung der Hybrid-Tragestruktur
sind Durchspritzungen durch das Blechbauteil insbesondere in den
sichtbaren Bereichen möglich.
Die Metallkomponente bzw. das Blechbauteil der Hybrid-Tragestruktur
kann auch als sichtbares Bauteil ausgebildet sein. Versteifungen
durch angespritzten Kunststoff sind dann jeweils nur auf der der
Sichtseite entgegengesetzten Seite möglich, bzw. nur in abgedeckten
Bereichen möglich,
wobei auch Durchspritzungen lediglich in den abgedeckten Bereichen
möglich
sind. Dabei kann das Blech auf der Außenseite angeordnet sein und
die Innenseite kann verkleidet sein. Das Blech kann auch auf der
Innenseite angeordnet sein und die Außenseite kann verkleidet sein.
Die entsprechenden Bleche können vor
dem Kunststoff-Spritzprozess lackiert werden oder nach dem Kunststoff-Spritzprozess
lackiert werden. Im Fall, dass sie vor dem Kunststoff-Spritzprozess
lackiert werden, kann es günstig
sein, eine Schutzfolie aufzubringen, die nach dem Anspritzen des
Kunststoffs bzw. nach der Montage des Karosseriebauteils wieder
entfernt wird.
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In
die Kunststoffkomponente des Strukturbauteils können Aufnahmen für Anbauteile
eingeformt sein. Dabei können
die Aufnahmen in der Hybrid-Tragestruktur und/oder einem Verkleidungselement
vorgesehen sein. Es ist besonders günstig, die Aufnahmen so auszubilden,
dass entsprechende Anbauteile nach der Verbindung von Verkleidungselementen
mit der Hybrid-Tragestruktur fest gelagert sind, ohne dass es einer
zusätzlichen
Befestigung bedarf. Dazu kann es insbesondere günstig sein, Anlageelemente
vorzusehen, die durch eine geeignete Ausbildung durch Ausnehmungen
und/oder Schwächungsbereiche
eine Vorspannung auf das Anbauteil im montierten Zustand ausüben, so
dass dieses im montierten Zustand festgeklemmt ist. Solche Anbauteile
können
beispielsweise Türschlösser, Fensterhebermechanismen,
Schiebedachkurbelmechanismen oder andere Schiebedachöffnungsmechanismen, Seitenfensterführungen,
Schiebedachführungen; Scheinwerfer,
Rücklichter,
Blinker, Schalter, Sensoren, Heckscheibenwischerantriebe bzw. ganze
Heckscheibenwischereinheiten, ganze Antennen und/oder Antennenanschlüsse sein.
Insbesondere die Integration von Antennen in die Kunststoffkomponente
eines solchen Karosseriebauteils ist ein ganz spezielles Merkmal,
da bei einer geeigneten Wahl des Kunststoffmaterials in der Umgebung
der Antenne eine Abschirmung der elektromagnetischen Strahlung nicht
erfolgt, so dass eine Antenne – wenngleich
verborgen – optimale
Empfangsleistung liefert. So kann es insbesondere günstig sein,
eine Antenne für
ein Navigationssystem in dem Spoilerbereich einer Heckklappe oder
im Dachbereich eines PKWs vorzusehen.
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Die
Aufnahme kann eine Kabelführung,
beispielsweise ein Kabelkanal sein. Es können in der Kabelführung Kabelanschlusselemente
beispielsweise Kabelklemmungen vorgesehen sein. Es können auch
einzeln entsprechende Aufnahmen für Befestigungselemente vorgesehen
sein, mit denen das Kabel befestigt wird, oder es können Kabelklammern vorgesehen
sein. Es können
auch Ösen
oder andere Anbindungspunkte für
Kabelbinder vorgesehen sein. An dem Kabelkanal kann auch ein integral
angespritzter Kabelkanaldeckel vorgesehen sein. Der Deckel kann
beispielsweise über
eine Schwächungslinie
klappbar ausgebildet sein und mit entsprechenden Rastelementen versehen
sein, die mit entsprechenden Rastöffnungen auf der gegenüberliegenden Seite
des Kabelkanals kooperieren können,
den Deckel nach dem Schließen
in der entsprechenden Position zu halten. Statt der Rastöffnungen
an der gegenüberliegenden
Seite des Kabelkanals können auch
entsprechende Rastvorsprünge
vorgesehen sein, hinter die der Kabelkanaldeckel gedrückt werden
kann, um so zu verrasten.
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Der
Kabelkanaldeckel kann im Wesentlichen im Bereich des gesamten Kabelkanals
vorgesehen sein. Er kann auch abschnittsweise für den Kabelkanal vorgesehen
sein.
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Komplexere
Strukturen in der Kunststoffkomponente, wie beispielsweise der Kabelkanal,
etc. können
beispielsweise mit der sogenannten Gasinjektionstechnik (GIT) bzw.
der Wasserinjektionstechnik (WIT) hergestellt werden. Dabei wird
Gas bzw. Wasser vor dem Erkalten des Kunststoffmaterials an bestimmten
vorausgewählten
Stellen in die Form eingespritzt, und sorgt dort lokal für eine Abkühlung an der
Oberfläche.
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Integral
an der Kunststoffkomponente des Strukturbauteils können Anschlusselemente
vorgesehen sein. Anschlusselemente können auch an den Verkleidungselementen
vorgesehen sein. Die Anschlusselemente sind vorzugsweise eingespritzte Bauteile
aus Metall, Kunststoff oder ähnlichem
Material, beispielsweise Bolzen, insbesondere Gewindebolzen, und
eingespritzte Gewindeaufnahmen. Es können aber auch integral aus
dem Kunststoffmaterial gespritzte Anschlusselemente sein, wie beispielsweise
Bolzen, Gewindebolzen, gespritzte Gewindeaufnahmen, Schnapphaken,
Bajonett-Aufnahmen, gegebenenfalls mit Schnapp- oder sonstiger Sicherung,
Einschnappöffnungen,
Kabelbefestigungsklammern, Ösen,
Führungen
und Befestigungsklips. Es können
aber auch lediglich einfache Öffnungen sein,
in die Vorspannelemente, beispielsweise Federn eingreifen können.
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Insbesondere
zum Anschluss der Verkleidungselemente sind derartige Anschlusselemente vorgesehen,
wobei sowohl Anschlusselemente verwendet werden können, die
relativ einfach geöffnet und
wieder verwendet werden können
oder aber Anschlusselemente verwendet werden können, die im Wesentlichen nicht
wieder geöffnet
werden können. Es
kann günstig
sein, Anschlusselemente im Wesentlichen so auszubilden, dass die
beiden Teile, insbesondere die Hybrid-Tragestruktur und das daran angeschlossene
Verkleidungselement mit Vorspannung relativ zueinander gehalten
sind. Auf diese Weise können
Konstruktionen realisiert werden, bei denen die Verkleidungselemente
die Stabilität
der Hybrid-Tragestruktur
noch erhöhen.
Alternativ oder zusätzlich
können
die einzelnen Bauteile durch Kleben miteinander verbunden sein,
insbesondere dann, wenn die Strukturfestigkeit noch weiter erhöht werden
soll.
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Insbesondere
zum Anschluss des Karosseriebauteils an die Karosserie und/oder
zur Momentenabstützung,
d. h. eines Gasdruckdämpfers
bei Heckklappen, etc., können
in die Kunststoffkomponente der Hybrid-Tragestruktur Metallanbindungen eingespritzt
sein. Eine Metallanbindung kann beispielsweise eine Scharnieranbindung
sein, an der ein Scharnier beispielsweise ein Türscharnier oder ein Heckklappenscharnier
angeschlossen sein kann.
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Es
kann auch ein Metallstück,
beispielsweise ein länglicher
Metallstreifen sein, an dem Befestigungslöcher vorgesehen sein können. Weitere
Metallanbindungen können
beispielsweise Metallbolzen, Metallgewindebolzen, Metallgewindeaufnahmen,
etc. sein. Zur Erzielung einer festen Anbindung dieser Metallanbindungen
können
diese mit einem Haftvermittlersystem vor dem Anspritzen behandelt werden,
wie vorangehend geschildert.
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Die
Erfindung und Ausgestaltung der Erfindung werden nachfolgend anhand
von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Fahrzeugheckklappe;
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2 eine
Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil
einer Fahrzeugheckklappe;
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3 ein
Schnitt durch das Strukturbauteil der 2 entlang
der Linie a-a;
-
4 ein
Schnitt durch das Strukturbauteil der 2 entlang
der Linie b-b;
-
5 ein
Schnitt durch das Strukturbauteil der 2 entlang
der Linie c-c;
-
6 ein
Schnitt durch das Strukturbauteil der 2 entlang
der Linie d-d; und
-
7 eine
alternative Ausbildung des in der 6 gezeigten
Details.
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Die
Explosionszeichnung der 1 zeigt ein Karosseriebauteil 2,
welches an dem Beispiel in Form einer Fahrzeugheckklappe beschreiben
ist, gemäß der vorliegenden
Erfindung in auseinandergezogener Darstellung. Insbesondere erkennt
man als Kern der Heckklappe ein Strukturbauteil 4, welches als
Hybrid-Tragestruktur 6 der Fahrzeugheckklappe 2 dient.
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Dieses
Strukturbauteil 4 weist eine Metallkomponente 8 und
eine Kunststoffkomponente 10 auf. Die Metallkomponente 8 und
die Kunststoffkomponente 10 sind über ein Haftvermittlersystem
miteinander verbunden. Bei dieser Verbindung handelt es sich primär um eine
flächige
Verbindung im Sinne einer Verklebung und nicht um eine formschlüssige Verbindung,
bei der Hintergreifungen der Kunststoffkomponente 10 hinter
die Metallkomponente 8 eine formschlüssige Verbindung herstellen.
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Die
Metallkomponente 8 kann beispielsweise ein Metallblech
sein, welches durch Stanzen und Tiefziehen in Form gebracht ist.
Der Haftvermittler kann vorzugsweise vor dem Stanzen und Tiefziehen beispielsweise
im coil coating-Verfahren aufgebracht werden. Es ist auch möglich, den
Haftvermittler insbesondere nach der Formgebung durch Spritzen, Streichen,
Tauchen, etc. aufzubringen.
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In
der 1 erkennt man ferner einige an der Hybrid-Tragestruktur 6 anzuschließende Verkleidungselemente 12, 14, 16, 18, 20,
welche im zusammengebauten Zustand die Hybrid-Tragestruktur 6 im Wesentlichen
vollständig überdecken,
so dass es sich bei der in der 1 gezeigten
Bauweise um eine solche mit einer innenliegenden Hybrid-Tragestruktur 6 handelt.
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Bei
den Verkleidungselementen handelt es sich insbesondere um eine Innenverkleidung,
die aus einer oberen Innenverkleidung 12 und einer unteren Innenverkleidung 14 besteht.
Ein zurückgesetzter Bereich 22 an
der nach oben ragenden Strebe 24 der unteren Innenverkleidung 14 ist
im zusammengebauten Zustand von einem korrespondierenden Bereich 26 der
oberen Innenverkleidung 12 überdeckt, so dass hier ein
sauberer Übergang
geschaffen ist.
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Die
Außenverkleidung
wird von einer Heckblende 16, einem Heckscheibenelement 18 und
einem Spoiler 20 gebildet. Jedes dieser 3 Teile kann ein
vormontiertes Bauteil sein. So können
beispielsweise in der Heckblende 16 eine Kennzeichenbeleuchtung,
ein Bedienelement für
ein Schloss (nicht gezeigt) der Heckklappe, eine Scheibenwischereinheit,
eine Scheiben-Wisch/Wasch-Einheit oder ähnliches integriert sein. Die
entsprechenden Anbauteile können
sowohl in der Heckblende 16 alleine als auch in einem korrespondierenden
Bereich der Hybrid-Tragestruktur 6 bzw. von der Kombination
dieser beiden Bauteile gehalten sein. Das Schloss der Heckklappe
kann beispielsweise entsprechend an der Hybrid-Tragestruktur 6 vorgesehen
sein.
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Die
Verwendung von Kunststoffmaterial bei den Verkleidungselementen 12, 14, 16, 18, 20 und der
Kunststoffkomponente 10 der Hybrid-Tragestruktur 6 erlaubt
es, entsprechende Aufnehmungen und Anschlusselemente mit sehr geringem
Aufwand konstruktiv vorzusehen und im Spritzgussverfahren integral
mit auszubilden. Anders als bei der konventionellen Bauweise, bei
der derartige Anbauteile typischerweise angeschraubt werden, ist
so eine sehr einfache Montage der Anbauteile möglich.
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Die
Innenverkleidungsteile 12, 14 können lösbar an
der Hybrid-Tragestruktur 6 angeschlossen sein, um so durch
ein Entfernen dieses Verkleidungsteils relativ problemlos Zugang
zu den Anbauteilen zu haben. Es ist auch möglich, in der Innenverkleidung Wartungsklappen
für Zugang
zu solchen Anbauteilen vorzusehen. Es ist weiterhin möglich, an
der Innenverkleidung bzw. an der Kombination von Innenverkleidungsteilen 12, 14 und
der Hybrid-Tragestruktur 6 in entsprechender Weise Anbauteile
vorzusehen.
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Auch
bei dem Heckscheibenelement 8 kann es sich um ein vorab
zusammengebautes Bauteil handeln. Insbesondere können an der eigentlichen Heckscheibe 28 seitliche
Blenden 30 beispielsweise durch Kleben angeschlossen sein.
In einer seitlichen Blende 30 kann beispielsweise ein Antennenmodul vorgesehen
sein. Es ist auch möglich,
weitere Anbauteile, wie beispielsweise solche für eine heizbare Heckscheibe
oder eine Spritzwasseranlage zu integrieren.
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Auch
der Spoiler 20 ist ein separates vorab zusammengebautes
Bauteil, in dem beispielsweise ein drittes Bremslicht oder andere
Anbauteile untergebracht sein können.
In dem Spoiler bzw. insbesondere in dem entsprechenden Bereich von
Spoilern und Hybrid-Tragestruktur 6 in
Kombination können insbesondere
auch Scharnierbauteile zum Anschluss der Heckklappe 4 an
der Fahrzeugkarosserie untergebracht sein. Insbesondere bietet sich
dort die Möglichkeit,
einen Antrieb für
das Öffnen
und Schließen, elektronische
Bauteile für
einen derartigen Antrieb, einen solchen Antrieb unterstützende Federn,
etc. unterzubringen. Der Bereich des Spoilers 20 bietet sich
insbesondere auch an, um eine in Richtung Himmel gerichtete Satellitenempfangsantenne
beispielsweise für
ein Navigationssystem unterzubringen. Die Verwendung von Kunststoffmaterial
als Spoilermaterial erlaubt einen praktisch ungehinderten Satellitenempfang.
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Die
entsprechenden Aufnahmen und Anschlusselemente für die einzelnen Anbauteile
können
generell in der entsprechenden Kunststoffkomponente 10 bzw.
in dem Verkleidungselement 12, 14, 16, 18, 20 vorgesehen
sein, ohne dass dadurch herstellungstechnisch ein größerer Aufwand
anfällt.
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Je
nach Ausstattung des individuellen Fahrzeugs können die entsprechenden Anbauteile
problemlos implementiert werden.
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Es
kann ein gemeinsamer Kabelbaum gegebenenfalls mit Einzelkabelbäumen für die gesamte Heckklappe 2 vorgesehen
sein.
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Dieser
Kabelbaum kann beispielsweise durch die verschiedenen Verkleidungselemente 12, 14, 16, 18, 20 und/oder
durch die Hybrid-Tragestruktur 6 geführt sein. Integral in der Kunststoffkomponente
ausgebildete Kabelanschlusselemente können vorgesehen sein. Die in
Zusammenhang mit einem speziellen Verkleidungselement 12, 14, 16, 18, 20 geschilderten
Anbauteile können
gegebenenfalls auch in einem anderen Verkleidungselement bzw. an einer
anderen Stelle der Fahrzeugheckklappe 2 angeordnet sein.
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2 zeigt
eine Ansicht von hinten auf das Strukturbauteil 4 bzw.
die Hybrid-Tragestruktur 6 für die Fahrzeugheckklappe 2.
Man erkennt eine mit Durchbrüchen 32 versehene
Metallkomponente 8, auf der eine Kunststoffkomponente 10 in
der geschilderten Weise aufgebracht ist. Insbesondere unterscheidet
sich die Metallkomponente 8 schon allein durch die zusätzlich zu
der Fensteröffnung 34 vorgesehenen
Durchbrüche 32 von
einem korrespondierenden Blechteil bei der zweischaligen konventionellen
Bauweise, bei der eines der beiden Blechteile typischerweise die
außen
liegende Haut bildet und deshalb keine derartigen Durchbrüche 32 aufweist. Die
Formgebung der Metallkomponente 8 einer Fahrzeugheckklappe 2 kann
deshalb völlig
unabhängig von ästhetischen Überlegungen
so ausgebildet sein, dass sie die erforderliche Festigkeit für die Fahrzeugheckklappe 2 liefert.
Das erlaubt zum einen eine höhere
Grundsteifigkeit für
diese Metallkomponente und erlaubt zum anderen das Vorsehen von
Gewichtsreduktionsöffnungen 32.
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Insbesondere
weist die Metallkomponente 8 im Wesentlichen lediglich
eine Fachwerkgestalt, insbesondere eine im Wesentlichen zweidimensionale Fachwerkgestalt
aus einzelnen Horizontalgurten 36, 38, 40,
Vertikalgurten 42, 44 und Diagonalgurten 46, 48 auf.
Die einzelnen Gurte selbst können
profiliert sein, um die Steifigkeit zu erhöhen. Es ist auch möglich, weitere
Durchbrüche
in den Gurten an wenig belasteten Bereichen der Gurte vorzusehen,
um das Gewicht weiter zu verringern. Es ist außerdem möglich, die Gurte selbst in
einer Fachwerkgestalt vorzusehen, um das Gewicht weiter zu reduzieren.
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Auf
der Metallkomponente 8 und insbesondere im Bereich der
einzelnen Gurte ist die Kunststoffkomponente 10 aufgebracht.
Die Kunststoffkomponente 10 weist insbesondere Versteifungsstrukturen
wie beispielsweise Längs-,
Quer- und Diagonal-Rippen 50 auf. Die einzelnen Rippen
können
einen verbreiteten Rippenfuß zum
Anschluss an die Metallkomponente 8 aufweisen und können eine Höhe von bis
zu 50 mm und mehr über
die Oberfläche
der Metallkomponente ragen. Die einzelnen Rippen 50 sind
nach oben hin, d. h. weg von der Oberfläche der Metallkomponente 8 verjüngt.
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Die
Gesamtheit der Rippen 50 bzw. die gesamte Kunststoffkomponente 10 kann
eine Oberfläche
aufspannen bzw. definieren, die der Innenseite des damit zusammenwirkenden
Verkleidungselements 12, 14, 16, 18, 20 entspricht,
so dass die Rippen 50 bzw. die Kunststoffkomponente 10 das
entsprechende Verkleidungselement von innen abstützen bzw. abstützt. Es
ist auch möglich,
in den Verkleidungselementen 12, 14, 16, 18, 20 entsprechende Versteifungsstrukturen,
wie beispielsweise Rippen und Leisten vorzusehen. Um eine besonders
hohe Steifigkeit und insbesondere Torsionssteifigkeit eines entsprechenden
Karosseriebauteils 4 sicherzustellen, kann es günstig sein,
einzelne oder alle Verkleidungselemente mit der zugehörigen Hybrid-Tragestruktur 6 bereichsweise
oder an der Kontaktfläche vollflächig oder
im Wesentlichen vollflächig
zu verkleben.
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Die 3 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie a-a der 2. Man erkennt
insbesondere die Heckscheibe 28 und die seitliche Blende 30,
die an der Heckscheibe 28 beispielsweise durch Verkleben oder
Anspritzen, etc. fest angeschlossen ist. Ferner erkennt man an dem
freien Ende der Blende 30 einen Umgreifungsbereich 52 zum
Anschluss an die Hybrid-Tragestruktur 6.
Von der Hybrid-Tragestruktur 6 ist im Wesentlichen nur
die Metallkomponente 8 gezeigt. Die Hybrid-Tragestruktur 6 ist
an der Heckscheibe 28 mit Klebstoff 54 befestigt.
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Die 4 zeigt
einen Schnitt im Wesentlichen lediglich durch die Heckblende 16 entlang
der Linie b-b der 2. Man erkennt die relativ dünne Wandung 56 der
Heckblende 16, wobei die Außenseite der Wandung 56 die
Sichtfläche
definiert. Die Heckblende ist an ihrem unteren Ende 58 U-förmig ausgebildet.
Diese U-förmige
Ausbildung liefert zum einen einen sehr kompakten ästhetischen
Abschluss der Fahrzeugheckklappe 2 in ihrem unteren Bereich und
ermöglicht
zum anderen den Anschluss eines Dichtungselements 60 im
Prinzip lediglich durch Aufstecken auf das untere Ende 58 der
Heckblende 16. Das Dichtelement 60 ist in dem
U-förmigen
Ende in Vertikalrichtung verschieblich gelagert und erlaubt so ein
Mitgehen bei beispielsweise temperaturbedingten Relativänderungen
in der Karosserie.
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Der
schlauchförmige
Bereich 62 des Dichtungselements bildet den eigentlichen
Abdichtbereich zu dem weiteren Karosserieteil. Der Schenkel 64 des
unteren Endes 58 der Heckblende 16 dient der Festlegung
des Dichtungselements 60 durch eine Anschlusslasche 66.
Die Anschlusslasche 66 kann beispielsweise an dem Schenkel 64 angeklebt sein.
Es ist auch möglich,
einen Eingriff in eine entsprechende Nut in dem Schenkel 66 vorzusehen. Das
Dichtelement 60 kann im Wesentlichen um die gesamte Heckklappenöffnung herum
vorgesehen sein.
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5 ist
ein Schnitt entlang der Linie c-c durch den Übergang von Heckblende 16 zu
Scheibenelement 18. Auch hier erkennt man wieder primär dargestellt
die Metallkomponente 8 der Hybrid-Tragestruktur 6.
Der Anschluss im Übergangsbereich
erfolgt durch eine Verklebung 68 zwischen der Heckscheibe 28 und
der Hybrid-Tragestruktur 6. Das obere freie Ende 70 der
Heckblende 16 ist von einer Dichtung zwischen der Heckscheibe 28 und
der Hybrid-Tragestruktur 6 geklemmt.
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Die 6 zeigt
einen Schnitt d-d durch den Übergangsbereich
von Scheibenelement 18 zu dem Spoiler 20. Der
Spoiler 20 ist bei dieser Ausführungsform durch eine Klebung 72 an
seinem oberen bzw. vorderen Ende 74 an der Hybrid-Tragestruktur 6 angeschlossen.
Das an dem Übergang
zur Heckscheibe 28 befindliche Ende 76 des Spoilers 20 ist
von einem Dichtungselement 78 zwischen der Hybrid-Tragestruktur 6 und
der Heckscheibe 28 geklemmt. Die Heckscheibe 28 ist
durch eine Klebung an der Hybrid-Tragestruktur 6 angeschlossen.
Es ist auch möglich,
eine Konstruktion vorzusehen, bei der die Hybrid-Tragestruktur 6 mit
den entsprechenden Verkleidungselementen zuerst verbunden wird und
erst anschließend
die Heckscheibe um ihren gesamten Umfang auf diese vormontierte
Einheit aufgeklebt wird.
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Eine
alternative Ausführungsform
zu 6 ist in der 7 gezeigt.
Dort ist anstelle einer Verklebung an dem vorderen Ende 74 eine
Verschraubung 82 zwischen der Hybrid-Tragestruktur 6 und
dem Spoiler 20 vorgesehen. Das andere Ende 76 des Spoilers 20 ist
lediglich in Anlage mit der Heckscheibe 28, wobei eine
(nicht gezeigte) Abdichtung bzw. Verklebung in dem Übergangsbereich
vorgesehen sein kann. Eine Verklebung 84 befestigt die
Heckscheibe 28 an der Hybrid-Tragestruktur 6.
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Obwohl
das Karosseriebauteil 4 vorangehend anhand einer Fahrzeugheckklappe
gebildet wurde, lassen sich andere Karosseriebauteile wie beispielsweise
eine Fahrzeugtüre,
ein Kotflügel,
eine Seitenverkleidung, ein Frontmodul oder eine Fronthaube, aber
auch ein Dachelement in entsprechender Weise herstellen. Es können neben
den genannten Anbauteilen auch weitere Anbauteile mit in die Hybrid-Tragestruktur
bzw. in die entsprechenden Verkleidungselemente in der geschilderten
Weise integriert werden. So ist es insbesondere auch möglich, komplette
oder teilweise Front- und/oder Heckscheinwerfer in ein solches Karosseriebauteil
zu integrieren.
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Es
ist insbesondere auch möglich,
eine Sichtfläche
mindestens bereichsweise aus transparenten Kunststoff auszubilden,
indem beispielsweise in einem bestimmten Bereich transparenter Kunststoff
verwendet wird oder alternativ entsprechende Kunststoffteile beim
Spritzgießen
in die Form eingelegt und integral mit angespritzt werden.
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Ganz
besonders eignen sich die vorliegenden Karosseriebauteile als Dachelemente
für feste Cabrioverdecke.
Bei einer solchen Verwendung derartiger Karosseriebauteile als Segmente
von Cabriodächern
lässt sich
die Festigkeit von Cabriodächern ohne
Gewichtsnachteil beträchtlich
erhöhen.
Antriebskomponenten können
andererseits problemlos in die einzelnen Dachsegmente integriert
werden.
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Insbesondere
bei dem Karosseriebauteilen kann die Metallkomponente wie schon
erwähnt
aus Blechmaterial hergestellt sein, insbesondere aus Stahlblech.
Andere Stahl- bzw. Eisenmaterialien aber auch Leichtmetalle wie
beispielsweise Aluminium und Magnesium oder Edelstahl, insbesondere
im Bereich von Dichtoberflächen
können
ebenfalls Verwendung finden.
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Insbesondere
eignen sich die vorliegenden Karosseriebauteile auch als tragende
Teile der Rohbaustruktur. Hier kann man sich beispielsweise deren Verwendung
als A-, B- und C-Säulen der
Karosserie vorstellen. Die entsprechenden Bauteile können beispielsweise
separat hergestellt werden und dann durch Schweißen dem Rest der Karosserie
angeschlossen werden. Es ist auch möglich, die Gesamt-Roh-Karosserie
in der erfindungsgemäßen Hybridtechnik
auszubilden und bereichsweise oder mehr oder minder vollständig daran
eine oder mehrere Kunststoffkomponenten 10 anzubinden.