DE102007023132A1

DE102007023132A1 - Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils

Info

Publication number: DE102007023132A1
Application number: DE200710023132
Authority: DE
Inventors: Stefan Bauer; Manfred Tremmel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines eine hohe Oberflächengüte gewährleistenden Hybridbauteils wird ein Druckgussbauteil aus Metall zumindest teilweise mit einem Kunststoff beschichtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils sowie die Verwendung eines solchen Hybridbauteils als Sichtbauteil für ein Kraftfahrzeug.
Für Sichtbauteile (der Karosserie) von Kraftfahrzeugen ist eine hohe Oberflächenqualität (sogenannte Zone-A-Qualtät) erforderlich, damit diese nach einer Lackierung den geforderten optischen und haptischen Qualitäten, die von den Kunden an ein Kraftfahrzeug gestellt werden, entsprechen.
Um den geforderten Qualitätsanforderungen für Sichtbauteile gerecht zu werden, werden Sichtbauteile derzeit nahezu ausschließlich aus Metallblechen, insbesondere aus Stahl- oder Aluminiumblech, als thermoplastische Spritzgussteile oder als Faser-verstärkte Kunststoffbauteile (GFK, CFK) hergestellt.
Stahlbleche zeichnen sich durch eine einfache Herstellbarkeit bei gleichzeitig geringen Kosten aus. Durch die hervorragenden mechanischen Kennwerte von Stählen, die zudem durch verschiedene Vergütungsverfahren an den jeweiligen Einsatzfall angepasst werden können, eignen sich Stahlbleche sowohl für Struktur- als auch Beplankungsbauteile der Fahrzeugkarosserie. Zudem können diese durch Schweißen auf einfache, schnelle und kostengünstige Weise miteinander verbunden werden. Ein Nachteil von Stahlblechen beim Einsatz als Bauteil der Karosserie eines Kraftfahrzeugs besteht in der relativ beschränkten Möglichkeit, mittels der für Stahlbleche bekannten Umformverfahren (insbesondere Tiefziehen) komplexe dreidimensionale Geometrien zu formen.
Die Verwendung von Aluminiumblechen ist grundsätzlich mit den gleichen Vor- und Nachteilen wie bei Stahlblechen behaftet. Die geringe Dichte von Aluminium macht diesen jedoch zu einem beliebten Werkstoff für den Leichtbau, wobei jedoch ein Teil des Leichtbaupotentials durch die geringere Festigkeit von Aluminium gegenüber Stahl und die dadurch bedingte größere Dimensionierung wieder aufgezehrt wird.
Karosseriebauteile aus thermoplastischem Kunststoff ermöglichen die Herstellung komplexer dreidimensionaler Geometrien und sind schnell und kostengünstig als Großserienteile herstellbar. Aufgrund ihrer geringen mechanischen Festigkeiten, insbesondere bei höheren Temperaturen eignen sich thermoplastische Kunststoffbauteile in der Regel lediglich für die Beplankung von nicht tragenden Bauteilen. So ist es bekannt, z. B. Heckklappenbeplankungen und Kotflügel als Spritzgussteile aus thermoplastischem Kunststoff zu fertigen. Die Herstellung von tragenden Strukturbauteilen für Kraftfahrzeuge aus thermoplastischem Kunststoff ist dagegen nicht bekannt.
In der Einzelfertigung und im Kleinserienbereich ist es zudem bekannt, Bauteile der Karosserie eines Kraftfahrzeugs aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen. Aufgrund der hervorragenden mechanischen Festigkeitswerte von faserverstärkten Kunststoffen (insbesondere im Verhältnis zu Ihrer Dichte) können diese sogar für tragende Strukturteile zur Anwendung kommen, wobei hierfür in der Regel ausschließlich Kohlefaser-verstärkter Kunststoff verwendet werden. Aufgrund des hohen Preises für Kohlfasern und den aufwändigen, häufig manuellen Herstellungsmethoden, eignen sich Kohlefaser-verstärkte Kunststoffbauteile lediglich als Sichtbauteile für exklusive Fahrzeuge, die in geringen Stückzahlen produziert werden.
Bekannt ist weiterhin die Herstellung von Strukturbauteilen für ein Kraftfahrzeug aus Metalldruckguss und insbesondere aus Aluminium-Druckguss. Auf diese Weise hergestellte Bauteile zeichnen sich – neben guten mechanischen Kennwerten – insbesondere durch die Möglichkeit der Darstellung quasi beliebiger, komplexer Geometrien aus. Metalldruckgussbauteile weisen jedoch verfahrensbedingt eine sehr unregelmäßige Oberfläche auf, so dass diese – aufgrund der geforderten hohen Oberflächequalität (Zone A) – derzeit nicht für den Einsatz in der Fahrzeugaußenhaut in Frage kommen, sondern ausschließlich im (nicht sichtbaren) Strukturbereich eingesetzt werden. Lediglich durch aufwendige Schleifprozesse wäre es möglich, die Qualität für den Einsatz im Zone A-Bereich zu erreichen. Die damit einhergehenden hohen Kosten haben einen solchen Einsatz jedoch bisher verhindert.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, Metalldruckguss-Bauteile auch im Sichtbereich von Kraftfahrzeugen zu verwenden, wo sie einer hohen Oberflächenqualität genügen müssen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Der Kern der Erfindung sieht vor, ein Druckgussbauteil aus Metall und insbesondere aus Aluminium, das mittels eines Druckgießverfahrens, wie sie aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt sind, hergestellt wurde, zumindest an den Flächen, die als Sichtflächen des Bauteils vorgesehen sind mit einem Kunststoff zu beschichten, wobei die Kunststoffbeschichtung eine die geforderte Güte aufweisende Oberfläche aufweisen soll. Auf diese Weise wird ein Hybridbauteil geschaffen, dass die Oberflächenanforderungen, die an ein Sichtbauteil einer Kraftfahrzeugkarosserie gestellt werden erfüllt, gleichzeitig – aufgrund der guten mechanischen Kennwerte des als Träger bauteil vorgesehenen Druckgussbauteils – eine tragende Funktionen übernehmen kann.
Die Beschichtung des Durckgussbauteils mit dem Kunststoff kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass das Druckgussbauteil von dem Kunststoff umflutet wird. Dabei wird das Druckgussbauteil in ein Werkzeug eingelegt, dessen Kavität zumindest in dem Bereich, in dem die Kunststoffbeschichtung aufgetragen wird, der Außenkontur des fertigen Bauteils entspricht. Durch eine Öffnung in dem Werkzeug wird daraufhin ein Kunststoff, vorzugsweise ein Kunststoff auf Polyurethanbasis, in das Werkzeug eingebracht, wobei der Kunststoff den Zwischenraum zwischen dem Werkzeug und dem Druckgussbauteil ausfüllt und das Druckgussbauteil an den dafür vorgesehenen Stellen umflutet.
Der Kunststoff härtet daraufhin in der Kavität des Werkzeugs aus, wobei die Außenseite des Kunststoffs, dass heißt die vom Druckgussbauteil abgewandte Seite, eine der Oberflächengüte des Werkzeugs in der Kavität im wesentlichen entsprechende Oberflächengüte erhält.
Vorzugsweise ist vorgesehen, die Kunststoffbeschichtung in einer Dicke vorzusehen, die gerade ein Abzeichnen der unregelmäßigen Oberfläche des Druckgussbauteils sicher verhindert; in diesem Fall dient die Kunststoffbeschichtung somit ausschließlich optischen Zwecken (hohe Oberflächengüte). Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Kunststoffbeschichtung auch zur Erfüllung anderer, zusätzlicher Zwecken vorgesehen ist. Als Beispiel sei hier die Aufgabe der Energieabsorbtion beim Aufprall eines Gegenstands genannt werden, die durch die Deformations- und Dämpfungseigenschaften des Kunststoffwerkstoffs wahrgenommen werden kann. In diesem Fall kann die Beschichtung mittels eines Kunststoffschaums, der besondere Energie absorbierende Eigenschaften aufweist, ausgebildet sein, sofern mit diesem Werkstoff die geforderte Oberflächengüte erzielt werden kann. Selbstverständlich kann die Kunststoffbeschichtung auch mehrschichtig aufgebaut sein, so dass beispielsweise die äußere Schicht, bestehend aus einem bestimmten ersten Kunststoffwerkstoff, die geforderte Oberflächengüte sicherstellt und eine Zwischenschicht aus einem zweiten Kunststoff Energie absorbierend oder einem anderen Zwecke dienend wirkt. Weiterhin kann die Kunststoffbeschichtung auch akustischen Zwecken dienen, in dem diese eine Schallübertragung dämpft.
Erfindungsgemäß soll ebenfalls nicht ausgeschlossen sein, dass zwischen dem Druckgussbauteil und der die Oberflächengüte gewährleistenden Kunststoffbeschichtung eine oder mehrere zusätzliche Schichten aus einem Nicht-Kunststoff vorgesehen werden, die einen bestimmten Zweck erfüllen. Beispielsweise kann eine Zwischenschicht vorgesehen werden, die eine Verbesserung der Haftung zwischen der Kunststoffbeschichtung und der Oberfläche des metallischen Druckgussbauteils bewirkt.
Das Einbringen des Kunststoffs in das Werkzeug kann auf beliebige Weise erfolgen; insbesondere kann der Kunststoff auch unter Überdruck eingebracht werden, um eine gute Füllung der Kavität zu unterstützen.
Kunststoff auf Polyurethanbasis eignet sich vorteilhaft für die erfindungsgemäße Beschichtung eines Druckgussbauteils aus Metall, weil es sich um einen duroplastischen Werkstoff handelt. Die beiden Reaktionskomponenten können bei einer sehr niedrigen Viskosität initiiert werden, wobei die Reaktion im Werkzeug stattfindet. Polyurethan zeichnet sich weiterhin teilweise auch durch eine gute Haftung zu metallischen Werkstoffen aus (z. B. Polyurethanklebstoff).
Vorzugsweise wird zum Erreichen einer guten Haftung zwischen der Oberfläche des Druckgussbauteils und der Kunststoffbeschichtung die Oberfläche des Druckgussbauteils vor dem Beschichten vorbehandelt. Hierzu sind beliebige Arten der Vorbehandlung möglich, die die Haftung zwischen den zwei verwendeten Werkstoffen verbessern.
Besonders bevorzugt wird die Oberfläche zunächst entfettet, dann Plasma-behandelt und anschließend mit einem Primer behandelt. Beim Plasma-Behandeln wird das Gussbauteil mit einer definierten Geschwindigkeit und in einem definierten Abstand über einen Plasmastrahl geführt. Durch die Behandlung der Gussteil-Oberfläche mit Plasma kann eine signifikante Haftungsverbesserung zum Primer (Kunststoff) erzeugt werden. Der Primer dient dazu eine möglichst gute Haftvermittlung zwischen dem metallischen Bauteil und dem Kunststoff zu erzeugen. Als Primer können einschichtige Haftvermittler verwendet werden, diese dienen dem Binden von gießbaren, thermoplastischen Polyurethan-Elastomeren und weiteren thermoplastischen Kunststoffen auf allen Metalle während der Vernetzungsphase.
Zur weiteren Verbesserung der Haftung zwischen dem Kunststoff und dem Metallbauteil kann das Bauteil nach dem Entfetten und vor der Plasma-Behandlung noch sandgestrahlt werden.
Unter anderem bei einer Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten Hybridbauteils als Sichtbauteil einer Fahrzeugkarosserie kann das Bauteil nachträglich noch lackiert werden, wobei die Lackierung in der Regel im Verbund mit den übrigen Bauteilen der Karosserie erfolgt. Gegebenenfalls kann eine Lackierung des erfindungsgemäßen Kunststoffbauteils auch entfallen, wenn ein durchgefärbter Kunststoff verwendet wird, der vorzugsweise in einer der Lackierung der übrigen Bauteile der Karosserie entsprechenden Farbe vorgesehen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt die 1 die erfindungsgemäße Herstellung eines Hybridbauteils in einem Werkzeug.
Das in der 1 dargestellte Werkzeug ist zweiteilig ausgeführt, bestehend aus einer oberen 1 und einer unteren 2 Werkzeughälfte. Die beiden Werkzeughälften 1, 2 bilden eine Kavität aus, die als Negativform die Geometrie des fertigen Hybridbauteils abbildet.
Vorliegend ist vorgesehen, lediglich zwei Seiten eines Druckgussbauteils 3 mit einer Kunststoffbeschichtung zu versehen, so dass die untere Werkzeughälfte 2 so ausgebildet ist, dass das Druckgussbauteil 3 möglichst spaltfrei an dieser anliegt.
Über ein Angusssystem 4 wird ein fließfähiges Polyurethan-(PU)-System 5, bestehen aus einem PU-Harz und einem Härter in den Spalt zwischen dem Druckgussbauteil 3 und der oberen Werkzeughälfte 1 unter Druck eingebracht. Dieses füllt den gesamten vorgesehenen Spalt aus, so dass die der oberen Werkzeughälfte 1 zugewandte Oberfläche der Kunststoffbeschichtung nach dem Aushärten des PU-Systems im wesentlichen die Oberflächengüte der Kavitätswandung in der oberen Werkzeughälfte 1 aufweist.
Das fertige Hybridbauteil kann daraufhin aus dem Werkzeug entformt und nach einem Entgraten und Entfernen des Angusses als Sichtteil für die Karosserie eines Kraftfahrzeugs verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckgussbauteil (3) aus Metall zumindest teilweise mit einem Kunststoff beschichtet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussbauteil (3) mit einem Kunststoff umflutet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussbauteil mit einem Kunststoff auf Polyurethanbasis umflutet wird
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Druckgussbauteils (3) vorab hinsichtlich einer Haftung mit dem Kunststoff vorbehandelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche zunächst entfettet, dann Plasma-behandelt und anschließend mit Primer behandelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybridbauteil abschließend lackiert wird.
Hybridbauteil mit einem als Druckgussbauteil (3) aus Metall ausgebildeten Trägerbauteil und einer zumindest teilweisen Beschichtung aus Kunststoff.
Verwendung eines Hybridbauteils gemäß Anspruch 6 als Sichtbauteil eines Kraftfahrzeugs.