DE102019213399A1 - Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile und Bauteileverbund - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile (11, 12), wobei das erste Bauteil (11) in einer Fügezone (16) zumindest bereichsweise mit einer durch eine Strahlungsquelle erzeugten Oberflächenstruktur (25) versehen ist, wobei das erste Bauteil (11) vorzugsweise aus Metall und das zweite Bauteil (12) aus Kunststoff besteht, und wobei das zweite Bauteil (12) als vorgefertigtes, festes Bauteil (12) ausgebildet ist und durch Anlagekontakt im Bereich der Oberflächenstruktur (25) des ersten Bauteils (11) und bereichsweises Aufschmelzen des Kunststoffs im Fügebereich (16) und anschließendes Erstarren des Kunststoffs mit dem ersten Bauteil (11) verbunden wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweiter Bauteile, insbesondere zweier aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Bauteile, wobei an einem der Bauteile eine Oberflächenstruktur vorgesehen ist, die von dem verflüssigten Material des anderen Bauteils beim Fügeprozess ausgefüllt wird, um die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen herzustellen. Ferner betrifft die Erfindung einen Bauteileverbund, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
  • Stand der Technik
  • Ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2012 221 605 A1 der Anmelderin bekannt. Das bekannte Verfahren findet insbesondere Verwendung beim Verbinden zweier Bauteile, bei dem das erste Bauteil aus Metall oder Keramik besteht, während das zweite Bauteil aus Kunststoff besteht. Das aus dem Stand der Technik vorbekannte Verfahren sieht vor, dass in einem Verbindungs- bzw. Fügebereich zwischen den beiden Bauteilen an dem ersten Bauteil eine Oberflächenstruktur vorab ausgebildet wird, die beim Fügen der beiden Bauteile durch Aufschmelzen des Kunststoffs des zweiten Bauteils von dem Material des zweiten Bauteils ausgefüllt wird, um dadurch eine innige Verbindung bzw. Verzahnung zwischen den beiden Bauteilen herzustellen. Wie bereits erläutert, zeichnet sich das vorbekannte Verfahren dadurch aus, dass die Oberflächenstruktur an dem ersten Bauteil vorab erzeugt wird, d.h. in einem nicht gefügten Zustand der beiden Bauteile bzw. vor der Einwirkung eines energiereichen Strahls (Laserstahl) auf die gefügten Bauteile. Somit stellt die Erzeugung der Oberflächenstruktur an dem ersten Bauteil einen zusätzlichen, vor dem Fügen der Bauteile auszuführenden, separaten Arbeitsschritt dar.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es fertigungstechnisch insofern besonders vorteilhaft ist, da die Erzeugung der Oberflächenstruktur an dem ersten Bauteil und das Verbinden der beiden Bauteile während ein und demselben Arbeitsschritt in zeitlich aufeinanderfolgenden bzw. quasi simultanen Zeitabschnitten erfolgt. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass es erfindungsgemäß nicht erforderlich ist, vor dem Fügen der beiden Bauteile in einem separaten Arbeitsgang an dem ersten Bauteil die Oberflächenstruktur, typischerweise an einem anderen Ort, auszubilden. Vielmehr wird diese während des Fügeprozesses bzw. während der Anordnung der beiden Bauteile zum Verbinden der Bauteile in einem zeitlich ersten Schritt an dem ersten Bauteil erzeugt, wonach anschließend nahezu zeitgleich ein Aufschmelzen des Materials des zweiten Bauteils und Ausfüllen bzw. Vermischen des Materials des zweiten Bauteils mit dem Material des ersten Bauteils bzw. das Eindringen des Kunststoffs in die Oberflächenstruktur erfolgt. Vorzugsweise erfolgt das bereichsweise Aufschmelzen des zweiten Bauteils und die Ausbildung der Oberflächenstruktur des ersten Bauteils zeitgleich mittels eines das zweite Bauteil durchstrahlendes Strahls der Strahlungsquelle. Insbesondere sind das erste und das zweite Bauteil derart angeordnet, dass der Laserstrahl zuerst das Kunststoffbauteil durchstrahlt, bevor der Laserstrahl auf den metallischen Partner in Form des ersten Bauteils trifft. Dabei durchstrahlt der Laserstrahl der Laserstrahlung zunächst den lasertransparenten Kunststoff des zweiten Bauteils und trifft anschließend auf die Oberfläche des metallischen Partners des ersten Bauteils. Im Bereich der Auftrittstelle findet aufgrund der eingebrachten Energie ein Umschmelz- und/oder Abtragsprozess im Metall derart statt, dass eine raue und zerklüftete Oberflächenstruktur an der Oberfläche des ersten Bauteils entsteht. In einer Variante wird durch die Laserstrahlung eine geordnete, geometrisch definierte Struktur ausgebildet. Insbesondere wird der Strahl der Strahlungsquelle mit einer vorbestimmten Trajektorie über den Fügebereich geführt.
  • Somit schlägt es das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile gemäß der Lehre des Anspruchs 1 vor, dass die Ausbildung der Oberflächenstruktur an dem ersten Bauteil in einem Zustand erfolgt, bei dem das zweite Bauteil sich in Anlagekontakt mit dem ersten Bauteil befindet.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden zweier Bauteile sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Um zu gewährleisten, dass einerseits das aufgeschmolzene Material des zweiten Bauteils in die Oberflächenstruktur des ersten Bauteils eindringt, und andererseits die Soll-Position der beiden Bauteile während des Fügeprozesses eingehalten wird, ist es vorgesehen, dass zumindest während der Ausbildung der Oberflächenstruktur an dem ersten Bauteil und dem Aufschmelzen des Materials des zweiten Bauteils das zweite Bauteil mit einer Anlagekraft im Bereich der auszubildenden Oberflächenstruktur gegen das erste Bauteil kraftbeaufschlagt wird.
  • Um zu gewährleisten, dass bei in Anlagekontakt miteinander angeordneten Bauteilen die Oberflächenstruktur an dem ersten Bauteil ausgebildet werden kann, obwohl zwischen einer Strahlungsquelle (typischerweise einem Laserstrahl) und dem ersten Bauteil sich das das zweite Bauteil befindet, ist es vorgesehen, dass als Kunststoff für das zweite Bauteil ein für die Strahlungsquelle transparenter Kunststoff verwendet wird.
  • In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass als Strahlungsquelle eine Laserstrahlquelle verwendet wird, und dass der Kunststoff zumindest im Wesentlichen ein faserloser oder faserverstärkter Thermoplast ist.
  • Hinsichtlich der genauen Geometrie der Oberflächenstruktur an dem ersten Bauteil gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. In einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass eine chaotische , d.h. eine unregelmäßig geformte Oberflächenstruktur erzeugt wird. Alternativ hierzu kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass eine regelmäßig geometrische Strukturen aufweisende Oberflächenstruktur erzeugt wird. Bei der Oberflächenstruktur handelt es sich zum Beispiel um eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur. Es sind jedoch auch andere Strukturen denkbar, die zum Beispiel eine Makrostruktur umfassen.
  • Um die Einwirkung der Strahlungsquelle, insbesondere des Laserstrahls, in der Fügezone zwischen den beiden Bauteilen sicherzustellen, sieht es ein weiteres bevorzugtes Verfahren vor, dass das Aufbringen der Anlagekraft in einem Bereich außerhalb der direkten Einwirkung der Strahlungsquelle auf das erste Bauteil erfolgt. Dadurch wird ein ungestörter Strahlengang ermöglicht. Alternativ kann ein für die Strahlungsquell transparentes Werkzeug eingesetzt werden, sodass dieses auch im Strahlengang der Strahlungsquelle angeordnet werden kann.
  • Beispielsweise zur Verbesserung der Haftung zwischen den beiden Bauteilen oder zur Erzeugung bestimmter Oberflächeneigenschaften kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Oberfläche des ersten und/oder zweiten Bauteils vor dem Verbinden mit einer Oberflächenmodifikation versehen werden/wird. Eine derartige Oberflächenmodifikation kann beispielsweise durch eine chemische Behandlung des ersten und/oder zweiten Bauteils erfolgen.
  • Weiterhin umfasst die Erfindung einen Bauteileverbund, der nach einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
  • Figurenliste
    • 1 zwei Bauteile eines Bauteileverbunds vor dem Verbinden der beiden Bauteile mittels eines Laserstrahls,
    • 2 ein Detail der 1 in einer vergrößerter Darstellung,
    • 3 den Bauteileverbund gemäß 1 während der Herstellung einer Oberflächenstruktur und
    • 4 ein Detail der 3 in vergrößerter Darstellung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
  • In den 1 und 3 sind die Bestandteile eines Bauteileverbunds 10 dargestellt, der aus einem ersten Bauteil 11 und einem zweiten Bauteil 12 besteht. Bei dem ersten Bauteil 11 handelt es sich insbesondere um ein Bauteil 11, das aus Metall, insbesondere aus Stahl oder aus Aluminium besteht. Das erste Bauteil 11 kann jedoch auch aus einem keramischen Material bestehen. Beispielhaft ist das erste Bauteil 11 als flaches Bauteil 11 in Form einer Platte ausgebildet. Das zweite Bauteil 12 besteht aus Kunststoff, insbesondere aus einem faserlosen oder faserverstärktem Thermoplast. Beispielhaft ist das zweite, vorgefertigte und feste Bauteil 12 in Form eines Winkels ausgebildet, der mit dem ersten Bauteil 11 im Bereich einer Fügezone 16 verbunden ist. Im Bereich der Fügezone 16 liegen die beiden zugewandten, eben ausgebildeten Flächen 18, 19 der beiden Bauteile 11, 12 im nicht verbundenen Zustand entsprechend der Darstellung der 2 vorzugsweise unmittelbar aneinander an.
  • Ergänzend wird erwähnt, dass die Flächen 18, 19 des ersten und/oder zweiten Bauteils 11, 12 auch mit einer (nicht dargestellten) Oberflächenmodifikation versehen sein können/kann. Eine derartige Oberflächenmodifikation besteht insbesondere in einer chemischen Behandlung der Fläche 18 und/oder der Fläche 19, beispielsweise einem Ätzvorgang o.ä. Diese Oberflächenmodifikation kann entweder dazu dienen, die nachfolgend noch beschriebene Haftung bzw. Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 11, 12 zu verbessern, oder aber sonstige Eigenschaften der Bauteile 11, 12 zu beeinflussen, beispielsweise in einem Bereich außerhalb des Fügebereichs 16.
  • Entsprechend der 1 sind die beiden Bauteile 11, 12 im Bereich eines Maschinentischs 20 angeordnet. Beispielsweise mittels eines ringförmigen Niederhalteelements 22, das den Fügebereich 16 mit Abstand umgibt, wird das zweite Bauteil 12 gegen das erste Bauteil 11 mit einer Anlagekraft F gedrückt. Durch die Anlagekraft F soll insbesondere die (unmittelbare) Anlage der beiden Oberflächen 18, 19 im Fügebereich 16 sichergestellt werden. Das Aufbringen der Anlagekraft F erfolgt vorzugsweise bereits vor Beginn der Einwirkung eines in der 3 erkennbaren, energiereichen Strahls 1, insbesondere eines Laserstrahls 2, im Fügebereich 16. Das Aufbringen der Anlagekraft F kann jedoch auch erst während der Einwirkung des Laserstrahls 2 erfolgen.
  • Die Eigenschaften des Laserstrahls 2 bzw. des energiereichen Strahls 1 sind derart auf das Material des zweiten Bauteils 12 abgestimmt, dass das Material des zweiten Bauteils 12 für den Laserstrahl 2 transparent ist. Als Laserstrahlquellen kommen sowohl Dauerstrich- sowie Kurz- oder Ultrakurzpulslaser in Betracht.
  • Wesentlich bei der Auswahl des Kunststoffs bzw. des Materials des zweiten Bauteils 12 und der Spezifikation bzw. Eigenschaften des Laserstrahls 2 ist, dass der Kunststoff des zweiten Bauteils 12 nicht zu viel Energie des Laserstrahls 2 absorbiert und dadurch es zunächst nicht zu einem Aufschmelzen des Materials des ersten Bauteils 11 im Bereich der Fügezone 16 kommt.
  • Wesentlich bei der Einwirkung des Laserstrahls 2 im Bereich der Fügezone 16 auf das erste Bauteil 11 ist, dass durch den Laserstrahl 2 an der Fläche 18 des ersten Bauteils 11 durch Aufschmelzen des Materials des ersten Bauteils 11 eine Oberflächenstruktur 25 erzeugt wird. Neben dem Aufschmelzen des Materials des ersten Bauteils 11 kann auch ein Verdampfungsprozess (des Materials des ersten Bauteils 11) oder eine Kombination aus Abschmelzen und Verdampfen die Oberflächenstruktur 25 erzeugen. Auch kann gleichzeitig ein Abtrag des Materials des ersten Bauteils 11 (durch das Verdampfen) erfolgen. Die Oberflächenstruktur 25 kann entweder als unregelmäßige Oberflächenstruktur 25 ausgebildet werden, oder aber als eine regelmäßige geometrische Formen aufweisende Oberflächenstruktur 25.
  • Während der Ausbildung der Oberflächenstruktur 25 an dem ersten Bauteil 11 durchstrahlt der Laserstrahl 2 zunächst den für den Laserstrahl 2 transparenten Kunststoff des zweiten Bauteils 12 und trifft anschließend auf die Fläche 18 des ersten Bauteils 11 auf. Dort findet aufgrund der eingebrachten Energie des Laserstrahls 2 ein Umschmelz- und Abtragsprozess im Material des ersten Bauteils 11 statt, der die Oberflächenstruktur 25 erzeugt.
  • Aufgrund der eingebrachten Energie und Erwärmung der Oberfläche 18 des ersten Bauteils 11 und dem Anlagekontakt des ersten Bauteils 11 an das zweite Bauteil 12 schmilzt der Kunststoff des zweiten Bauteils 12 nahe der Fügezone 16 durch Wärmeübergang auf und fließt in die erzeugte Oberflächenstruktur 25 des ersten Bauteils 11 bzw. durchmischt sich mit der Schmelze des ersten Bauteils 11. Das Aufschmelzen des Materials des ersten Bauteils 11 und des Kunststoffs des zweiten Bauteils 12 erfolgt dabei nahezu simultan, und bei einer ausreichenden Wärmeabfuhr aus dem ersten Bauteil 11 über den Maschinentisch 20 erstarren die beiden Schmelzen der Bauteile 11, 12 nahezu unmittelbar, nachdem der Laserstrahl 2 einen lokalen Abschnitt der Fügezone 16 passiert hat. Da der Kunststoff des zweiten Bauteils 12 durch die entstehende Prozesswärme aufgeschmolzen wird, ist entsprechend der Darstellung der 4 in der Fügezone 16 nach dem Erstarren eine Einlagerung von Partikeln bzw. von Materialabtrag des ersten Bauteils 11 in den Kunststoff des zweiten Bauteils 12 bzw. mit einer Vermischung der Metall- und Kunststoffschmelze zu rechnen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012221605 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile (11, 12), wobei das erste Bauteil (11) in einer Fügezone (16) zumindest bereichsweise mit einer durch eine Strahlungsquelle erzeugten Oberflächenstruktur (25) versehen ist, wobei das erste Bauteil (11) vorzugsweise aus Metall und das zweite Bauteil (12) aus Kunststoff besteht, und wobei das zweite Bauteil (12) als vorgefertigtes, festes Bauteil (12) ausgebildet ist und durch Anlagekontakt im Bereich der Oberflächenstruktur (25) des ersten Bauteils (11) und bereichsweises Aufschmelzen des Kunststoffs im Fügebereich (16) und anschließendes Erstarren des Kunststoffs mit dem ersten Bauteil (11) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Oberflächenstruktur (25) an dem ersten Bauteil (11) in einem Zustand erfolgt, bei dem das zweite Bauteil (12) sich in Anlagekontakt mit dem ersten Bauteil (11) befindet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während der Ausbildung der Oberflächenstruktur (25) das zweite Bauteil (12) mit einer Anlagekraft (F) im Bereich der auszubildenden Oberflächenstruktur (25) gegen das erste Bauteil (11) kraftbeaufschlagt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff für das zweite Bauteil (12) ein für die Strahlungsquelle transparenter Kunststoff verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle eine Laserstrahlquelle verwendet wird, und dass der Kunststoff zumindest im Wesentlichen ein faserloser oder faserverstärkter Thermoplast ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine unregelmäßige Oberflächenstruktur (25) erzeugt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine regelmäßige geometrische Strukturen aufweisende Oberflächenstruktur (25) erzeugt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Anlagekraft (F) in einem Bereich außerhalb der direkten Einwirkung der Strahlungsquelle auf das erste Bauteil (11) erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des ersten und/oder zweiten Bauteils (11, 12) vor dem Verbinden mit einer Oberflächenmodifikation versehen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmodifikation durch eine chemische Behandlung des ersten und/oder zweiten Bauteils (11, 12) erfolgt.
  10. Bauteileverbund (10), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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