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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zweikomponentigen Bauteils umfassend ein Metallelement und ein Kunststoffelement.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Verfahren zur Herstellung von Bauteilen bekannt, die aus Metall und Kunststoff bestehen. Soll ein Bauteil aus einem Metall- und einem Kunststoffelement bzw. ein Verbund-Bauteil aus diesen Materialien hergestellt werden, werden das Metall- und das Kunststoffelement zumeist getrennt voneinander in verschiedenen Anlagen und in voneinander unabhängigen Herstellungsverfahren hergestellt und erst nach ihrer Herstellung in einem separaten Verbindungsprozess, beispielsweise durch Kleben oder Schrauben, miteinander verbunden. Dies hat zum einen den Nachteil, dass hierfür zusätzliche Anlagen und zusätzliche Prozesszeiten vorgesehen werden müssen, und zum anderen, dass sich durch zusätzliche Verbindungsmittel das Gewicht des herzustellenden Bauteils erhöht.
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Bei zweikomponentigen Bauteilen, deren Elemente über herkömmliche Verbindungsmittel gefügt werden, müssen zudem teilweise Verstärkungsstreben oder Materialanhäufungen vorgesehen werden, um ausreichend große und ausreichend widerstandsfähige Anbindungsflächen zu schaffen oder zusätzliche funktionale Elemente, wie beispielsweise Gewinde, einbringen zu können. Die Materialanhäufungen erhöhen nachteilhafterweise sowohl das Gewicht des Bauteils als auch die Herstellungskosten.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und ein Verfahren zur Herstellung eines zweikomponentigen Bauteils, umfassend ein Metallelement und ein Kunststoffelement, bereitzustellen, durch das kosten- und gewichtssteigernde Verbindungsmittel und Verbindungsprozesse vermieden werden können und Raumbedarf sowie Prozesszeiten des Verfahrens zu seiner Herstellung reduziert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird hierzu ein Verfahren zur Herstellung eines zweikomponentigen Bauteils bzw. Verbundbauteils in einer einzigen Herstellungsvorrichtung vorgeschlagen. Das Kunststoffbauteil umfasst ein Metallelement und ein Kunststoffelement. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:
- a) Ausbilden des Metallelements durch Einspritzen einer Metallschmelze in eine Kavität eines Metallspritzgusswerkzeugs, wobei das Metallelement insbesondere aus Leichtmetall und weiter insbesondere aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung gebildet ist;
- b) Kühlen des Metallelements bis zumindest die Außenfläche des Metallelements formstabil oder fest ist, sodass das Metallelement sicher gehandhabt werden kann, ohne seine Form zu verlieren;
- c) Entformen des Metallelements aus dem Metallspritzgusswerkzeug;
- d) Ausbilden des Kunststoffelements durch Einspritzen einer Kunststoffschmelze in eine Kavität eines Kunststoffspritzgusswerkzeugs;
- e) Kühlen des Kunststoffelements bis zumindest die Außenfläche des Kunststoffelements formstabil ist;
- f) Entformen des Kunststoffelements aus dem Kunststoffspritzgusswerkzeug;
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Bei dem Verfahren werden das Kunststoffelement und das Metallelement integral miteinander verbunden, sodass das Kunststoffelement und das Metallelement eine einstückige, integrale Einheit bilden. Das Verbinden des Kunststoffelements mit dem Metallelement findet vorzugsweise beim Ausbilden des Kunststoffelements oder des Metallelements statt. Das Entformen des Metallelements oder das Entformen des Kunststoffelements wird nach dem Ausbilden des jeweiligen Elements vor dem Entformen des jeweils anderen Elements durchgeführt. Alternativ werden das Entformen des Metallelements und das Entformen des Kunststoffelements gemeinsam bzw. gleichzeitig durchgeführt, wenn das Metallelement und das Kunststoffelement die integrale Einheit bilden.
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Das Verfahren wird in einer einzelnen Herstellungsvorrichtung durchgeführt, die zum Ausbilden des Metall- und des Kunststoffelements die jeweiligen Werkzeuge (Metallspritzgusswerkzeug und Kunststoffspritzgusswerkzeug) umfasst. Durch die Herstellung des Verbund-Bauteils (zweikomponentiges Bauteil) in einer einzelnen Herstellungsvorrichtung müssen die Elemente (Metallelement und Kunststoffelement) nicht zwischen verschiedenen Herstellungsvorrichtungen transportiert und gehandhabt werden, wodurch das Herstellungsverfahren schneller und effizienter durchführbar ist. Von der einzelnen Herstellungsvorrichtung wird zur Produktion des Bauteils zudem ein geringerer Platzbedarf beansprucht als durch zwei separate, voneinander unabhängigen Herstellungsvorrichtungen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Metall- oder das Kunststoffelement, abhängig davon, welches Element verfahrensbedingt zuerst hergestellt wird, aus dem zugehörigen Werkzeug (das Metallelement aus dem Metallspritzgusswerkzeug oder das Kunststoffelement aus dem Kunststoffspritzgusswerkzeug) entformt. Anschließend wird das Metallelement oder das Kunststoffelement durch einen Umsetzer zu dem jeweils anderen Werkzeug, also das Kunststoffelement zu dem Metallspritzgusswerkzeug oder das Metallelement zu dem Kunststoffspritzgusswerkzeug, umgesetzt. Beim Umsetzen kann das zuerst hergestellte Element an dem Werkzeug des jeweils anderen Elements oder zumindest zum Teil in dem Werkzeug des jeweils anderen Elements angeordnet werden, welches hierfür eine Zusatzkavität aufweist.
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Das Metallelement oder das Kunststoffelement wird bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens beim Umsetzen von dem jeweils zugehörigen Werkzeug zu dem jeweils anderen Werkzeug in eine Zwischenposition gebracht. In der Zwischenposition wird das jeweilige Element durch ein Bearbeitungsverfahren bearbeitet. Durch das Bearbeitungsverfahren kann das jeweilige Element nach dem Ausbilden nachbehandelt und für das Verbinden mit dem jeweils anderen Element vorbehandelt werden.
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Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens sieht vor, dass das Metallelement oder das Kunststoffelement in der Zwischenposition an einem Übergangsabschnitt, in dem das jeweilige Element in dem zweikomponentigen Bauteil in das jeweils andere Element übergeht, durch einen Laser-Bearbeitungsverfahren oder ein spanendes mechanisches Bearbeitungsverfahren strukturiert wird. Durch das Strukturieren kann zum einen die Fläche vergrößert werden, über die das Kunststoffelement an dem Metallelement anliegt, und zum anderen können Hinterschneidungen in das jeweils bearbeitete Element eingebracht werden, sodass sich beim Ausbilden des jeweils anderen Elements ein Formschluss mit dem bearbeiteten Element ausbildet. Alternativ zu einer solchen Bearbeitung oder zusätzlich wird das Element in der Zwischenposition durch das Bearbeitungsverfahren durch einen Haftvermittler präpariert.
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Zur Nachbehandlung des Metallelements oder des Kunststoffelements nach dessen Ausbildung und vor dem Fügen bzw. Verbinden mit dem jeweils anderen Element sieht eine vorteilhafte Verfahrensvariante vor, dass das Metallelement oder das Kunststoffelement in der Zwischenposition gereinigt wird. Beispielsweise werden Formtrennmittel durch eine Luft- oder Flüssigkeitsspülung von dem jeweiligen Element getrennt, um bei der nachfolgenden Ausbildung des jeweils anderen Elements einen besseren Zusammenhalt zwischen den Elementen zu erzeugen.
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Ferner ist eine Variante des Verfahren zur Herstellung des zweikomponentigen Bauteils vorteilhaft, bei welcher der Umsetzer eine mehrseitige Umsetzvorrichtung ist. Die Umsetzvorrichtung weist auf jeder seiner Seiten eine Haltevorrichtung für das Metallelement oder das Kunststoffelement auf, um dieses nach oder während der Ausbildung des jweiligen Elements zu greifen bzw. zu halten. Die Umsetzvorrichtung ist ferner ausgebildet, zugleich mehrere Metallelemente oder Kunststoffelemente zwischen den Werkzeugen und den verschiedenen Positionen, beispielsweise der Zwischenposition und einer Entnahmeposition, umzusetzen bzw. die Metallelemente oder Kunststoffelemente zumindest zwischen dem Metallspritzgusswerkzeug, dem Kunststoffspritzgusswerkzeug und einer Entnahmeposition umzusetzen.
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Alternativ kann der Umsetzer auch als Roboter oder als ein anderer Beförderungsmechanismus ausgebildet sein, welcher die Elemente greift oder hält und diese zwischen den verschiedenen Werkzeugen und Verfahrensschritten befördern kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung, ist das Metallspritzgusswerkzeug und das Kunststoffspritzgusswerkzeug integral als ein Kombinationswerkzeug ausgebildet. Die Kavität des Metallspritzgusswerkzeugs und die Kavität des Kunststoffspritzgusswerkezugs bilden eine gemeinsame Kavität des Kombiwerkzeugs. Das Kunststoffspritzgusswerkzeug ist in einem ersten Werkzeugteil des Kombiwerkzeugs und das Metallspritzgusswerkzeug in einem zweiten Werkzeugteil des Kombiwerkzeugs ausgebildet. Zusätzlich umfasst das Kombiwerkzeug einen dritten Werkzeugteil, der optional eine dritte Kavität ausbildet. Das dritte Werkzeugteil ist an dem ersten oder zweiten Werkzeugteil anordenbar, sodass die jeweilige Kavität in dem ersten oder zweiten Werkzeugteil von dem dritten Werkzeugteil begrenzt wird und/oder an die dritte Kavität angrenzt. Beim Ausbilden des Kunststoffelements oder des Metallelements vor dem jeweils anderen Element, wird die jeweils verwendete Kavität, in welche die Kunststoffschmelze oder die Metallschmelze eingespritzt wird, durch das dritte Werkzeugteil abgeschlossen oder durch die dritte Kavität des dritten Werkzeugsteils erweitert bzw. ergänzt, sodass das jeweilige Element in einem durch den jeweilige Werkzeugteil und den dritten Werkzeugteil bestimmte bzw. begrenzte Kavität ausgebildet werden kann. Nachdem das jeweilige Element mithilfe des dritten Werkzeugteils ausgebildet wurde, wird das Element aus dem dritten Werkzeugteil entformt und das jeweils noch nicht verwendete Werkzeugteil an das jeweils zur Ausbildung des Elements verwendete erste oder zweite Werkzeugteil zur Anlage gebracht, sodass sich durch das erste und zweite Werkzeugteil die gemeinsame Kavität bildet, die zum Teil mit dem bereits ausgebildeten Kunststoffelement oder Metallelement gefüllt ist. Anschließend wird das jeweils andere Element durch einspritzen der jeweiligen Schmelze in den noch nicht belegten Abschnitt der gemeinsamen Kavität gebildet. Dadurch wird die integrale Einheit aus Metall- und Kunststoffelement gebildet und kann anschließend entformt werden, indem das Entformen des Metallelements und des Kunststoffelements aus dem ersten und zweiten Werkzeugteil bzw. dem Kunststoffspritzgusswerkzeug und dem Metallspritzgusswerkzeug miteinander bzw. gemeinsam durchgeführt wird.
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Als eine alternative Ausbildung kann das Werkzeug des zuerst ausgebildeten Elements auch in oder an dem Werkzeug des jeweils anderen Elements angeordnet werden bzw. angeordnet sein, sodass das Metallelement und das Kunststoffelement gleichzeitig entformt werden können, ohne dass die Werkzeuge ein Kombiwerkzeug bilden müssen.
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Um eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Metall- und dem Kunststoffelement herzustellen sieht eine weitere vorteilhafte Verfahrensvariation vor, dass ein Teil des Kunststoffelements beim Ausbilden des Metallelements durch die heiße Metallschmelze aufgeschmolzen wird, sodass die Metallschmelze in das Kunststoffelement eindringt und beim Kühlen bzw. Erstarren mit dem Kunststoffelement einen Formschluss ausbildet.
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Das Metallspritzgusswerkzeug oder das Kunststoffspritzgusswerkzeug ist bei einer weiteren vorteilhaften Verfahrensausführung ausgebildet, dichtend an dem jeweils nicht zugehörigen Element (also das Element, das jeweils nicht in dem Werkzeug ausgebildet wird) anzuliegen, sodass das Bauteil durch das Ausbilden des jeweils zugehörigen Elements an dem jeweils nicht zugehörigen Element durch Einspritzen der jeweils zugehörigen Schmelze in die jeweilige Kavität bildbar ist. Das Werkzeug liegt dabei dichtend an der Außenfläche (außenliegende Oberfläche) des jeweiligen nicht zugehörigen Elements an. Beispielsweise liegt das Metallspritzgusswerkzeug dicht an der Außenfläche des Kunststoffelements an, sodass in die Kavität des Metallspritzgusswerkzeugs die Metallschmelze eingespritzt und dadurch das Kunststoffelement an seinem in der Kavität des Metallspritzgusswerkzeugs liegenden Abschnitt umspritzt werden kann.
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Zur Unterstützung der Ausbildung des Metallelements und/oder des Kunststoffelements sieht eine vorteilhafte Verfahrensvariante vor, dass das Metallspritzgusswerkzeug und/oder das Kunststoffwerkzeug zur Temperierung der jeweiligen Kavität integral Temperierungsmittel aufweist. Durch diese ist das Ausbilden des jeweiligen Elements oder beider Elemente variotherm, also bei unterschiedlichen Temperaturen durchführbar. Das Fließverhalten und die Zähigkeit der Metallschmelze und/oder der Kunststoffschmelze kann durch eine Temperaturveränderung und eine Temperatursteuerung gezielt beeinflusst und gelenkt werden. Die jeweilige Kavität des Metallspritzgusswerkzeugs und/oder des Kunststoffspritzgusswerkzeug kann durch das Temperierungsmittel sowohl gekühlt als auch geheizt werden. Beispielweise könnte das Metallspritzgusswerkzeug durch die Temperierungsmittel, wie beispielsweise flüssigkeitsleitende Kanäle, das Kunststoffelement kühlen, sodass die Metallschmelze nur bis in eine vorbestimmte Tiefe in das Kunststoffelement eindringt (einschmilzt), bevor es aufgrund der Kühlung erstarrt.
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Das Verfahren sieht zudem vor, dass zumindest das Ausbilden des Metallelements und das Ausbilden des Kunststoffelements von einer gemeinsamen Steuervorrichtung gesteuert werden. Desweiteren können auch andere Verfahrensschritte von der Steuerung gesteuert werden, sodass für das gesamte Verfahren lediglich eine Steuervorrichtung vorgesehen werden muss, wodurch das Verfahren und die Herstellungsvorrichtung kostengünstig herstellbar und instandhaltbar ist.
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Das Metallspritzgusswerkzeug und das Kunststoffspritzgusswerkzeug verfügen jeweils über ein voneinander getrenntes Anguss- bzw. Einspritzsystem. Das Metallspritzgusswerkzeug und das Kunststoffspritzgusswerkzeug sind voneinander getrennt ausführbar oder können gemeinsam, beispielsweise durch ein Schott getrennt, in einem Kombiwerkzeug ausgebildet sein, indem ihre jeweiligen Kavitäten eine gemeinsame, durch das Schott getrennte, Kavität ausbilden. Durch Entfernung des Schotts können dann die Kavitäten verbunden werden, sodass sich die Metallschmelze in das Kunststoffelement einschmilzt und sich mit diesem formschlüssig verbindet.
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Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 einen Umsetzer, ein Metallspritzguss- und ein Kunststoffspritzgusswerkzeug sowie mehrere Metall- und Kunststoffelemente;
- 2 ein Kombiwerkzeug zur Ausbildung einer integralen Einheit.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
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Die 1 zeigt eine Verfahrensvariante, bei der das Kunststoffelement 10 in dem Kunststoffspritzgusswerkzeug 11 an einen Umsetzer 40 bzw. an einen Arm einer mehrseitigen Umsetzvorrichtung angespritzt wird, die vier Seiten aufweist und auf jeder Seite einen Arm ausbildet um das Kunststoffelement zu halten. Das Kunststoffelement 10 wird bei der gezeigten Variante ausgebildet, indem die Kunststoffschmelze durch einen im Kunststoffspritzgusswerkzeug 11 ausgebildeten Kunststoffeinspritzkanal 12 in die Kavität des Kunststoffspritzgusswerkzeugs 11 gespritzt wird, in welchem die Kunststoffschmelze zumindest formfest zu dem Kunststoffelement 10 erstarrt. Anschließend wird das Kunststoffspritzgusswerkzeug 11 geöffnet und dadurch das Kunststoffelement 10 entformt. Nach dem Entformen wird das Kunststoffelement 10 durch den Umsetzer 40 in eine Zwischenposition 41 gebracht, in der das Kunststoffelement 10 weiter Abkühlen bzw. erstarren kann. Zudem wird das Kunststoffelement 10 durch einen Laser 43 bzw. mittels des durch den Laser 43 erzeugten Laserstrahl 44 bearbeitet. Durch den Laser 43 werden in das Kunststoffelement 10 in der Zwischenposition 41 Vertiefungen eingebracht, sodass bei der Ausbildung des Metallelements 20 die Metallschmelze in die Vertiefungen und damit in einer vorbestimmten Zeit in eine vorbestimmte Tiefe des Kunststoffelements 10 eindringen kann, um eine formschlüssige Verbindung auszubilden. Anschließend wird das weiter abgekühlte und bearbeitete Kunststoffelement 10 von dem Umsetzer 40 zu dem Metallspritzgusswerkzeug 21 bewegt, welches sich um das Kunststoffelement 10 schließt und zu der Außenfläche des Kunststoffelements 10 dicht abschließt, sodass die Metallschmelze beim Einspritzen in die Kavität des Metallspritzgusswerkzeugs 21 nur in dem vorbestimmten Übergangsbereich zwischen dem Kunststoffelement 10 und dem Metallelement 20 mit dem Kunststoffelement 10 in Verbindung treten und in dieses einschmelzen kann. An dem zumindest formfest erstarrten Kunststoffelement 10 wird das Metallelement 20 angespritzt, indem in die Kavität des Metallspritzgusswerkzeugs 21 die Metallschmelze durch einen im Metallspritzgusswerkzeug 21 ausgebildeten zweiten Einspritzkanal bzw. Metalleinspritzkanal 22 eingespritzt wird. Die eingespritzte heiße Metallschmelze schmilzt in der Kavität des Metallspritzgusswerkzeugs 21 am Übergang zu dem Kunststoffelement 10 und insbesondere in den Vertiefungen in dem Kunststoffelement 10 das Kunststoffelement 10 auf und bildet darin Hinterschneidungen aus. Das Abkühlen der Metallschmelze wird insbesondere in dem Bereich in dem in dem Kunststoffelement 10 die Hinterschneidungen durch die Metallschmelze gebildet werden durch Kühlkanäle 45 unterstützt, durch welche eine Kühlflüssigkeit fließt. Nachdem das Metallelement 20 vollständig ausgebildet und zumindest formfest erstarrt ist, wird das Metallelement 20 durch Öffnen des Metallspritzgusswerkzeugs 21 entformt. Das Kunststoffelement 10 und das Metallelement 20, die durch die Hinterschneidungen und durch das Eingreifen von durch die Metallschmelze gebildeten Vorsprüngen in die Hinterschneidungen einen formschlüssigen Zusammenhalt aus, sodass die Elemente integral miteinander verbunden sind. Die zu dem Bauteil integral miteinander verbundenen Elemente werden anschließend von dem Umsetzer 40 in eine Entnahmeposition 42 bewegt, in der das Bauteil aus dem Herstellungsverfahren entnommen werden kann.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Verfahrens, bei der das Metallspritzgusswerkzeug 21 und das Kunststoffspritzgusswerkzeug 11 ein Kombiwerkzeug bilden. Die Kavitäten der jeweiligen Werkzeuge bilden gemeinsam eine Kavität des Kombiwerkzeugs. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein nicht gezeigter dritter Werkzeugteil an einen ersten Werkzeugteil bzw. das Kunststoffspritzgusswerkzeug 11 zur Anlage gebracht, sodass der dritte Werkzeugteil die Kavität des Kunststoffspritzgusserkzeugs 11 begrenzt. Durch Einspritzen einer Kunststoffschmelze durch einen Kunststoffspritzkanal 12 wird die Kavität des Kunststoffspritzgusswerkzeugs 11 gefüllt, sodass die Kavität des Kunststoffspritzgusswerkzeugs 11, bzw. der Teil der gesamt Kavität der von dem Kunststoffspritzgusswerkzeug 11 gebildet wird, mit der Kunststoffschmelze gefüllt ist. Durch das Einspritzen und anschließendes Kühlen der Kunststoffschmelze wird das Kunststoffelement 10 gebildet. Anschließend wird der dritte Werkzeugteil entfernt, wobei das Kunststoffelement in der Kavität des Kunststoffspritzgusswerkzeugs 11 verbleibt, und ein zweites Werkzeugteil bzw. das Metallspritzgusswerkzeug 21 an das erste Werkzeugteil bzw. das Kunststoffspritzgusswerkzeug 11 zur Anlage gebracht, sodass sich die Kavitäten des ersten und zweiten Werkzeugteil zu der gemeinsamen Kavität des Kombiwerkzeugs ergänzen, wobei der Abschnitt der gemeinsamen Kavität, der durch das Kunststoffspritzgusswerkzeug 11 gebildet wird, mit dem Kunststoffelement gefüllt ist. Ist das zweite an dem ersten Werkzeugteil angeordnet und nach dem zumindest teilweisen Abkühlen der Kunststoffschmelze, wird durch den Metalleinspritzkanal 22 eine beim Einspritzen heiße Metallschmelze eingespritzt. Die Metallschmelze schmilzt das Kunststoffelement 10 zumindest zum Teil wieder auf und dringt in das Kunststoffelement 10 ein. Nachdem die Kavität des Metallspritzgusswerkzeugs 21, bzw. der Teil der gesamt Kavität, der von dem Metallspritzgusswerkzeug 21 gebildet wird, gefüllt ist, bildet sich durch Abkühlen der Metallschmelze das Metallelement 20. Dadurch, dass die Metallschmelze zumindest zum Teil in das Kunststoffelement 10 eingedrungen ist, bildet sich beim Abkühlen der Metallschmelze eine integrale Einheit aus Kunststoffelement 10 und Metallelement 20, wobei die beiden Elemente zumindest durch einen Formschluss zwischen den Elementen verbunden ist.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise könnte das jeweils zuerst hergestellte Element durch den Umsetzer mitsamt seinem jeweiligen Werkzeug umgesetzt werden.
