WO2013104397A2 - Metallisches trägerbauteil mit verbundhaftungsoberfläche, hybridbauteil und herstellungsverfahren - Google Patents

Metallisches trägerbauteil mit verbundhaftungsoberfläche, hybridbauteil und herstellungsverfahren Download PDF

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    • B29L2031/30Vehicles, e.g. ships or aircraft, or body parts thereof
    • B29L2031/3002Superstructures characterized by combining metal and plastics, i.e. hybrid parts

Definitions

  • the invention relates to a metallic carrier component having a composite adhesion surface for a polymer structure to be sprayed on and a corresponding hybrid component comprising the carrier component and the molded polymer structure. Furthermore, methods are disclosed for producing, on the one hand, the metallic carrier component and, on the other hand, the hybrid component.
  • a polymer structure is often inserted into a metal component by means of injection molding in order to provide the component with comparatively low weight, an improved torsional and
  • Such hybrid components are used, for example, in vehicle construction as load-bearing parts or force-absorbing parts with subordinate visual requirements.
  • Expansion coefficients of the materials used lead to a softening between metal component and polymer structure, so that the desired mechanical properties are not achieved.
  • the bonding of the molded plastic component to the metallic support component is low due to different chemical and physical properties of the two component materials.
  • the adhesion between the metal component and the polymer structure can be improved by a primer layer.
  • hot melt adhesives based on co-polyamide can be used.
  • EP 1 808 468 B1 describes the use of reactive hotmelt adhesives in hybrid components.
  • a process for the production of hybrid components from metals and polymers is disclosed, in which the metals with the polymers by Co-polyamide-based hot melt adhesives are added, which additionally contain isocyanate and epoxide.
  • a correspondingly improved hybrid component with improved adhesion between metallic carrier component and polymer structure and therefore with improved
  • the metallic carrier component according to the invention with a composite adhesion surface for a polymer structure to be sprayed, which is present on at least one surface section of the metallic carrier component, has one on the metallic one
  • Conversion layer applied primer layer is formed on the metallic support component, which fulfills the high automotive requirements for function, process and environment and thus combines best adhesion properties with ease of manufacture.
  • the conversion layer is not only the Improved connection of the primer layer to the metallic carrier, but also created an increased corrosion protection.
  • the metallic support member may be a final molded component, such as a die cast component, or a semi-finished metal product, a sheet, a pipe or a profile; it can do that
  • the metallic carrier component may also be a steel component or a semi-finished steel product.
  • a co-polyamide is suitable; well known are those under the mark
  • VESTAMELT ® advertised primer products such as VESTAMELT® X 1333 from Evonik. These adhesion promoters VESTAMELT® offer by closed isocyanate chains the possibility of processing as a paint or powder, at the same time high binding energy to be sprayed polymer, especially polyamide.
  • the conversion layer may be a wet-chemically generated conversion layer;
  • Such conversion coatings can 400 (Messrs. Henkel, Germany) are prepared with the products of brands Alodine® 4595, Alodine ® 2040 Alodine ®.
  • a green-chromate conversion layer which can be produced in an Al support component, for example, with ALFIPAS® 731 from AluFinish.
  • Composite adhesion surface may be formed by molding a polymer structure
  • a suitable polymer structure may be a thermoplastic polymer structure, preferably a polyamide structure.
  • the hybrid component is suitable as a motor vehicle component, in particular as a
  • the method according to the invention for producing a metallic carrier component with a composite adhesion surface as outlined above comprises first of all that the composite adhesion surface is formed from a conversion layer and a primer layer. First, the conversion layer on the metallic
  • Carrier component surface generated and then applied the primer on the conversion layer.
  • a metallic carrier component is created which is processed for an adhesion-promoting and durable bond with a polymer structure. Both the conversion layer and the primer layer contribute to improved corrosion protection of the metallic support component.
  • the application of the primer can be done by powder coating such as by electrostatic powder coating and include a heat treatment. Alternatively, it may preferably be achieved by applying a solution containing the primer through a
  • the generation of the conversion layer can be carried out wet-chemically by dipping or spraying, preferably in several dipping or spraying steps; wet chemical pretreatment can be carried out with Alodine 4595 ®, Alodine ® 2040 or Alodine ® 400th
  • wet chemical pretreatment can be carried out with Alodine 4595 ®, Alodine ® 2040 or Alodine ® 400th
  • the possible alternative Grünchromatieren can be done for example with ALFIPAS ® 731st
  • the surface on which the composite adhesion surface is formed should be cleaned, degreased and / or freed from an oxide layer prior to generating the conversion layer.
  • the method for producing a hybrid component according to the invention comprises the steps:
  • the manufacture of the hybrid component may involve forming, deforming or bending the metallic support member with the composite adhesive layer system prior to
  • Injection molding preferably to form a hollow profile.
  • the shaping can also be achieved by hydraulically shaping the metallic carrier formed to form the hollow profile by means of a hydroforming process
  • the invention relates to the production of a metallic carrier component with a composite adhesion surface for a polymer structure to be sprayed and further to a corresponding hybrid component of the metallic carrier component with an at least locally surrounding injection-molded component.
  • a polymer preferably a thermoplastic injection-molded to the metallic
  • Carrier component which consists of steel or preferably of a light metal such as aluminum or magnesium, molded geometry. This is to create a permanent bond between the metal surface and the plastic. This is between
  • Thermoplastics including in particular polyamides, and metals due to the chemical properties without pretreatment not possible.
  • the composite adhesion layer system according to the invention is applied to the metallic support component, which may be a component or semifinished product, which consists of an adhesion promoter or primer and a conversion layer preparing the adhesion primer for the primer.
  • the first step in the preparation of the composite adhesion layer system is thus the chemical pretreatment of the metallic support component surface to produce the conversion layer, as outlined in the figure.
  • the metallic support component which may be a component or semifinished product, which consists of an adhesion promoter or primer and a conversion layer preparing the adhesion primer for the primer.
  • the first step in the preparation of the composite adhesion layer system is thus the chemical pretreatment of the metallic support component surface to produce the conversion layer, as outlined in the figure.
  • the metallic support component which may be a component or semifinished product, which consists of an adhesion promoter or primer and a conversion layer preparing the adhesion primer for the primer.
  • the first step in the preparation of the composite adhesion layer system is thus the chemical pretreatment of the
  • Carrier component as a semi-finished or prefabricated an adhesion-promoting and
  • the conversion layer is applied wet-chemically before application of the primer by dipping or spraying.
  • green chromating can be used.
  • Alodine ® 4595 from Henkel, Dusseldorf, Germany.
  • the metallic carrier component is aluminum, ALFIPAS 731 from AluFinish, Andernach, Germany, can be used.
  • the conversion layer offers not only an optimal liability reason for the
  • Primer layer but also already forms a corrosion protection.
  • the metallic support component Before the application of the conversion layer, the metallic support component is cleaned, degreased and - freed from the oxide skin - for example when using aluminum. After application rinsing and drying.
  • the primer consists of a thermoplastic co-polyamide-based hot melt adhesive as sold by Evonik, Essen, Germany under the name VESTAMELT®.
  • a particularly suitable hot melt adhesive from the VESTAMELT ® series is VESTAMELT ® X1333.
  • the primer layer not only provides an excellent adhesion basis for the polymer structure to be sprayed on, especially if it consists of a polyamide, but also offers additional corrosion protection.
  • the primer is applied as a powder coating and then subjected to a heat treatment.
  • the grain size and layer thickness of the primer powder is adjusted according to further processing and end use.
  • the powder-coated metallic carrier component becomes a temperature cycle in the heat treatment subjected to, wherein the used as a primer VESTAMELT ® powder binds by chemical reaction to the conversion layer.
  • the metal overlay composite conversion and primer layer system allows for longer storage for about several weeks without adversely affecting reuse and adhesion.
  • the metallic carrier component provided with this composite adhesion system is long-term stable and does not lose its functionality even after longer storage times.
  • the metallic support member may be a shaped metallic one
  • it can also be a metal semi-finished product such as a metal sheet or tube, which is subjected to further processing steps before the injection molding process for injection molding of the polymer structure takes place.
  • a metal semi-finished product such as a metal sheet or tube
  • Bonding layer system to a non-destructive forming, since it allows the case occurring with the bending of the metal semi-finished strain and join in.
  • Adhesion function is also not adversely affected.
  • a forming step of the metallic carrier component can, as shown in the figure, take place before a transport and / or a storage, to the same extent, however, the forming can also take place after a transport process or after a storage period.
  • a semi-finished product which is in the form of a hollow profile, can finally before the
  • Injection molding tool is performed.
  • the injection molding process becomes the hybrid component formed, in which the molded plastic forms a close connection with the metallic carrier, which persists permanently even with greater mechanical stress after curing.
  • the actual metal-hybrid production process is completed by the injection molding process.
  • the finished or preformed or deformed component is inserted into a plastic injection molding cavity of an injection molding tool.
  • This injection mold allows after closing a hydraulic molding of a metal semi-finished product with hollow profile by hydroforming.
  • the composite adhesion layer does not hinder the hydroforming process and remains liable to adhesion.
  • the polymer which is preferably a polyamide, injected under support pressure in the tube, thereby filling the actual injection mold and a connection of the polymer structure to the metal surface by the
  • metal-plastic combination with light metal and polyamide plastics are preferred, and their material connection after the hydroforming - injection molding process, the vehicle requirements in terms of strength, rigidity and
  • the metallic carrier component according to the invention which has the improved composite adhesion layer, it is possible to produce hybrid vehicle components cost-effectively with simultaneous weight reduction.
  • vehicle components in the non-sight area such as the cockpit crossbeam or the front end carrier.
  • the components produced by the method described can be used in vehicles as a structure, semi-structure and Monatagekomponenten. ⁇
  • the inventive method makes it possible to fulfill the functions on the vehicle components over the period of use life of the vehicle by the metallic support member, which preferably consists of aluminum or magnesium in the course of lightweight construction, and both as a sheet metal, tube or diecast component Semi-finished may be processed into a durable plastic-metal hybrid component.
  • the metallic support member which preferably consists of aluminum or magnesium in the course of lightweight construction, and both as a sheet metal, tube or diecast component Semi-finished may be processed into a durable plastic-metal hybrid component.

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Description

Metallisches Trägerbauteil mit Verbundhaftungsoberfläche, Hybridbauteil und
Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft ein metallisches Trägerbauteil mit einer Verbundhaftungsoberfläche für eine anzuspritzende Polymerstruktur und ein entsprechendes Hybridbauteil aus dem Trägerbauteil und der angespritzten Polymerstruktur. Ferner werden Verfahren zur Herstellung einerseits des metallischen Trägerbauteils und andrerseits des Hybridbauteils offenbart.
Zur Herstellung von Hybridbauteilen aus einem Metall-Polymer-Verbund wird häufig mittels Spritzgussverfahren eine Polymerstruktur in ein Metallbauteil eingefügt, um dem Bauteil bei vergleichsweise geringem Gewicht eine verbesserte Torsions- und
Crashsteifigkeit zu verleihen. Verwendung finden derartige Hybridbauteile beispielsweise im Fahrzeugbau als tragende Teile oder Kraft aufnehmende Teile mit untergeordneten Sichtanforderungen.
Allerdings ist die Anbindung des Polymers an den metallischen Werkstoff mit
Schwierigkeiten verbunden. Materialschrumpf des Polymers und unterschiedliche
Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien führen zu einer Enthärtung zwischen Metallbauteil und Polymerstruktur, so dass die gewünschten mechanischen Eigenschaften nicht erreicht werden. So ist ohne Vorbehandlung der Metalloberfläche die Bindung des angespritzten Kunststoffbauteils an dem metallischen Trägerbauteil aufgrund unterschiedlicher chemischer und physikalischer Eigenschaften der beiden Bauteilwerkstoffe gering.
Bekanntermaßen kann die Haftung zwischen dem Metallbauteil und der Polymerstruktur durch eine Haftvermittlerschicht verbessert werden. Hierfür können Schmelzklebstoffe auf Co-Polyamid-Basis eingesetzt werden.
So beschreibt die EP 1 808 468 B1 den Einsatz von reaktiven Schmelzklebstoffen in Hybridbauteilen. Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Hybridbauteilen aus Metallen und Polymeren offenbart, bei dem die Metalle mit den Polymeren durch Schmelzklebstoffe auf Co-Polyamid-Basis verbunden werden, die zusätzlich Isocyanat und Epoxid enthalten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein metallisches Trägerbauteil mit einem verbesserten Haftungsgrund auf der Oberfläche zu schaffen, das sich somit besonders zur Herstellung eines Hybridbauteils eignet.
Diese Aufgabe wird durch das metallische Trägerbauteil mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Ein entsprechend verbessertes Hybridbauteil mit verbesserter Haftung zwischen metallischem Trägerbauteil und Polymerstruktur und daher mit verbesserten
mechanischen Eigenschaften wird durch das Hybridbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 4 offenbart.
Weiter ergibt sich die Aufgabe, kostengünstig einen weiter verbesserten Haftungsgrund auf einem metallischen Trägerbauteil für eine angespritzte oder anzuspritzende
Polymerstruktur zu schaffen, um insbesondere gewichtsreduzierte Bauteile für den Kraftfahrzeugbau mit zusätzlich verbessertem Korrosionsschutz fertigen zu können.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 löst schließlich die Aufgabe der Bereitstellung verbesserter Hybridbauteile.
Weiterbildungen der Gegenstände und Verfahren sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Das erfindungsgemäße metallische Trägerbauteil mit einer Verbundhaftungsoberfläche für eine anzuspritzende Polymerstruktur, die an wenigstens einem Oberflächenabschnitt des metallischen Trägerbauteils vorliegt, hat eine auf der metallischen
Trägerbauteiloberfläche erzeugte Konversionsschicht und eine auf die
Konversionsschicht aufgebrachte Primerschicht. So liegt erfindungsgemäß ein kostengünstiges Verbundhaftungssystem bzw. eine Verbundhaftungsoberfläche auf dem metallischen Trägerbauteil ausgebildet vor, das die hohen Automobilanforderungen an Funktion, Prozess und Umwelt erfüllt und insofern beste Haftungseigenschaften mit einfacher Herstellbarkeit verbindet. Durch die Konversionsschicht wird nicht nur die Anbindung der Primerschicht an den metallischen Träger verbessert, sondern auch ein erhöhter Korrosionsschutz geschaffen.
Das metallische Trägerbauteil kann ein endgeformtes Bauteil, etwa ein Druckgussbauteil, oder ein Metallhalbzeug, ein Blech, ein Rohr oder ein Profil sein; es kann dem
Leichtbaugedanken folgend insbesondere aus einem Leichtmetall umfassend Aluminium oder Magnesium bzw. entsprechenden Legierungen bestehen. Bei dem metallischen Trägerbauteil kann es sich aber auch um ein Stahlbauteil oder ein Stahlhalbzeug handeln.
Als Primer eignet sich ein Co-Polyamid; bekannt sind etwa die unter der Marke
VESTAMELT® beworbenen Primerprodukte wie VESTAMELT® X 1333 von Evonik. Diese Haftvermittler VESTAMELT® bieten durch geschlossene Isocyanatketten die Möglichkeit der Verarbeitung als Lack oder Pulver, bei gleichzeitig hoher Bindungsenergie zum anzuspritzenden Polymer, insbesondere zu Polyamid.
Die Konversionsschicht kann eine nasschemisch erzeugte Konversionsschicht sein; derartige Konversionsschichten können mit den Produkten der Marken Alodine® 4595, Alodine® 2040, Alodine® 400 (Fa. Henkel, Deutschland) hergestellt werden.
In Frage kommt auch eine grünchromatierte Konversionsschicht, die bei einem AI- Trägerbauteil etwa mit ALFIPAS® 731 der Firma AluFinish erzeugt werden kann.
Mit einem solchen erfindungsgemäßen metallischen Träger mit
Verbundhaftungsoberfläche kann durch Anspritzen einer Polymerstruktur ein
erfindungsgemäßes Hybridbauteil
mit verbesserten Haftungseigenschaften und daher hoher mechanischer Belastbarkeit gefertigt werden.
Eine geeignete Polymerstruktur kann eine thermoplastische Polymerstruktur, bevorzugt eine Polyamidstruktur sein.
Das Hybridbauteil ist als Kraftfahrzeugbauteil geeignet, insbesondere als ein
Kraftfahrzeugbauteil mit untergeordneten Sichtanforderungen, etwa als Cockpitquerträger oder ein Frontendträger. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines metallischen Trägerbauteils mit einer wie vorstehend dargelegten Verbundhaftungsoberfläche umfasst zunächst, dass die Verbundhaftungsoberfläche aus einer Konversionsschicht und einer Primerschicht gebildet wird. Dabei wird zunächst die Konversionsschicht auf der metallischen
Trägerbauteiloberfläche erzeugt und dann der Primer auf die Konversionsschicht aufgebracht. Durch Verfahrenskombination der Vorbehandlung zur Erzeugung der Konversionsschicht mit dem darauf aufgebrachten Haftvermittler bzw. Primer wird ein metallisches Trägerbauteil geschaffen, das für eine haftungsfördernde und dauerfeste Verbindung mit einer Polymerstruktur bearbeitet ist. Sowohl die Konversionsschicht als auch die Primerschicht tragen zu einem verbesserten Korrosionsschutz des metallischen Trägerbauteils bei.
Das Aufbringen des Primers kann durch Pulverbeschichten etwa durch elektrostatisches Pulverbeschichten geschehen und eine Wärmebehandlung umfassen. Alternativ kann es durch Applizieren einer Lösung, die den Primer enthält, bevorzugt durch eine
Bandbeschichtung, erfolgen.
Das Erzeugen der Konversionsschicht kann nasschemisch durch Tauchen oder Sprühen, bevorzugt in mehreren Tauch- oder Sprühstufen ausgeführt werden; die nasschemische Vorbehandlung kann mit Alodine® 4595, Alodine® 2040 oder Alodine® 400 vorgenommen werden. Das alternativ mögliche Grünchromatieren kann beispielsweise mit ALFIPAS® 731 ausgeführt werden.
Bevorzugt sollte die Oberfläche, an der die Verbundhaftungsoberfläche gebildet wird, vor dem Erzeugen der Konversionsschicht gereinigt, entfettet und/oder von einer Oxidschicht befreit werden.
Nach dem Erzeugen der Konversionsschicht und vor dem Aufbringen des Primers wird vorgeschlagen, die Oberfläche ein oder mehrmals zu spülen und zu trocknen.
Das Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Hybridbauteils umfasst die Schritte:
- Erzeugen einer Verbundhaftungsoberfläche auf zumindest einem Abschnitt der
Oberfläche des metallischen Trägerbauteils,
- Einlegen des metallischen Trägerbauteils in eine Spritzgusskavität eines
Spritzgusswerkzeugs,
- Spritzgießen der Polymerstruktur an die Verbundhaftungsoberfläche der metallischen Trägerbauteiloberfläche des metallischen Trägerbauteils.
Weiter kann die Herstellung des Hybridbauteils das Umformen, Verformen oder Biegen des metallischen Trägerbauteils mit dem Verbundhaftungsschichtsystem vor dem
Spritzgießen, bevorzugt zu einem Hohlprofil umfassen.
Ferner kann die Formgebung auch durch hydraulisch Ausformen des zu dem Hohlprofil geformten metallischen Trägers durch einen Innenhochdruckumformvorgang
vorgenommen bzw. ergänzt werden.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt. Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands.
Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Erfindung und zeigt ein Verfahrensfließschema zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Hybridbauteils.
So betrifft die Erfindung die Herstellung eines metallischen Trägerbauteils mit einer Verbundhaftungsoberfläche für eine anzuspritzende Polymerstruktur und weiter ein entsprechendes Hybridbauteil aus dem metallischen Trägerbauteil mit einem zumindest lokal umgebenden Spritzgussbauteil.
Zur Schaffung von Hybridbauteilen, insbesondere auch in Leichtbauweise wird ein Polymer, bevorzugt ein Thermoplast im Spritzgussverfahren an das metallische
Trägerbauteil, das aus Stahl oder bevorzugt aus einem Leichtmetall wie Aluminium oder Magnesium besteht, geometriegebend angespritzt. Dabei soll eine dauerfeste Verbindung zwischen der Metalloberfläche und dem Kunststoff entstehen. Dies ist zwischen
Thermoplasten, darunter insbesondere Polyamiden, und Metallen aufgrund der chemischen Eigenschaften ohne Vorbehandlung nicht möglich.
Dazu wird erfindungsgemäß auf das metallische Trägerbauteil, das ein Bauteil oder Halbzeug sein kann, das erfindungsgemäße Verbundhaftungsschichtsystem aufgebracht, das aus einem Haftvermittler bzw. Primer und einer den Haftungsgrund für den Primer vorbereitenden Konversionsschicht besteht. Der erste Schritt zur Herstellung des Verbundhaftungsschichtsystems besteht so in der chemischen Vorbehandlung der metallischen Trägerbauteiloberfläche zur Erzeugung der Konversionsschicht, wie in der Figur skizziert ist. Hierbei wird das Metallisches
Trägerbauteil als Halbzeug oder Fertigbauteil einer haftungsfördernden und
korrosionshemmenden Oberflächenvorbehandlung unterzogen.
Die Konversionsschicht wird vor dem Aufbringen des Primers durch Tauchung oder Sprühen nasschemisch appliziert. Alternativ kann auch grünchromatiert werden.
Geeignete Prozesse zur nasschemischen Erzeugung der Konversionsschicht verwenden Alodine® 4595, Alodine® 2040 oder Alodine® 400, bevorzugt Alodine ® 4595 von Henkel, Düsseldorf, Deutschland. Für die Grünchromatierung kann, wenn es sich bei dem metallisches Trägerbauteil um Aluminium handelt, ALFIPAS 731 der Firma AluFinish, Andernach, Deutschland, eingesetzt werden.
Die Konversionsschicht bietet so nicht nur einen optimalen Haftungsgrund für die
Primerschicht, sondern bildet auch bereits einen Korrosionsschutz aus.
Vor der Aufbringung der Konversionsschicht wird das metallische Trägerbauteil gereinigt, entfettet und - etwa bei Verwendung von Aluminium - von der Oxidhaut befreit. Nach der Aufbringung erfolgen Spülvorgänge und Trocknung.
Es folgt, wie der Figur zu entnehmen ist, das Auftragen des Primers auf die mit der Konversionsschicht versehene Oberfläche.
Vorzugsweise besteht der Primer aus einem thermoplastischen auf einem Co-Polyamid basierenden Schmelzklebstoff, wie von der Firma Evonik, Essen, Deutschland unter dem Namen VESTAMELT® vertrieben. Ein besonders geeigneter Schmelzklebstoff aus der VESTAMELT® -Reihe ist VESTAMELT® X1333. Die Primerschicht stellt nicht nur einen hervorragenden Haftungsgrund für die anzuspritzende Polymerstruktur, insbesondere wenn diese aus einem Polyamid besteht, bereit, sondern bietet einen zusätzlichen Korrosionsschutz.
Der Primer wird als Pulverbeschichtung aufgebracht und dann einer Wärmebehandlung ausgesetzt. Die Körnungsgröße und Schichtdicke des Primerpulvers wird entsprechend der weiteren Verarbeitung und Endverwendung eingestellt. Das pulverbeschichtete metallische Trägerbauteil wird in der Wärmebehandlung einem Temperaturzyklus unterzogen, wobei das als Primer verwendete VESTAMELT® -Pulver mittels chemischer Reaktion an die Konversionsschicht bindet.
Alternativ ist auch für Blechmaterial eine sogenannte Bandbeschichtung mit in Lösung gebrachten VESTAMELT® X 1333 möglich.
Nach der Wärmebehandlung zur Anbindung des Primers und dem Abkühlen des metallischen Trägerbauteils ist eine Lagerung bzw. der Transport möglich. Das auf der Metalloberfläche aufgebrachte Verbundhaftungsschichtsystem aus Konversions- und Primerschicht lässt eine längere Lagerung etwa über mehrere Wochen zu, ohne die Weiterverwendung und das Haftungsvermögen negativ zu beeinflussen. So ist das mit diesem Verbundhaftungssystem versehene metallische Trägerbauteil langzeitbeständig und verliert seine Funktionalität auch nicht nach längeren Lagerzeiten.
Bei dem metallischen Trägerbauteil kann es sich um ein geformtes metallisches
Trägerbauteil, etwa ein Druckgussbauteil handeln, es kann aber auch ein Metallhalbzeug wie ein Blech oder Rohr sein, das weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen wird, ehe der Spritzgussprozess zum Anspritzen der Polymerstruktur erfolgt. Bei einem
ausgeformten Trägerbauteil kann das Anspritzen der Polymerstruktur direkt der
Herstellung des Verbundhaftungssystems mit oder ohne Lagerungszeit oder Transport folgen.
Im Fall eines Metallhalbzeugs kann sich hingegen beispielsweise ein Biegevorgang an die Herstellung des Verbundhaftungssystems anschließen, ohne dass dieses Schaden nimmt. Idealerweise schließt sich die mechanische Umformung/Vorformung nach dem Auftrag des Verbundhaftungsschichtsystems an. Dabei lässt das
Verbundhaftungsschichtsystem ein zerstörungsfreies Umformen zu, da es die dabei mit dem Biegen des Metallhalbzeugs auftretende Dehnung zulässt und mitmacht. Die
Haftungsfunktion wird ebenfalls nicht negativ beeinträchtigt. Ein Umformschritt des metallischen Trägerbauteils kann, wie in der Figur dargestellt, vor einem Transport und/oder einer Lagerung erfolgen, in gleichem Maße kann das Umformen aber auch nach einem Transportvorgang oder nach einer Lagerungsdauer stattfinden.
Ein Halbzeug, das in Form eines Hohlprofils vorliegt, kann schließlich vor dem
Spritzgießvorgang, wie auch in der Figur aufgeführt, noch einem
Innenhochdruckumformvorgang unterzogen werden, der vorteilhaft in dem
Spritzgusswerkzeug durchgeführt wird. Mit dem Spritzgussprozess wird das Hybridbauteil gebildet, bei dem der angespritzte Kunststoff eine enge Verbindung mit dem metallischen Träger ausbildet, die dauerhaft auch bei größeren mechanischen Belastungen nach der Aushärtung bestehen bleibt.
So erfolgt zum Abschluss mit dem Sprizgießprozess der eigentliche Metall-Hybrid- Herstellprozess. Dabei wird das fertige oder vorgeformte bzw. umgeformte Bauteil in eine Kunststoff-Spritzgusskavität eines Spritzgusswerkzeugs eingelegt.
Diese Spritzgussform ermöglicht nach dem Schließen ein hydraulisches Ausformen eines Metallhalbzeugs mit Hohlprofil mittels Innenhochdruckumformverfahren. Dieses
Ausformen funktioniert nur bei geschlossenen Geometrien also bei metallischen
Trägerbauteilen wie Rohren und Profilrohren. Die Verbundhaftungsschicht behindert den IHU-Prozess nicht und bleibt weiterhin haftungsaktiv.
Nach dem IHU-Prozess wird unter Stützdruck im Rohr das Polymer, das vorzugsweise ein Polyamid ist, eingespritzt, dadurch die eigentliche Spritzgussform ausgefüllt und eine Anbindung der Polymerstruktur an die Metalloberfläche durch das
Verbundhaftungssystem hergestellt.
Ferner ist es im Spritzgussprozess möglich, mehrere metallische Trägerbauteile einzulegen, gegebenenfalls dem IHU-Verfahren zu unterziehen, und so zu fügen, wobei die verschiedenen metallischen Trägerbauteile zumindest in den Bereichen, an die die Anspritzung der Polymerstruktur geplant ist, mit der erfindungsgemäßen
Verbundhaftungsschicht versehen sind.
Durch die Metall-Kunststoffkombination, wobei Leichtmetall und Polyamidkunststoffe bevorzugt sind, und deren stoffliche Verbindung nach dem IHU - Spritzgussprozess werden die Fahrzeuganforderungen hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit und
Geräuschentwicklung und -Übertragung erfüllt.
Mit dem erfindungsgemäß hergestellten metallischen Trägerbauteil, das die verbesserte Verbundhaftungsschicht aufweist, ist es möglich, Fahrzeug-Hybridbauteile kostengünstig bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung herzustellen. Typische Anwendungen dafür sind Fahrzeugbauteil im NichtSichtbereich wie der Cockpitquerträger oder der Frontendträger. Generell können die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Bauteile in Fahrzeugen als Struktur, Semistruktur und Monatagekomponenten verwendet werden. θ
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Funktionen an den Fahrzeug- Bauteilen über den Zeitraum der Verwendungslebensdauer des Fahrzeugs zu erfüllen, indem das metallische Trägerbauteil, das im Zuge der Leichtbauweise vorzugsweise aus Aluminium oder Magnesium besteht, und sowohl als Blech, Rohr oder Druckgussbauteil bzw. Halbzeug vorliegen kann, zu einem dauerfesten Kunststoff-Metall-Hybridbauteil verarbeitet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet so eine kostengünstige Möglichkeit,
Hybridbauteile herzustellen. Die Verfahrens- und Logistikprozesse sind optimal in den Gesamtherstellprozess der Fertigbauteile integrierbar.

Claims

Daimler AG Patentansprüche
1. Metallisches Trägerbauteil mit einer Verbundhaftungsoberfläche für eine
anzuspritzende Polymerstruktur, wobei die Verbundhaftungsoberfläche an zumindest einem Oberflächenabschnitt des metallischen Trägerbauteils vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbundhaftungsoberfläche eine auf der metallischen Trägerbauteiloberfläche erzeugte Konversionsschicht und eine auf die Konversionsschicht aufgebrachte Primerschicht umfasst.
2. Metallisches Trägerbauteil nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das metallische Trägerbauteil ein Druckgussbauteil, ein Metallhalbzeug, ein Blech, ein Rohr oder ein Profil ist, insbesondere aus einem Leichtmetall umfassend Aluminium- oder Magnesium oder ein Stahlbauteil oder Stahlhalbzeug ist.
3. Metallisches Trägerbauteil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Primer ein Co-Polyamid umfasst, und
- die Konversionsschicht eine nasschemisch erzeugte Konversionsschicht oder eine grünchromatierte Konversionsschicht ist.
4. Hybridbauteil aus einem metallischen Trägerbauteil und einer Polymerstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass
das metallische Trägerbauteil ein metallisches Trägerbauteil mit einer
Verbundhaftungsoberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ist, und die
Polymerstruktur über die Verbundhaftungsoberfläche mit dem metallischen
Trägerbauteil verbunden ist.
5. Hybridbauteil nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Polymerstruktur eine thermoplastische Polymerstruktur, besonders bevorzugt eine Polyamidstruktur ist, und/oder
das Hybridbauteil ein Kraftfahrzeugbauteil, bevorzugt ein Kraftfahrzeugbauteil mit untergeordneten Sichtanforderungen, und besonders bevorzugt ein
Cockpitquerträger oder ein Frontendträger ist.
6. Verfahren zum Herstellen eines metallischen Trägerbauteils mit einer
Verbundhaftungsoberfläche nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbundhaftungsoberfläche aus einer Konversionsschicht und einer
Primerschicht gebildet wird, wobei zunächst die Konversionsschicht auf der metallischen Trägerbauteiloberfläche erzeugt und dann der Primer auf die
Konversionsschicht aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aufbringen des Primers
- durch Pulverbeschichten, bevorzugt durch elektrostatisches Pulverbeschichten erfolgt und eine Wärmebehandlung umfasst,
oder
- durch Applizieren einer den Primer enthaltenden Lösung, bevorzugt durch eine Bandbeschichtung,
erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
wobei
das Erzeugen der Konversionsschicht
- nasschemisch durch Tauchen oder Sprühen, bevorzugt in mehreren Tauch- oder Sprühstufen, oder
- durch Grünchromatieren erfolgt,
wobei bevorzugt die Oberfläche, an der die Verbundhaftungsoberfläche gebildet wird, vor dem Erzeugen der Konversionsschicht gereinigt, entfettet und/oder von einer Oxidschicht befreit wird, und/oder
wobei bevorzugt die Oberfläche, an der die Verbundhaftungsoberfläche gebildet wird, nach dem Erzeugen der Konversionsschicht und vor dem Aufbringen des Primers ein oder mehrmals gespült und getrocknet wird.
9. Verfahren zum Herstellen eines Hybridbauteils nach Anspruch 4 oder 5;
umfassend die Schritte:
- Erzeugen einer Verbundhaftungsoberfläche auf zumindest einem Abschnitt der Oberfläche des metallischen Trägerbauteils,
- Einlegen des metallischen Trägerbauteils in eine Spritzgusskavität eines Spritzgusswerkzeugs,
- Spritzgießen der Polymerstruktur an die Verbundhaftungsoberfläche der metallischen Trägerbauteiloberfläche des metallischen Trägerbauteils.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
umfassend den Schritt:
- Umformen/Verformen/Biegen des metallischen Trägerbauteils mit der
Verbundhaftungsoberfläche vor dem Spritzgießen, bevorzugt zu einem Hohlprofil, und/oder
- hydraulisch Ausformen des zu dem Hohlprofil geformten metallischen
Trägerbauteils durch einen Innenhochdruckumformvorgang.
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