DE19956607A1 - Kunststoffverbundbauteil - Google Patents

Abstract

Es wird ein Kunststoffverbundbauteil beschrieben, das aus mindestens zwei flächigen Werkstücken aus unterschiedlichem Material besteht, z. B. aus Metall und Kunststoff, unterschiedlichen Metallen oder Kunststoffen. Die Werkstücke sind in ihrem Randbereich miteinander verbunden, wobei die Verbindung aus angeformtem, thermoplastischem Kunststoff besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kunststoffverbundbauteil, das aus mindestens zwei flächigen Werkstücken aus unterschiedlichem Material besteht, z. B. aus Metall und Kunststoff, unterschiedlichen Metallen oder unterschiedlichen Kunststoffen, welche in ihrem Randbereich miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen der Werkstücke aus angeformtem thermoplastischem Kunststoff besteht.

Der formschlüssige Verbund flächiger Komponenten aus unterschiedlichen Werk­ stoffen, wird durch Umformen eines thermoplastischen Werkstoffes erreicht.

Das Verbundbauteil erfüllt in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche techni­ sche Funktionen. Es verbindet z. B. hochfeste, temperaturbeständige und KTL-gän­ gige Komponenten mit maßgeschneiderten Werkstücken in funktionellen Zonen.

In der Praxis verwendete Verbundbauteile oder Halbzeuge bestehen aus z. B. flächen­ haften Verbunden, bei denen z. B. zwei Metallbleche mit Hilfe eines dazwischenlie­ genden Kunststoffs oder Kunststoffschaums zu einer Sandwich-Struktur verbunden werden (vgl. EP 489 320 A1, EP 285 974 A1 und EP 547 664 A2). Darüber hinaus gibt es Verfahren zur Herstellung von Verbundplatten mit außenliegenden Blechen und innenliegender Rippenstruktur (siehe EP 775 573 A2). Weiterhin gibt es ein Ver­ fahren zum Verbinden von Blechen durch eine Kombination von Pressen und Spritz­ gießen in einem Werkzeug (EP 721831 A1). Außerdem sind noch Kunst­ stoff/Metall-Verbundbauteile bekannt, bei denen Metallbleche durch Rippenstruk­ turen gestützt werden (EP 370 342 A3).

Die im Stand der Technik üblichen bzw. in der Literatur beschriebenen Verbund­ bauteile und Verbundhalbzeuge sind darauf ausgelegt, eine über das ganze Bauteil gleichmäßige hohe Festigkeit und Steifigkeit oder eine Schall- und Wärmedämmung zu erreichen.

Bestimmte spezielle Anwendungen erfordern allerdings von z. B. einer Platte, dass an unterschiedlichen Stellen der Platte unterschiedlichen technische Merkmale erfüllt werden müssen. Dies kann bedeuten, dass auf einer Hälfte der Platte eine Dämm­ funktion erforderlich ist und mit der anderen Hälfte des gleichen Bauteils lediglich Verbindungen zu anderen getrennten Bauteilen oder Strukturelementen oder auch das Schließen von Öffnungen erreicht werden soll. Werden in diesem Fall z. B. konven­ tionelle Verbundplatten eingesetzt, ist das Bauteil insgesamt überbestimmt hinsicht­ lich seiner Funktionen und damit zu schwer oder zu aufwendig in der Herstellung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verbundbauteil der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das die in den unterschiedlichen Bereichen des Bauteils die für die jeweils zu erfüllenden Funktionen des Bauteils erforderlichen besonderen akustischen, mechanischen, optischen oder sonstigen Materialeigenschaften mitein­ ander verbindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Bauteil geschaffen wird, das aus wenigstens zwei unterschiedlichen Bereichen, die in unterschiedlichen Werkstoffen ausgeführt sind, besteht, die über Umformen eines thermoplastischen Kunststoffs formschlüssig miteinander verbunden sind.

Gegenstand der Erfindung ist ein Kunststoffverbundbauteil, bestehend aus mindes­ tens zwei flächigen Werkstücken aus unterschiedlichem Material, insbesondere aus unterschiedlichem Metall, unterschiedlichem Kunststoff, oder Metall- und Kunst­ stoffteilen, die in ihrem Randbereich miteinander verbunden sind, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Verbindungsstelle aus angeformtem, insbesondere angespritztem thermoplastischem Kunststoff besteht und insbesondere mindestens ein Werkstück im Bereich der Verbindungsstelle von dem thermoplastischen Kunststoff durchdrun­ gen oder formschlüssig umschlossen ist.

Als geeignete hochfeste Metallwerkstoffe kommen Stahl, Aluminium, Magnesium, infrage. Die Werkstücke können auch aus Keramik, Duromeren oder Kunststoff- Komposit-Werkstoffen bestehen.

Als thermoplastischer Kunststoff, sowohl als Material für die Werkstücke und für die Verbindungsstelle, kommen unverstärkte oder verstärkte, gegebenenfalls gefüllte Kunststoffe wie Polyamid, insbesondere Polyamid-6, Polyamid-6.6, Polyamid-12, Polyamid-11 oder Polyester, insbesondere Polyethylenterephthalat, Polybutylen­ terephthalat, oder Polyolefinen, insbesondere Polypropylen, Styrolcopolymerisaten, insbesondere SAN-Harz oder ABS, oder Polycarbonat, Polypropylenoxid, Polyphe­ nylensulfid, Polyimid, PSO oder PEEK oder aus möglichen Mischungen der ge­ nannten Kunststoffe infrage.

Bei dem Verbundbauteil handelt es sich um ein überwiegend flächiges Hybridbauteil, das auch linien- oder punktförmige Funktionselemente enthalten kann. An poten­ tiellen Verbindungsstellen zu anderen Bauteilen sind bevorzugt definierte Fügebe­ reiche vorgesehen, die sowohl in Form, Lage und Größe als auch hinsichtlich des Werkstoffes variabel gestaltet werden können.

In einer bevorzugten Form des Verbundbauteiles weisen eines oder mehrere Werk­ stücke des Verbundbauteils in dem Bereich der Verbindungsstelle Durchbrüche oder Ausnehmungen auf, die von angespritztem thermoplastischen Kunststoff durchzogen sind und eine formschlüssige Verbindung der Werkstücke bilden.

Eine besonders bevorzugte Ausbildung des Verbundbauteils ist dadurch gekenn­ zeichnet, dass eines der Werkstücke aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoff wie die Verwendungsstelle besteht.

In einer bevorzugten Ausführung besteht eines der Werkstücke aus einem Elasto­ meren, insbesondere einem thermoplastischen Elastomeren. Solche Bauteile werden z. B. durch die grundsätzlich bekannte Zweikomponentenspritzgießtechnik zugäng­ lich.

Bevorzugt ist das Elastomere thermoplastisches Polyolefin.

Falls erforderlich wird in einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung eines der Werkstücke des Bauteils zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung aus einem Metall gefertigt, das mit weiteren nichtmetallischen Werkstücken verbunden ist.

Werkstücke des erfindungsgemäßen Verbundbauteils, die an einer vom Verbund­ bauteil verschiedenen Konstruktion oder andere Bauteile angeschlossen werden sol­ len, können gemäß der dafür geeigneten Füge- oder Verbindungstechnik frei ausge­ wählt werden.

Soll das erfindungsgemäße Kunststoffverbundbauteil z. B. mit einem Stahlrahmen verschweißt werden, so wird das an den Rahmen anstoßende Werkstück ein verschweißbares Stahlblech sein.

Auf diese Weise wird es möglich, das gesamte erfindungsgemäße Kunststoffver­ bundbauteil an verschiedenen Stellen mit vollständig unterschiedlichen Verbin­ dungstechniken an externe Bauteile oder Konstruktionen zu befestigen, z. B. mittels Metallschweißen und Kunststoffreibschweißen.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des Kunststoffverbundbauteils als Konstruktionselement für Maschinen und Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, für Elektronikartikel, Haushaltsartikel oder für den Baubedarf.

Die Werkstücke werden in Form von Blechen, Tafeln, Platten, Profilen (offene oder geschlossene Profile) oder Hohlkammern miteinander verbunden. Werkstoffart, An­ zahl und Form der Werkstücke kann dabei beliebig variiert werden. In einer bevor­ zugten Ausführung werden flächige Werkstücke, z. B. Metallbleche und Kunststoff­ platten, formschlüssig an ihren Kanten miteinander verbunden. Hierzu werden im Bereich von übereinanderliegenden Durchbrüchen an der Verbindungsstelle Niet­ köpfe aus Thermoplasten angeformt, die eine feste Verbindung zum hochfesten Werkstück (z. B. Metallblech) ermöglichen.

Auf diese Weise können auch mehrere hochfeste Werkstücke miteinander verbunden werden. Dabei kann die Funktion des Kunststoffes auf das Zusammenhalten der hochfesten Werkstücke in Form von Nietköpfen beschränkt sein.

Weiterhin besteht die Möglichkeit ein Verbundbauteil zu schaffen, das aus mehreren direkt miteinander verbundenen hochfesten Werkstücken besteht, die ebenfalls mit­ tels Kunststoffnietverbindungen gesichert werden, wobei die Kunststoffkomponente aber auch z. B. in Form einer angeformten Kunststoffplatte, andere Aufgaben über­ nimmt.

Durch das Anbringen von flexiblen Komponenten aus flexiblen Thermoplasten, thermoplastischen Elastomeren oder Elastomeren zwischen hochfesten, unflexiblen oder starren Bereichen des Verbundbauteils wird das dynamische Verhalten des Ge­ samtbauteils verbessert oder die Montage des Bauteils erleichtert. Darüber hinaus kann durch die Ausbildung der flexiblen Werkstücke als Filmscharnier das Bauteil partiell beweglich gestaltet werden.

An vereinzelten Stellen eines Bauteils kann eine Abschirmung von elektromagneti­ scher Strahlung dadurch erreicht werden, dass als Werkstück Metallbleche eingesetzt werden, die mit nichtleitenden Werkstoffen z. B. thermoplastischen Kunststoffen oder anderen nichtmetallischen Werkstücken verbunden sind.

Eventuelle Verbindungsstellen des erfindungsgemäßen Bauteils zu anderen Bauteilen oder Konstruktionen können, durch die formschlüssige Verbindung der einzelnen Werkstücke, in allen grundsätzlich bekannten Werkstoffen ausgeführt werden. Das Fügeverfahren ist damit frei wählbar.

Bei der Auswahl eines hochtemperaturbeständigen Kunststoffes (Polyamid, Poly­ butylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Polypropylenoxid, PSO, Polyphenylen­ sulfid, Polyimid, PEEK oder Mischungen dieser Materialien in unverstärkter oder ungefüllter sowie in faserverstärkter oder gefüllter Ausführung) kann in Verbindung mit der formschlüssigen Fügung der Werkstücke eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie eine KTL-Gängigkeit des Verbundbauteils erreicht werden.

Die Herstellung des Verbundbauteiles kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Dabei unterscheidet sich überwiegend die Art der Verbindung von z. B. Kunststoff und hochfester Komponente (Metallwerkstück):

• 1. Formschlüssige Verbindung von Kunststoffwerkstück und hochfestem Werk­ stück durch Materialumformung.
  Bei diesem Herstellungsverfahren kann die Verbindung sowohl durch Spritz­ gießen als auch durch Kunststoffvernieten mittels zuvor angeformter Verbin­ dungselemente erreicht werden. In beiden Fällen wird das jeweils hochfeste Werkstück mit Durchbrüchen im Bereich der Verbindungsstelle versehen (z. B. Metallblech mit Bohrungen im Randbereich), durch die thermoplasti­ scher Kunststoff dringt und damit ein formschlüssiger Verbund realisiert wird.
  Bei der Verbindung durch Spritzgießen wird zunächst z. B. ein Metallblech in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt. Durch den Spritzgießprozess wird sowohl ein weniger festes Werkstück in Form von z. B. einer Platte erzeugt als auch die Verbindung zum Metallblech erreicht. Da das Kunststoffmaterial in flüs­ siger Form in das Spritzgießwerkzeug gefüllt wird, kann es die Durchbrüche im Metallblech durchströmen und auf der Rückseite des Metallblechs Niet­ köpfe bilden. Auf diese Weise können verschiedene Teile aus Metall oder Compositewerkstoffen in einem Verfahrensschritt direkt oder indirekt über Bereiche aus thermoplastischem Material miteinander verbunden werden.
  In ähnlicher Weise kann auch bei Anwendung des Kunststoffnietens eine An­ bindung eines weniger festes Werkstückes an ein hochfestes Werkstück er­ zielt werden. Dabei wird zunächst der thermoplastische Kunststoff separat ohne Metallblech, aber mit angeformten Verbindungszapfen, in einem Spritz­ gießwerkzeug gespritzt. Anschließend werden eine oder mehrere Metall­ bleche auf das Kunststoffteil gelegt, wobei die Verbindungszapfen durch vor­ bereitete Durchbrüche des oder der Metallbleche ragen. Anschließend werden die Verbindungszapfen mit Hilfe eines Umformprozesses (z. B. mittels Ultra­ schallschweißen) zu einem Nietkopf umgeformt. Darüber hinaus kann die Schweißverbindung unter Verwendung von separaten Zusatzelementen (z. B. Zapfenschweißen) durchgeführt werden oder durch das Fügen zweier thermo­ plastischen Werkstücke mit angeformten Verbindungselementen erreicht werden.
• 2. Formschlüssige Verbindung eines thermoplastischen Werkstücks mit einem hochfesten Werkstück durch Steck- oder Schnapp-Verbindungen. Bei diesem Verfahren wird zunächst ein Kunststoffwerkstück hergestellt, das mit den er­ forderlichen Steck- bzw. Schnappelementen ausgestattet ist. Hierzu kann z. B. eine spritzgegossenes Kunststoffteil mit angeformten Zapfen verwendet wer­ den, die in vorbereitete Durchbrüche des hochfesten Werkstückes gesteckt werden.

Weitere Möglichkeiten zum Verbinden der Werkstücke bestehen in der Verwendung unterschiedlicher Kombinationen der genannten Verfahren. Demnach besteht die Möglichkeit Formschlüsse zwischen den hochfesten Werkstücken zu realisieren, in­ dem deckungsgleiche Sicken in beiden Teilen angebracht werden. Über einen zu­ sätzlichen deckungsgleichen Durchbruch in beiden hochfesten Werkstücken kann eine Nietverbindung, z. B. durch Umformen von am Kunststoffteil angeformten Ver­ bindungszapfen, angebracht werden.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile können wie folgt zusammengefasst wer­ den:
Das Verbundbauteil ermöglicht einen Flächenverbund aufgebaut aus Werkstücken mit beliebig varüerbaren Werkstoffen.

Es besteht die Möglichkeit zum anforderungsgerechtes Gestalten von Verbundbau­ teilen mit partiell unterschiedlicher Beanspruchungsart und -höhe.

Die Erfindung ermöglicht kosten- und gewichtsoptimierte Gestaltung von Verbund­ bauteilen mit partiell unterschiedlichem Eigenschaftsprofil.

Die Erfindung ermöglicht ferner die freie Wahl des Fügeverfahrens zur Verbindung mit anderen Bauteilen und Konstruktionselementen sowie die Herstellung eines Flächenverbundes aus verschiedenen Werkstoffen in einem Verfahrensschritt. Die erfindungsgemäßen Verbundbauteile finden in entsprechender Gestaltung viel­ fältige Verwendung als Konstruktionselement für Maschinen, Fahrzeug und Bauteile aller Art, insbesondere für Kraftfahrzeuge, für Elektronikartikel, Haushaltsartikel und für den Baubedarf.

Besonders geeignete Anwendungen des Verbundbauteils sind Strukturteile für Kraft­ fahrzeuge Türen, Stoßfänger, Träger, Front- und Heckteile für PKW's, Türschweller­ tragrahmen sowie Dekorationselemente welche eine erhöhte Festigkeit mit anderen Materialeigenschaften verbinden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Platte 1 aus thermoplastischem Material, an die ein Stahlblech 2 durch Formschluss angebunden ist.

Fig. 2 die Verbindung von zwei hochfesten Werkstücken über ein mittelfestes Werkstück aus Kunststoff;

Fig. 3 die Verbindung mehrerer Metallbleche über ein Werkstück aus thermoplasti­ schem Polyurethan;

Fig. 4 den Ausschnitt aus einer Bodengruppe im Tunnelbereich eines Kraftfahr­ zeugs.

Beispiele Beispiel 1 Flächenverbund mit partiell unterschiedlichen Funktionen (Fig. 1)

Fig. 1 zeigt eine Platte 1 aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, an die an ihrem linken Ende über Formschlüsse 6 zur Aufnahme punktförmig wirkender Kräfte ein Stahlblech 2 angebunden ist. Die linke Hälfte von Platte 1 ist zur Schalldämmung auf ihrer Oberseite mit einem Schaumstoff 3 versehen. Auf der rechten Hälfte der Platte 1 wird zur Aufnahme größerer Flächenlasten die Platte 1 durch zwei untenlie­ gende U-Profile 5 aus Aluminium und einer integrierten Rippenstruktur 4 aus dem gleichen Werkstoff wie die Platte 1 gestützt. Die Platte 1, die Rippenstruktur 4 und alle Formschlüsse 6 der Verbindungsstellen werden hierbei durch die thermoplasti­ sche Komponente gebildet.

Das Verbundbauteil kann auf zwei unterschiedliche Weisen hergestellt werden. Einerseits besteht die Möglichkeit das Blech 2, den Schaumstoff 3 und die U-Profile 5 in ein entsprechend geformtes Spritzgießwerkzeug einzulegen und anschließend die thermoplastische Komponente einzuspritzen, mit der dann die Platte 1, die Rippen­ struktur 4 und die Formschlüsse 6 hergestellt werden. Mit dem Erstarren der Schmelze im Spritzgießprozess werden die einzelnen Komponenten fest miteinander verbunden. In einer zweiten Variante wird zunächst die Platte 1 mit der integrierten Rippenstruktur 4 und den für die Formschlüsse 6 erforderlichen Zapfen hergestellt. Danach werden die Komponenten Blech 2, Schaumstoff 3 und U-Profile 5 so an die Platte 1 gelegt, dass die Zapfen der Platte 1 in die vorbereiteten Durchbrüche der Komponenten 2, 3 und 5 passen. Anschließend werden die Zapfen per Ultraschall­ schweißen zu Formschlüssen 6 umgeformt.

Beispiel 2 Querschnitt durch einen Verbund aus drei Metallblechen (Fig. 2)

In Fig. 2 ist dargestellt, wie verschiedene hochfeste Werkstücke (Metallbleche) direkt miteinander verbunden werden können. Dabei werden die Metallbleche an den vor­ gesehenen Verbindungspunkten die mit Durchbrüchen 14 versehen sind, so verformt, dass die dadurch entstehenden Dome 11 in die Bohrungen des Metallbleches 10 ge­ steckt werden können. Durch das Ausfüllen der verbleibenden Bohrung 14 mit dem thermoplastischen Kunststoff mittels Spritzgießen oder Ultraschall-Umformen von eingesteckten Verbindungselementen erhält man eine Nietverbindung 6, die die formschlüssige Verbindung der verschiedenen Metallbleche 2, 10 sichert.

Beispiel 3 Querschnitt durch einen flexiblen Verbund aus Metallblechen und thermoplas­ tischen Elementen (Fig. 3)

In diesem Beispiel werden zwei Metallbleche 2 durch eine elastische Platte 9 aus thermoplastischem Polyurethan flexibel miteinander verbunden. Die Verbindung wird mittels Formschlüssen 6, die aus dem gleichen Material bestehen wie die Platte 9, entsprechend den Ausführungen von Beispiel 1 oder 2 angeformt. Über ein ther­ moplastisches Element 16 aus starrem Kunststoffmaterial wird eine weiteres Metall­ blech 12 in einer anderen Ebene an den Verbund angeschlossen. Die elastische Platte 9 und das thermoplastische Element 16 können in einem Schritt durch Zweikompo­ nentenspritzguss an das Spritzgusswerkzeug eingelegten Metallbleche angeformt werden.

Beispiel 4 Querschnitt durch eine Fahrzeugbodengruppe (Fig. 4)

Fig. 4 zeigt den Ausschnitt einer Bodengruppe im Tunnelbereich eines Fahrzeuges. Die Bodenbleche 2, das Tunnelblech 7 und die Tunnelabdeckung 8 sind jeweils in Stahl ausgeführt und werden über den Thermoplasten 17 miteinander verbunden. Dabei werden die Werkstücke 2 und 7 in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und par­ tiell in ihrem Randbereich mit einem thermoplastischen Kunststoff überspritzt. Gleichzeitig werden Verbindungszapfen angeformt, die in einem anschließenden Arbeitsgang nach Auflegen der Tunnelabdeckung 8 mittels Ultraschallschweißens zu Nietverbindungen 6 umgeformt werden.

Gemäß dieser Vorgehensweise können bei Fahrzeugen auch Bodenbleche mit der Spritzwand oder Längsträger im Schwellerbereich mit Bodenblechen verbunden werden.

Claims (8)

1. Kunststoffverbundbauteil bestehend aus mindestens zwei flächigen Werk­ stücken (1) und (2) aus unterschiedlichem Material, insbesondere unter­ schiedlichem Metall, unterschiedlichem Kunststoff oder Metall- und Kunststoffteilen, die in ihrem Randbereich (13) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle (6) aus angeformtem, insbesondere angespritztem, thermoplastischem Kunststoff besteht und insbesondere mindestens ein Werkstück (1) oder (2) im Bereich der Verbindungsstelle (6) von dem thermoplastischen Kunststoff durchdrungen oder formschlüssig umschlossen ist.

2. Kunststoffverbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere Werkstücke des Verbundbauteils in dem Bereich (13) der Verbindungsstelle (6) Durchbrüche oder Ausnehmungen aufweisen, die von dem thermoplastischen Kunststoff durchzogen sind und eine formschlüssige Verbindung der Werkstücke bilden.

3. Kunststoffverbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Werkstücke (1) aus dem gleichen thermoplastischen Kunststoff wie die Verbindungsstelle (6) besteht.

4. Kunststoffverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Werkstücke (1) aus einem Elastomeren insbesondere einem thermoplastischen Elastomeren besteht.

5. Kunststoffverbundbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomere ein thermoplastisches Polyolefin ist.

6. Kunststoffverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Werkstücke (2) zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung aus einem Metall besteht, das mit nichtmetallischen Werkstücken (1) verbunden ist.

7. Kunststoffverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff ausgewählt ist aus der Reihe: Polyamid, Polyester, Polyolefin, Styrolcopolymerisat, Polycarbonat, Polypropylenoxid, Polyphenylensulfid, Polyimid, PSO oder PEEK oder möglichen Mischungen der Polymere.

8. Verwendung des Kunststoffverbundbauteiles nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Konstruktionselement für Maschinen und Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, für Elektronikartikel, Haushaltsartikel oder Baubedarf.