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WO2003006834A1 - Verfahren zur herstellung von verbundbauteilen aus metall und kunststoff sowie diese verbundbauteile - Google Patents

Verfahren zur herstellung von verbundbauteilen aus metall und kunststoff sowie diese verbundbauteile Download PDF

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Publication number
WO2003006834A1
WO2003006834A1 PCT/EP2002/007410 EP0207410W WO03006834A1 WO 2003006834 A1 WO2003006834 A1 WO 2003006834A1 EP 0207410 W EP0207410 W EP 0207410W WO 03006834 A1 WO03006834 A1 WO 03006834A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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joining
joining tool
plastic structure
composite
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2002/007410
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Wilhelm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Publication of WO2003006834A1 publication Critical patent/WO2003006834A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/04—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of riveting
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    • B29C66/81411—General aspects of the pressing elements, i.e. the elements applying pressure on the parts to be joined in the area to be joined, e.g. the welding jaws or clamps characterised by the design of the pressing elements, e.g. of the welding jaws or clamps characterised by the surface geometry of the part of the pressing elements, e.g. welding jaws or clamps, coming into contact with the parts to be joined characterised by its cross-section, e.g. transversal or longitudinal, being non-flat
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    • B29C65/08—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using ultrasonic vibrations
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    • B29C65/14—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation
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    • B29C66/71—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the composition of the plastics material of the parts to be joined
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    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2705/00—Use of metals, their alloys or their compounds, for preformed parts, e.g. for inserts

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a composite component from a metal component and a plastic structure, these composite components and their use as components or component components in automobile, aircraft or shipbuilding or in the production of furniture, household or electrical appliances.
  • Composite molded parts made of metal and plastic are known to the person skilled in the art and are used, among other things. as so-called hybrid components in automotive engineering, e.g. in the form of front-end modules.
  • the combination of metal and plastic makes it possible to produce products with low weight, great rigidity and high resilience at low cost.
  • the molded plastic part can also be used to integrate additional functions such as hinge parts, bearing points, cable clamps or snap and screw connections into the component at an early stage in the manufacturing process.
  • a method for producing such composite molded parts is e.g. in the published patent application EP-A 0 370 352, according to which a thin sheet of metal provided with passages is inserted into a shell-shaped injection mold and the melt-shaped plastic is injected accordingly.
  • This process is very complex and prone to wear. It requires a lot of effort in terms of tool maintenance. A high proportion of rejects can often not be avoided.
  • a new, mostly complicated injection molding tool is required for each new model variant or change. Series production is therefore often associated with unpredictable risks.
  • connection techniques are described in the as yet unpublished European patent application with the file number 00119476.0. This should lead to a lower proportion of product waste. For example, the partial or full-surface bonding of metal and plastic in the contact areas, the subsequent formation of plastic rivets by melting in the openings in the metal sheet, the connection with screws or snap hooks, and the joining together by flanging flaps on the metal sheet or disclosed at the edges or openings of the plastic structure.
  • these connection techniques either make use other materials, such as adhesives or screws, or additional process steps required.
  • a method for producing a composite component from at least one metal component and at least one plastic structure in which the metal component and the plastic structure are positively placed on or against one another at the point to be joined, optionally locked, and at least one deformation-resistant joining tool is attached to the or the Joints through the metal component and through or at least into the plastic structure and this is removed by a counter-movement again from the recess or opening of the composite component formed.
  • the metal component and plastic structure are in a form-fitting manner on or on top of each other before joining, at least in the area of the joining point.
  • the composite of metal component and plastic structure that has not yet been joined is preferably locked during the joining process, for example with the aid of a tool, so that these component components do not move against one another during joining.
  • Methods and tools known to the person skilled in the art for example presses, clamps, clips or collets, can be used for the purpose of locking.
  • the metal component and plastic structure can also be partially or completely glued together before joining.
  • the joining process takes place in such a way that a deformation-resistant or rigid joining tool is driven at the joint through the adjacent surface of the metal component in or, depending on the thickness of the plastic structure at the joint or the length of the joining tool, through this plastic structure.
  • a positive and non-positive connection is achieved in the method according to the invention in that the metal surface is broken open by the joining tool and the metal edge that forms usually penetrates into the immediately adjacent plastic structure, the walls of the joining tool pressing the metal edge that forms on the plastic structure. If the joining tool also penetrates the plastic structure, the composite structure regularly has an opening at the joining point.
  • the plastic structure at least in the area of the joint, has a temperature above room temperature, i.e. temperature above about 25 ° C.
  • temperatures can also be selected that are just below the melt temperature of the underlying plastic material.
  • the entire plastic structure or the composite of metal component and plastic structure can also have such an elevated temperature.
  • Common methods and heaters can be used to heat the plastic structure and / or metal component. Local or localized heating is possible e.g. by means of laser radiation or ultrasound. Accordingly, with the method proposed according to the invention, both conventional plastic structures, that is to say those which have ambient temperature, and freshly injected tool-falling parts which have an elevated temperature and are therefore generally still relatively soft, but also post-tempered plastic structures, i.e. Those that have been brought to an elevated temperature shortly before joining are joined to form a positive connection with a metal component.
  • the joining tool can have a temperature above room temperature during the joining process.
  • the former can be removed from the joint again by means of a relative movement of the joining tool and the composite component, and a wiper can also be used to support the opposite movement. If, for example, the joining tool is withdrawn from the recess formed, a scraper which is advantageously positioned in the region of the joining point can help that the composite component and the possibly jammed joining tool can be separated again.
  • the stripper can, for example, also completely or partially surround the joining tool in the form of a cylinder or in any other desired geometry, the joining tool being able to move up and down in the stripper.
  • the joining process can be carried out manually, semi-automatically or fully automatically.
  • Several joining tools can be driven into the composite structure simultaneously or in chronological order at different joining points.
  • One or more joining tools can also be part of a machine tool with which the joining tools can be used in any arrangement or in different time sequences.
  • the joining tool is suitably driven into the composite structure perpendicularly or almost perpendicularly to the joining surface.
  • Two or more joining tools can furthermore be aligned parallel or almost parallel during the joining process for producing a composite component. At least two joining tools are preferably not aligned parallel to one another in the joining process with respect to a flat metal component surface.
  • the penetration or penetration process of the joining tool and / or the process of separating the joining tool and the composite component can be superimposed by a rotational movement of the joining tool about its longitudinal axis.
  • the rotational movements when penetrating or penetrating and separating when the joining tool has a thread structure run in opposite directions.
  • Another embodiment of the method according to the invention comprises a wobble, pendulum or gyroscopic movement of the joining tool when the composite structure penetrates or penetrates, but in particular when or after reaching the maximum penetration or Penetration depth, that is, when recording or during the opposite movement.
  • these are the movements of the joining tool in which the longitudinal axis of the joining tool is brought out of its original joining direction.
  • This wobble, pendulum or gyroscopic movement can also be maintained when the joining tool is removed from the recess or the opening in the composite component.
  • the longitudinal axis of the joining tool can, for example, describe the shape of a cylinder, a single or double cone or two triangles pointed to one another.
  • the aforementioned wobble, pendulum or gyroscopic movements of the joining tool are suitable for producing an undercut in one work step, ie together with the joining process.
  • the joint can be supported by an annular support.
  • the entire plastic structure can rest on a support which, for example, only has corresponding openings for the penetrating joining tool in the area of the joining points.
  • the plastic structure is also punctured at the joint, in particular in the event that the height of the metal edge formed approximately corresponds to or is greater than the thickness of the plastic structure at the joint, i.e. the outer end of the metal edge protrudes beyond the plastic structure, this outer end of the metal edge is bent in the direction of the plastic structure.
  • An undercut is created.
  • the angle of the metal edge to the metal surface in the area around the joint is usually less than 90 ° in such cases.
  • This process can be carried out manually as well as automatically, advantageously in one operation with the piercing process.
  • Appropriately shaped tools e.g. Stamp, hammer or pressing tools, which are brought from the side of the plastic structure to the composite component.
  • an undercut can also be made with a tool in the form of a joining tool, possibly even with the joining tool with which the opening was created, e.g. with a mandrel tapering towards the end.
  • the joining tool is inserted into the previously created opening from the side of the plastic structure and, if necessary, set in a wobble, pendulum or gyroscopic movement. In this way, the metal edge is also pressed against the plastic structure.
  • Undercuts can generally always be created when the diameter of the joining tool is at the level of the surface of the metal component when the maximum penetration or Penetration depth is at least twice the thickness of the composite component at the joint.
  • two or more plastic structures which lie one on top of the other at the joint, are joined together with at least one metal component in one work step by selecting a joining tool diameter with which a metal edge can be produced which also penetrates into the lowest plastic structure or the latter preferably penetrates.
  • the plastic structures lie one above the other at the joint without play, so that a non-positive and positive connection is possible.
  • the joining method according to the invention can also be combined with those from the prior art for the production of composite components.
  • a prior art e.g. Composite component manufactured according to EP-A 0 370 352 are additionally reinforced or stiffened by means of joining points produced with the aid of the method according to the invention.
  • a further metal component is added to a composite component produced according to EP-A 0 370 352 using the method according to the invention.
  • the joining tool i.e. the tool that pierces the metal component at the joint is preferably more stable or stiffer in deformation than the composite of metal component and plastic structure at the joint, in order not only to allow it to be punctured once, but also, in particular, to be suitable for continuous use .
  • Suitable as joining tool materials are e.g. Hardened tool steels or hard metals, such as those used in known punching tools.
  • Various tools can be used for the joining process as long as they ensure that a metal edge is formed when the metal component surface is pierced. Suitable are e.g. Tools and joining machines that are used for sheet metal processing or sheet metal forming.
  • the dimensions of the joining tool can be varied within a wide range, as long as there is a non-positive and positive connection between the metal component and the plastic structure. As a rule, it is advisable to adjust the length and diameter of the joining tool to the thickness of the metal component and plastic structure at the joint, so that in particular no metal parts are chipped off or punched out.
  • Metal edges are preferred, the height of which exceeds the thickness of the plastic structure at the connection point, preferably by 1 to 40, in particular by 5 to 25%.
  • the thickness of the plastic structure is a multiple of the aforementioned diameter of the joining tool, e.g. 4 times or more, on the other hand, permanent and force-fit joining is already achieved without the joining tool completely piercing the plastic structure.
  • a joining tool is advantageously used which tapers towards the piercing end, but which has a cylindrical shape at the maximum penetration depth in the area of the metal edge formed.
  • the cross-sectional areas of the joining tool can in general be arbitrarily shaped, in particular in the area penetrating the composite structure, and can take the form of an ellipse, a circle, triangle, square, rectangle, polygon, star or trapezoid, for example. Any combination of cross-sectional geometries is of course also possible in this area.
  • the joining tool has a circular or almost circular cross section, in particular over the area that penetrates into the composite structure.
  • the joining tool tapers preferentially towards the piercing end. Accordingly, the joining tool can e.g. be designed as a thorn.
  • the joining tool in particular in the area that penetrates the composite structure, is essentially rectilinear with respect to its longitudinal axis, although this of course does not exclude that the said joining tool section can be shaped asymmetrically in the longitudinal section, for example as an asymmetrically shaped one Mandrel.
  • the joining tool tapers advantageously towards the piercing end, either in steps or continuously.
  • the joining tool tapers to a point or almost to a point at the piercing end, for example as with a scriber.
  • the joining tool tapers towards the piercing end much faster than in the previous area.
  • these different segments can be formed by successive, flattening truncated cones. Tools shaped in this way are generally also known as grains.
  • the end of the tool can taper to a point or be completely or partially flattened.
  • the area penetrating into the composite structure has different cross-sectional geometries.
  • the joining tool is cylindrical in the section which is at the level of the metal surface and the adjoining plastic structure after the piercing process has been completed. opposing wall elements of the joining tool are aligned essentially parallel there.
  • the end of the joining tool can be designed as a tapering mandrel and the further areas that also penetrate into the composite structure can have the shape of a thread.
  • the entire joining tool can also have a thread structure. If the joining tool has a thread or thread-like area, it is recommended that the joining tool be rotated into the composite structure, at least as soon as the thread area is at the level of the metal surface at the joint.
  • the joining tool head can have flattened side surfaces that face each other in pairs, e.g. in the shape of a rectangle, square, trapezoid, circle or an ellipse. These side surfaces can be aligned parallel to one another or at an acute angle to one another. The distance between these side surfaces is to be selected so that a wedge shape can be formed which enables penetration into the metal component.
  • This joining head area is usually followed by a cylindrical or cuboid shaped shaft area.
  • the shaft does not taper behind the end of the joining head described above.
  • the joining tool is inserted so deeply into the penetration opening or depression that the area adjoining the head also penetrates into the composite structure. In the event of a penetration opening, an undercut is created in this way in one work step.
  • the joining tool tapers behind the flattened, for example wedge, slot or disk-shaped tool head described above, ie in the region of the tool shaft. Accordingly, the diameter of the joining tool tool head subsequent shaft not beyond the maximum diameter of the head, but is less than this. If the composite structure of metal component and plastic structure is pierced with such a tool to form an opening, the joining tool is preferably inserted so deeply into the opening that it can be rotated. Subsequent movements of the joining tool in opposite directions, in particular with a rotation in the region of approximately 90 °, then immediately lead to the formation of an undercut.
  • the rear brackets of the joining tool head are preferably inclined outwards, that is to say form an obtuse angle with the shank. After rotating through 180 ° or a multiple thereof, for example, the joining tool can then be removed from the feedthrough.
  • the joining tool or the joining tool head can also be designed in the sense of a Phillips screwdriver.
  • a further embodiment comprises the use of a joining tool which has the shape of a screw in its penetration or penetration area, in particular a self-tapping or thread-forming screw, e.g. corresponds to a self-tapping screw.
  • a joining tool which has the shape of a screw in its penetration or penetration area, in particular a self-tapping or thread-forming screw, e.g. corresponds to a self-tapping screw.
  • Such joining tools with a flat flank angle are preferred.
  • Joining tools with a screw-like head or with a thread are preferably rotated into the composite structure and rotated out of the recess or opening in the opposite direction.
  • the joining tool has a hole in the center or is a hollow body, e.g. as a hollow cylinder.
  • the remaining metal edge has a size or shape in relation to the recessed interior space that prevents a metal surface from being punched out when it is pierced through the metal surface.
  • a joining tool can be used which, like a pair of scissors, has a joint and is formed from two or more components and which, when folded, can correspond to one of the previously described joining tools.
  • the joint is particularly advantageously to be attached in such a way that it can be positioned in the region of the depression or the piercing opening, preferably in the lower half of the piercing or the depression, after the metal component and plastic structure have penetrated or pierced. If the components of the joining tool are unfolded in this position, they press the metal edge that may protrude also apart and in this way create an even firmer and stiffer connection, possibly even an undercut in the event of a puncture.
  • the previously described joining process and the joining tool can also be used effectively if the metal edge formed corresponds to the piercing path, ie does not protrude beyond the underside of the plastic structure, or is shorter than the piercing path.
  • joining tools in the form of a curved dome or a claw, which preferably tapers towards the end of the piercing. These do not become straight, but e.g. introduced into the composite structure by means of a rotating or swiveling movement and removed from it again with a corresponding opposite movement. In this way, a joint fastening with a partial undercut is obtained, especially when a recess is formed in the plastic structure.
  • Hybrid components obtained in this way have advantages over their known constructions, with the same weight, in terms of their rigidity or strength and, in particular, also in terms of their simplicity in manufacture.
  • the metal component also called metallic body or metal body
  • a metal component made of non-galvanized or galvanized steel, iron, aluminum, titanium or magnesium is usually used.
  • the metal component can also be coated with a commercially available lacquer layer for reasons of corrosion protection or for optical reasons. Such corrosion protection or paint coatings and their attachment are known to the person skilled in the art.
  • the wall thickness of the metal component at the joint can be varied over a wide range, but is usually set so that the joining tool can easily penetrate the metal wall. It is also advisable to match the thicknesses of the metal component and the plastic structure at the joint.
  • THE APPROPRIATE Suitable metal component thicknesses at the location of the joint are in the range from 0.1 mm to 0.5 cm and preferably in the range from 0.2 to 2 mm.
  • the metal component at the joint in particular in the case of very thick or hard metal components, can also be pre-punched or pre-punched.
  • these holes are many times smaller than the diameter of the joining tool used.
  • the shape of the openings in the metallic body are essentially determined by the cross-sectional shape of the joining tool and can e.g. circular or approximately circular.
  • Common diameters of the openings made in the metallic component are usually in the range from 1 to 50, in particular from 2 to 12 mm.
  • plastic structures Injection-molded or deep-drawn molded parts, including foils and semi-finished products (sheets, tubes, plates, rods, etc.) are suitable as plastic structures.
  • the plastic structures are usually constructed from thermoplastic semi-crystalline or amorphous polymers, but can also be formed from thermosets or mixtures of these polymer classes.
  • thermoplastic polymers are suitable as thermoplastic polymers. Suitable thermoplastic polymers are described, for example, in Kunststoff-Taschenbuch, ed. Saechtling, 25th edition, Hanser-Verlag, Kunststoff, 1992, in particular chap. 4 and references cited therein, and described in the Kunststoff-Handbuch, ed. G. Becker and D. Braun, Volumes 1 - 11, Hanser-Verlag, 1966 - 1996.
  • polyoxy alkylenes such as polyoxymethylene, eg Ultraform ® (BASF AG), polycarbonates (PC), polyesters such as polybutylene terephthalate (PBT), for example Ultradur ® (BASF AG), or polyethylene terephthalate (PET), poly olefins such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP), poly (meth) acrylates, e.g. PMMA, polyamides such as polyamide-6 or polyamide-66 (e.g.
  • Ultramid ® 'BASF AG vinyl aromatic (co) polymers such as polystyrene, syndiotactic polystyrene , impact modified polystyrene such as HIPS, or ASA (e.g. Luran ® S; BASF AG), ABS (e.g. Terluran ® ; BASF AG), SAN (e.g.
  • polyarylene ethers such as polyphenylene - ether (PPE), polyphenylene sulfide, polysulfone, polyether sulfone, polyurethane, polylactide, halogen-containing polymer, imide group-containing polymer, cellulose ester, silicone polymer and thermoplastic elastomer.
  • PPE polyphenylene - ether
  • polyphenylene sulfide polysulfone
  • polyether sulfone polyurethane
  • polylactide polylactide
  • halogen-containing polymer imide group-containing polymer
  • imide group-containing polymer cellulose ester
  • silicone polymer thermoplastic elastomer
  • the plastic structures can also contain conventional additives and processing aids.
  • Suitable additives and processing aids are e.g. Lubricants or mold release agents, rubbers, antioxidants, light stabilizers, antistatic agents, flame retardants or fibrous and powdery fillers or reinforcing agents as well as other additives or mixtures thereof.
  • fibrous or powdered fillers and reinforcing materials are carbon or glass fibers in the form of glass fabrics, glass mats or glass silk rovings, cut glass and glass balls.
  • Glass fibers are particularly preferred.
  • the glass fibers used can be made of E, A or C glass and are preferably with a size, e.g. based on epoxy resin, silane, aminosilane or polyurethane and an adhesion promoter based on functionalized silanes. Glass fibers can be incorporated both in the form of short glass fibers and in the form of endless strings (rowings).
  • Suitable particulate fillers are e.g. Carbon black, graphite, amorphous silica, whiskers, aluminum oxide fibers, magnesium carbonate (chalk), powdered quartz, mica, mica, bentonite, talc, feldspar or in particular calcium silicates such as wollastonite and kaolin.
  • plastic structures can also contain colorants or pigments.
  • the aforementioned additives, processing aids and / or colorants are preferably mixed and discharged in an extruder or another mixing device at temperatures of 100 to 320 ° C. while melting the thermoplastic polymer.
  • the use of an extruder is particularly preferred, in particular of a co-rotating, closely intermeshing twin-screw extruder. Processes for producing the plastic molding compositions are well known to the person skilled in the art.
  • Plastic structures including semifinished products of all kinds can be produced from the molding compositions thus obtained, for example by injection molding or deep-drawing. Furthermore, a stiffening ribbing can be molded onto the plastic structure, which is connected to a metallic component to form a hybrid component according to the method according to the invention.
  • the plastic structure has at least one dome-shaped elevation which is open at the top and whose base area can represent a joining surface for interaction with the metal edge formed by the joining tool.
  • a stamp or a support tool can be inserted into the dome-shaped elevations, which at the bottom of the open dome-shaped elevation exerts the counterforce required to form a permanent positive and non-positive connection between the plastic structure and the metal body, if the joining tool first comes from the opposite side is driven through the metal component and then in or through the plastic floor surface of the dome.
  • the plastic structure has two or more dome-shaped elevations which are open at the top, at least two of which are connected to one another by a stiffening plastic rib, the underside of which can also rest on the metal component.
  • the dome-shaped elevations particularly preferably represent intersection points of rib-shaped plastic structures.
  • the open, dome-shaped elevations can also not only be used or sprayed on at the crossing points of a rib stiffening the plastic structure, but also on the stiffening ribs between the crossing points, so that several joints are formed at which the plastic structure and the Metal bodies can be positively and non-positively connected to each other.
  • the plastic structures can of course also be connected to the metal component at further joints in the inventive or conventional manner.
  • the plastic ribs of the ribs stiffening the plastic structure preferably have on their upper edge, that is to say in the area of the highest loads, a wall lying flat and essentially perpendicular to this ribs. On the one hand, this reduces the maximum stresses in the loaded plastic and, on the other hand, prevents the ribbing from buckling or buckling under load.
  • the plastic structure can be designed such that, in addition to the plastic ribs at the upper end of the ribs or domes, it has a closed surface in the manner of a cover which is provided with openings or passages only at the upper ends of the domes. In combination with a U-shaped metal body, this creates a quasi-closed hollow profile.
  • the edge areas of the lid and metal body are also in the inventive or conventional manner, e.g. by means of subsequent injection molding, connected to one another.
  • Composite components in sandwich construction can also be produced in such a way that they consist of a plastic structure arranged in the center or in the core and two associated, preferably flat metal sheets on the outside.
  • the plastic structure serving as a spacer has, for example, the domes described above for the formation of the joints, preferably one part of the domes being open at the top and having a bottom surface on the lower end face and the other part of the domes being formed in exactly the opposite sense , ie is open at the bottom and has a floor surface at the top.
  • the metal sheets can be successively connected to the plastic structure using a joining tool.
  • a tool can be used that has several joining tools on opposite tool sides, with which the sandwich structure is obtained in a positive and non-positive manner in one work step, with stamps being inserted and resting on the opposite side.
  • domes-containing composite components in the case of the above-mentioned domes-containing composite components, they can be produced on the
  • Figures 1.1, 1.2 and 1.3 a metal base body (1), a plastic structure (2) and a joining tool (3) in the area of the connection point before, during and after joining, the joining tool radius being smaller than the thickness of the Composite of metal component and plastic structure at the joint is
  • FIGS. 2.1, 2.2 and 2.3 a metal base body (1), the plastic structure (2) and a joining tool (3) in the area of the connection point before, during and after the joining with a positive and non-positive connection of the metal component and Plastic structure, whereby the joining tool radius is greater than the thickness of the composite of metal component and plastic structure and
  • FIG. 3 composite structure according to FIG. 2.3, in which the protruding metal edge collar has been pressed with a stamp tool (4) in the direction of the underside of the plastic structure,
  • FIGS. 4.1 and 4.2 a metal base body (1) and the plastic structure (2) in the area of the connecting parts after joining with a positive and non-positive connection, the joining tool radius being in the area of the thickness of the composite made of metal component and plastic. Structure lies at the joint and where
  • the metal edge collar is pressed with a stamping tool (4) towards the underside of the plastic structure
  • FIG. 5 shows a composite component made of a round metal body.
  • Figure 6 shows a metal component (1) with a U-shaped
  • Profile created by connecting to a Plastic structure (2) in the form of a base plate becomes a composite component with a closed cross-sectional profile.
  • the plastic plate has ribs (5) for further stabilization.
  • the joining process is carried out both in the overlapping edge areas (6), the floor area in the area of the dome supports (7) and the side walls (8).
  • 1.1 shows a metal component (1) and a plastic structure (2) in the area of the connection point before the joining process.
  • the joining tool (3) is reproduced as part of the overall tool before the actual joining operation. From the representation according to FIGS. 1.1 to 1.3, the wall thickness of the plastic structure between the top and bottom at the joint as well as the maximum radius of the area of the joining tool that penetrates into the composite structure can be seen in more detail.
  • the composite structure rests on two supports (9) and is locked by two supports (10).
  • Figures 2.1 to 2.3 show a metal base body and the plastic structure in the area of the connection point after joining in a positive and non-positive connection.
  • the joining tool has completely penetrated the plastic structure.
  • a metal edge collar protrudes beyond the underside of the plastic structure.
  • the base bearing the plastic structure in the area of the joint shows an opening (11) between the supports (9) into which the joining tool tip can penetrate.
  • FIG. 3 shows a composite component according to FIG. 2.3, in which an undercut has been produced with the aid of a stamping tool (4). Because the metal edge protrudes beyond the underside of the plastic structure, the protruding edge can be bent outwards manually or automatically. The deformed contour tightens or claws the metal edge in the plastic wall, creating a particularly permanent, positive and non-positive connection.
  • Figures 4.1 and 4.2 show a composite component in which the metal edge collar formed corresponds approximately to the thickness of the composite component at the joint.
  • a mandrel-like punch tool (4) With the help of a mandrel-like punch tool (4), the metal edge lying against the plastic structure was widened from the side of the plastic structure underside.
  • a similar result can also be achieved by using the actual joining tool (3) when reaching the maximum penetration depth before pulling out a executes movement, the longitudinal axis of the joining tool roughly describing the shape of a double cone.
  • FIG. 5 shows a composite component with two adjacent joining points, the respective joining tools not being aligned perpendicular to the respective joining surface and the joining directions not running parallel. In this way, a particularly positive and non-positive connection is obtained.
  • FIG. 6 shows a U-shaped metal structure (1) which, together with a plastic base plate (2) having a rib structure (5), forms a composite component.
  • the plastic structure has domes (7), the base plates of which lie against the inside of the metal profile. Joints are provided in the area of the dome floor panels (7), the edge supports (6) and in the area of the metal side walls (8) which are in contact with the rib structure. A particularly rigid and resilient composite structure is obtained.
  • the composite components described can be used in a variety of ways, for example as components or component components in automobile, aircraft or shipbuilding or in the production of furniture, household or electrical appliances.
  • Applications in automobile construction for example Front end modules, front end supports, seat shells, seat structures, instrument panels, door function supports, door function modules, tailgates or side doors.
  • the composite components presented have the advantage over the known hybrid components that the plastic structure can be designed largely free of restrictions since the plastic structure according to the present invention can be manufactured in a separate production step. As a result, the plastic structure according to the invention can be designed to be more load-bearing than those from the prior art. This advantage is expressed in the composite component obtained by higher rigidity or strength with a comparable component weight. Joints can also be created in difficult to access component positions, if necessary manually or semi-automatically, with little effort. If there are several joining points in one component, the joining surfaces can be arranged in any way relative to one another, without making the composite component more difficult or making series production out of the question.
  • Another advantage is that, since there are no additional processing steps, for example gluing steps, short cycle times can be achieved in series production.
  • the white No additional parts or components are required for joining the plastic structure and metal component.
  • the method according to the invention is generally less sensitive to deviations in the positioning of the punched edge and the plastic structure.
  • any plastic structures can be used, regardless of the manufacturing process, whereby fiber-reinforced plastics are equally suitable.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles aus einem Metallbauteil (1) und einer Kunststoffstruktur (2), bei dem man das Metallbauteil (1) und die Kunststoffstruktur (2) an der zu fügenden Stelle formschlüssig an- oder aufeinander legt, gegebenenfalls arretiert, mindestens ein verformungsfestes Fügewerkzeug (3) an der der bzw. den Fügstellen durch das Metallbauteil (1) und durch ofer zumindest in die Kunststoffstuktur (2) treibt und dieses durch eine gegenläufige Bewegung wieder aus der gebildeten Vertiefung bzw. Öffnung in dem Verbundbauteil entfernt.

Description

Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen aus Metall und Kunststoff sowie diese Verbundbauteile
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles aus einem Metallbauteil und einer KunststoffStruktur, diese Verbundbauteile und deren Verwendung als Bauteile oder Bauteilekomponenten im Automobil-, Flugzeug- oder Schiffbau oder bei der Herstellung von Möbeln, Haushalts- oder Elektrogeräten.
Verbundformteile aus Metall und Kunststoff sind dem Fachmann bekannt und werden u.a. als so genannte Hybridbauteile im Automobilbau, z.B. in Form von Front-End-Modulen, eingesetzt.
Durch die Kombination der Werkstoffe Metall und Kunststoff lassen sich Produkte mit niedrigem Eigengewicht, großer Steif gkeit und hoher Belastbarkeit kostengünstig herstellen. Das Kunststoffformteil kann des weiteren dazu genutzt werden, um bereits zu einem frühen Zeitpunkt im Herstellungsprozess Zusatzfunktionen wie Scharnierteile, Lagerstellen, Kabelklemmen oder Schnapp- und Schraubverbindungen in das Bauteil zu integrieren.
Ein Verfahren zur Herstellung solcher Verbundformteile wird z.B. in der Offenlegungsschrift EP-A 0 370 352 beschrieben, wonach ein dünnes mit Durchlässen versehenes Metallblech in eine schalenför- mige Spritzgussform eingelegt und der schmelzeförmige Kunststoff entsprechend angespritzt wird. Dieses Verfahren ist sehr komplex und verschleißanfällig. Es erfordert einen hohen Einsatz in Bezug auf die Werkzeuginstandhaltung. Ein hoher Anteil an Ausschussware lässt sich häufig nicht vermeiden. Außerdem benötigt man für jede neue Modellvariante bzw. -änderung ein neues, zumeist kompliziertes Spritzgusswerkzeug. Eine Serienfertigung ist daher häufig mit unwägbaren Risiken behaftet.
In der noch unveröffentlichten europäischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 00119476.0 werden weitere Metall/Kunststoff-Verbindungstechniken beschrieben. Diese sollen zu einem geringeren Anteil an Produktausschuss führen. Beispielsweise wird das par- tielle oder vollflächige Verkleben von Metall und Kunststoff in den Kontaktbereichen, das nachträgliche Ausbilden von Kunststoff - nieten mittels Aufschmelzens in den Durchbrüchen des Metall - blechs, das Verbinden mit Schrauben oder Schnapphaken sowie das Zusammenfügen durch Umbördeln von Laschen am Metallblech oder an den Rändern oder Durchbrüchen der KunststoffStruktur offenbart. Diese Verbindungstechniken machen jedoch entweder die Verwendung weiterer Materialien, z.B. Klebstoffe oder Schrauben, oder zusätzlicher Verfahrensschritte erforderlich.
Bei einem steigenden Bedarf an hochintegrierten Leichtbauteilen nicht nur in der Automobilindustrie wäre es wünschenswert, auf eine praktikable Verbindungstechnik zurückgreifen zu können, die flexibel gehandhabt werden kann, komplizierte Verbundbauteilgeometrien zulässt und sich ohne weiteres für die Serienproduktion eignet.
Es bestand daher die Aufgabe, ein einfaches und kostengünstiges Fügeverfahren für die Herstellung von Verbundbauteilen aus Metall und Kunststoff zur Verfügung zu stellen, mit dem sich insbesondere auch sehr komplexe Bauteilgeometrien auf einfache Weise großtechnisch wie auch in Kleinserien verwirklichen lassen.
Demgemäß wurde ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles aus mindestens einem Metallbauteil und mindestens einer KunststoffStruktur gefunden, bei dem man das Metallbauteil und die KunststoffStruktur an der zu fügenden Stelle formschlüssig an- oder aufeinander legt, gegebenenfalls arretiert, mindestens ein verformungsfestes Fügewerkzeug an der bzw. den Fügestellen durch das Metallbauteil und durch oder zumindest in die KunststoffStruktur treibt und dieses durch eine gegenläufige Bewegung wieder aus der gebildeten Vertiefung bzw. Öffnung des Verbundbauteils entfernt.
Des weiteren wurden die nach diesem Verfahren hergestellten Verbundbauteile sowie deren Verwendung als Bauteile oder Bauteile- komponenten im Automobil-, Flugzeug- oder Schiffbau oder bei der Herstellung von Möbeln, Haushalts- oder Elektrogeräten gefunden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegen Metallbauteil und KunststoffStruktur vor dem Fügen zumindest im Bereich der Füge- stelle formschlüssig an- oder aufeinander. Der noch nicht zusammengefügte Verbund aus Metallbauteil und KunststoffStruktur wird vorzugsweise während des Fügevorgangs, beispielsweise mit Hilfe eines Werkzeugs, arretiert, so dass diese Bauteilkomponenten sich beim Fügen nicht gegeneinander verschieben. Zwecks Arretierung kann auf dem Fachmann bekannte Verfahren und Werkzeuge, beispielsweise Pressen, Klammern, Klips oder Spannzangen, zurückgegriffen werden. Metallbauteil und KunststoffStruktur können vor dem Fügen auch partiell oder vollständig miteinander verklebt sein. Der Fügevorgang geschieht in der Weise, dass ein verformungsstabiles oder -steifes Fügewerkzeug an der Fügestelle durch die anliegende Fläche des Metallbauteils hindurch in oder, je nach Dicke der KunststoffStruktur an der Fügestelle oder der Länge des Fügewerkzeugs, durch diese KunststoffStruktur getrieben wird. Eine form- und kraftschlüssige Verbindung kommt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch zustande, dass die Metallfläche durch das Fügewerkzeug aufgebrochen wird und der sich bildende Metallrand üblicherweise in die unmittelbar anliegende KunststoffStruktur eindringt, wobei die Wandungen des Fügewerkzeugs den sich bildenden Metallrand an die KunststoffStruktur anpressen. Durchdringt das Fügewerkzeug auch die KunststoffStruktur weist die Verbundstruktur an der Fügestelle regelmäßig eine Öffnung auf .
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die KunststoffStruktur zumindest im Bereich der Fügestelle eine oberhalb Raumtemperatur, d.h. oberhalb von etwa 25°C liegende Temperatur auf. Je nach Kunststoffmaterial können auch Temperaturen gewählt werden, die knapp unterhalb der Schmelzetemperatur des zugrunde liegenden Kunststoffmaterials liegen. Selbstverständlich kann auch die gesamte Kunststoffstrukur oder der Verbund aus Metallbauteil und KunststoffStruktur eine solche erhöhte Temperatur aufweisen. Zur Erwärmung von KunststoffStruktur und/oder Metallbauteil kann auf gängige Verfahren und Heizgeräte zurückgegriffen werden. Punk- tuelle bzw. örtlich begrenzte Erwärmungen gelingen z.B. mittels LaserStrahlung oder Ultraschall. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können demgemäß sowohl herkömmliche KunststoffStrukturen, also solche, die Umgebungstemperatur aufweisen, als auch spritzfrische werkzeugfallende Teile, die eine erhöhte Temperatur aufweisen und daher in der Regel noch relativ weich sind, aber auch nachträglich getemperte KunststoffStrukturen, d.h. solche, die erst kurz vor dem Fügen auf eine erhöhte Temperatur gebracht worden sind, zu einer form- und kraftschlüs- sigen Verbindung mit einem Metallbauteil zusammengefügt werden.
Des weiteren kann das Fügewerkzeug beim Fügevorgang über eine oberhalb Raumtemperatur liegende Temperatur verfügen.
Über eine Relativbewegung von Fügewerkzeug und Verbundbauteil kann ersteres wieder aus der Fügestelle entfernt werden, wobei man sich zur Unterstützung der gegenläufigen Bewegung zusätzlich auch eines Abstreifers bedienen kann. Wird beispielsweise das Fügewerkzeug aus der gebildeten Vertiefung zurückgezogen, kann ein günstigerweise im Bereich der Fügestelle positionierter Abstreifer helfen, dass das Verbundbauteil und das gegebenenfalls eingeklemmte Fügewerkzeug sich wieder voneinander trennen lassen. Der Abstreifer kann z.B. auch in Form eines Zylinders oder in einer sonstigen beliebigen Geometrie das Fügewerkzeug komplett oder teilweise umgeben, wobei das Fügewerkzeug sich in dem Abstreifer auf und ab bewegen kann.
Der Fügevorgang kann sowohl manuell, halbautomatisch oder vollautomatisch durchgeführt werden. Mehrere Fügewerkzeuge können gleichzeitig oder in zeitlicher Abfolge an unterschiedlichen Fügestellen in die Verbundstruktur getrieben werden. Ein oder mehrere Fügewerkzeuge können auch Bestandteil einer Werkzeugmaschine sein, mit der die Fügewerkzeuge in beliebiger Anordnung oder unterschiedlicher zeitlicher Abfolge benutzt werden.
Geeigneter Weise treibt man das Fügewerkzeug senkrecht oder nahezu senkrecht zur Fügefläche in die Verbundstruktur.
Zwei oder mehrere Fügewerkzeuge können des weiteren parallel oder nahezu parallel beim Fügevorgang zur Herstellung eines Verbundbauteils ausgerichtet sein. Bevorzugt sind mindestens zwei Füge- Werkzeuge beim Fügevorgang in Bezug auf eine ebene Metallbauteil - Oberfläche nicht parallel zueinander ausgerichtet.
Der Ein- oder Durchdringvorgang des Fügewerkzeugs und/oder der Vorgang des Trennens von Fügewerkzeug und Verbundbauteil können durch eine Drehbewegung des Fügewerkzeugs um seine Längsachse überlagert sein. Vorteilhafter Weise verlaufen die Drehbewegungen beim Ein- bzw. Durchdringen und Trennen, wenn das Fügewerkzeug über eine Gewindestruktur verfügt, gegensinnig.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens um- fasst eine Taumel-, Pendel- oder Kreiselbewegung des Fügewerkzeugs beim Ein- oder Durchdringen der Verbundstruktur, insbesondere jedoch bei bzw. nach Erreichen der maximalen Eindringbzw. Durchdringtiefe, also bei Aufnahme oder während der gegen- läufigen Bewegung. Grundsätzlich sind dieses solche Fügewerkzeug- bewegungen, bei denen die Längsachse des Fügewerkzeugs aus ihrer ursprünglichen Fügerichtung gebracht wird. Diese Taumel-, Pendeloder Kreiselbewegung kann auch noch beim Entfernen des Fügewerkzeugs aus der Vertiefung oder der Öffnung im Verbundbauteil bei- behalten werden. Bei der Taumel-, Pendel- oder Kreiselbewegung kann die Längsachse des Fügewerkzeugs beispielsweise die Form eines Zylinders, eines Einfach- oder Doppelkegels oder zweier spitz aufeinander stehender Dreiecke beschreiben. Die vorgenannten Taumel-, Pendel- oder Kreiselbewegungen des Fügewerkzeugs sind geeignet, in einem Arbeitsgang, d.h. zusammen mit dem Füge- prozess einen Hinterschnitt zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere wenn die KunststoffStruktur durchstoßen wird oder wenn die Kunststoff - Struktur konstruktions- oder materialbedingt selber keine tragende Funktion wahrnehmen kann, befinden sich im Bereich der Fügestelle bzw. um diese herum auf der Seite der KunststoffStruktur ein oder mehrere Auflagepunkte, auch Unterlage oder Träger- Stempel genannt, für das Verbundbauteil. Beispielsweise kann die Fügestelle durch eine ringförmige Auflage abgestützt werden. Des weiteren kann die gesamte KunststoffStruktur auf einer Auflage aufliegen, die beispielsweise nur im Bereich der Fügestellen entsprechende Auslassungen für das durchdringende Fügewerkzeug aufweist.
Wird auch die KunststoffStruktur an der Fügestelle durchstoßen, kann insbesondere für den Fall, dass die Höhe des gebildeten Metallrandes der Dicke der KunststoffStruktur an der Fügestelle in etwa entspricht oder größer ist, d.h. das äußere Ende des Metallrandes über die KunststoffStruktur hinausragt, dieses äußere Ende des Metallrandes in Richtung auf die anstehende Kunst- stoffStruktur umgebogen werden. Es entsteht ein so genannter Hinterschnitt. Der Winkel des Metallrandes zur Metallfläche im Bereich um die Fügestelle ist in solchen Fällen in der Regel kleiner 90°. Dieser Vorgang kann manuell wie auch automatisiert, günstiger Weise in einem Arbeitsgang mit dem Durchstoßvorgang, vor- genommen werden. Zur Erzeugung solcher Hinterschnitte greift man bevorzugt auf entsprechend geformte Werkzeuge, z.B. Stempel, Hammer oder Presswerkzeuge zurück, die von der Seite der Kunststoff - Struktur an das Verbundbauteil herangeführt werden. Des weiteren kann ein Hinterschnitt auch mit einem Werkzeug in der Form eines Fügewerkzeugs, gegebenenfalls sogar mit dem Fügewerkzeug, mit dem die Öffnung herbeigeführt worden ist, z.B. mit einem sich zum Ende hin verjüngenden Dorn, herbeigeführt werden. Dazu wird das Fügewerkzeug von der Seite der KunststoffStruktur in die vorab erzeugte Öffnung eingeführt und gegebenenfalls in eine Taumel-, Pendel- oder Kreiselbewegung versetzt. Auf diese Weise wird der Metallrand ebenfalls an die KunststoffStruktur angedrückt.
Hinterschnitte lassen sich im allgemeinen stets dann erzeugen, wenn der Durchmesser des Fügewerkzeugs auf der Höhe der Ober- fläche des Metallbauteils bei Erreichen der maximalen Eindringbzw. Durchdringtiefe mindestens doppelt so groß wie die Dicke des Verbundbauteils an der Fügestelle ist.
Über Hinterschnitte gelingt es, die Steifigkeit und Stabilität der erfindungsgemäßen Verbundbauteile nochmals zu erhöhen. In einer weiteren Ausführungsform werden zwei oder mehrere KunststoffStrukturen, die an der Fügestelle aufeinander liegen, in einem Arbeitsgang mit mindestens einem Metallbauteil zusammengefügt, indem man einen Fügewerkzeugdurchmesser wählt, mit dem ein Metallrand erzeugt werden kann, der auch noch in die unterste KunststoffStruktur eindringt oder diese vorzugsweise durchdringt. Die KunststoffStrukturen liegen zu diesem Zweck an der Fügestelle spielfrei übereinander, so dass eine kraft- und formschlüssige Verbindung möglich wird.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Fügeverfahren auch mit solchen aus dem Stand der Technik zur Herstellung von Verbundbauteilen kombiniert werden. Beispielsweise kann ein nach dem Stand der Technik, z.B. gemäß EP-A 0 370 352 gefertigtes Verbund- bauteil zusätzlich über mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Fügepunkte verstärkt bzw. versteift werden. Oder an ein gemäß EP-A 0 370 352 hergestelltes Verbundbauteil wird ein weiteres Metallbauteil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angefügt.
Das Fügewerkzeug, d.h. das Werkzeug, das das Metallbauteil an der Fügestelle durchstößt, ist vorzugsweise verformungsstabiler oder -steifer als der Verbund aus Metallbauteil und KunststoffStruktur an der Fügestelle, um nicht nur ein einmaliges Durchstoßen zu er- möglichen, sondern um insbesondere auch für einen Dauereinsatz in Frage zu kommen. Geeignet als Fügewerkzeugmaterialien sind z.B. gehärtete Werkzeugstähle oder Hartmetalle, wie sie beispielsweise in bekannten Stanzwerkzeugen zum Einsatz kommen.
Für den Fügevorgang können Fügewerkzeuge in unterschiedlichster Form eingesetzt werden, solange diese gewährleisten, dass beim Durchstoßen der Metallbauteiloberfläche ein Metallrand gebildet wird. Geeignet sind z.B. Werkzeuge und Fügemaschinen, die zur Blechbearbeitung bzw. Blechumformung verwendet werden.
Die Abmessungen des Fügewerkzeugs können in weiten Bereichen variiert werden, solange eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen Metallbauteil und KunststoffStruktur zustande kommt. In der Regel empfiehlt es sich, Länge und Durchmesser des Fügewerk- zeugs auf die Dicke von Metallbauteil und KunststoffStruktur an der Fügestelle abzustellen, so dass inbesondere keine Metallteile abgeschlagen oder ausgestanzt werden.
Ist der größte Durchmesser desjenigen Fügewerkzeugabschnitts, der in die Verbundstruktur eindringt oder der sich bei Erreichen der maximalen Eindring- bzw. Durchdringtiefe auf der Höhe der Oberfläche des anstehenden Metallbauteils befindet, in etwa gleich dem oder größer als das Doppelte der Gesamtdicke von Metallbau- teil und KunststoffStruktur an der Fügestelle, ist es vorteilhaft, auch die KunststoffStruktur vollständig zu durchstoßen und nicht nur in diese mit dem Fügewerkzeug einzudringen, um die Aus- bildung eines Hinterschnitts zu ermöglichen.
Bevorzugt sind Metallränder, deren Höhe die Dicke der Kunststoff - Struktur an der Verbindungsstelle übertrifft, vorzugsweise um 1 bis 40, insbesondere um 5 bis 25 %.
Insbesondere, wenn die Dicke der KunststoffStruktur gegenüber dem vorgenannten Durchmesser des Fügewerkzeugs ein Vielfaches beträgt, z.B. 4-fach oder mehr, wird dagegen eine dauerhafte und kraftschlüssige Fügung bereits erreicht, ohne dass das Fügewerk- zeug die KunststoffStruktur komplett durchstößt. In diesem Fall wird vorteilhafter Weise ein Fügewerkzeug eingesetzt, das sich zwar zum Durchstoßende hin verjüngt, das jedoch bei maximaler Eindringtiefe im Bereich des gebildeten Metallrandes eine Zylinderform aufweist.
Die Querschnittsflächen des Fügewerkzeugs können insbesondere in dem in die Verbundstruktur eindringenden Bereich im allgemeinen beliebig geformt sein und beispielsweise die Form einer Ellipse, eines Kreises, Dreiecks, Quadrats, Rechtecks, Vielecks, Sterns oder Trapezes annehmen. Selbstverständlich sind in diesem Bereich auch beliebige Kombinationen an Querschnittsgeometrien möglich. In einer Ausführungsform hat das Fügewerkzeug, insbesondere über den Bereich, der in die Verbundstruktur eindringt, einen kreisrunden oder nahezu kreisrunden Querschnitt. Das Fügewerkzeug ver- jungt sich bevorzugt zum Durchstoßende hin. Demgemäß kann das Fügewerkzeug z.B. als Dorn ausgebildet sein.
Vorteilhafter Weise ist das Fügewerkzeug insbesondere in dem Bereich, der in die Verbundstruktur eindringt, in Bezug auf seine Längsachse im wesentlichen geradlinig ausgebildet, wobei dieses selbstverständlich nicht ausschließt, dass der genannte Fügewerk- zeugabschnitt im Längsschnitt asymmetrisch geformt sein kann, beispielsweise als ein asymmetrisch geformter Dorn. Das Fügewerkzeug verjüngt sich vorteilhafter Weise zum Durchstoßende hin, entweder in Stufen oder stetig. In einer Ausführungsform läuft das Fügewerkzeug am Durchstoßende spitz bzw. nahezu spitz zu, z.B. wie bei einer Anreißnadel. In einer weiteren Ausführungsform verjüngt sich das Fügewerkzeug zum Durchstoßende hin wesentlich schneller als im vorangehenden Bereich. Beispielsweise können diese unterschiedlichen Segmente durch aufeinanderfolgende, flacher werdende Kegelstümpfe gebildet werden. Derartig geformte Werkzeuge sind im allgemeinen auch als Körner bekannt. Das Füge- werkzeugende kann bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen spitz zulaufen oder vollständig oder teilweise abgeflacht vorliegen.
In einer weiteren Ausführungsform weist der in die Verbundstruktur eindringende Bereich unterschiedliche Querschnittsgeometrien auf. Beispielsweise ist in einer bevorzugten Ausführungsform das Fügewerkzeug in dem Abschnitt, der sich nach vollendetem Durchstoßvorgang auf der Höhe der Metallfläche und der angrenzenden KunststoffStruktur befindet, zylindrisch ausgebildet, d.h. sich gegenüberliegende Wandelemente des Fügewerkzeugs sind dort im wesentlichen parallel ausgerichtet.
Des weiteren kann das Fügewerkzeugende als spitz zulaufender Dorn ausgestaltet sein und der weitere, ebenfalls in die Verbundstruktur eindringende Bereiche die Form eines Gewindes aufweisen. Selbstverständlich kann auch das gesamte Fügewerkzeug eine Gewindestruktur aufweisen. Verfügt das Fügewerkzeug über einen Gewinde- oder gewindeähnlichen Bereich, empfiehlt es sich, das Fügewerkzeug, zumindest sobald der Gewindebereich sich auf der Höhe der anstehenden Metalloberfläche an der Fügestelle befindet, drehend in die Verbundstruktur einzubringen.
Eine weitere Ausführungsform u fasst ein Fügewerkzeug, das in seinem vorderen Eindring- oder Durchstoßbereich keilförmig ausgebildet ist, beispielsweise in der Form eines Schlitzschraubendre- hers. Der Fügewerkzeugkopf kann in diesem Fall sich paarweise gegenüberstehende abgeflachte Seitenflächen z.B. in der Form eines Rechtecks, Quadrats, Trapezes, Kreises oder einer Ellipse auf- weisen. Diese Seitenflächen können parallel zueinander ausgerichtet sein oder in einem spitzen Winkel zueinander stehen. Der Abstand zwischen diesen Seitenflächen ist so zu wählen, dass eine Keilform ausgebildet werden kann, die ein Eindringen in das Metallbauteil ermöglicht. An diesen Fügekopfbereich schließt sich üblicherweise ein zylindrisch oder quaderförmig gestalteter Schaftbereich an. In einer Ausführungsform verjüngt sich der Schaft hinter dem Ende des vorbeschriebenen Fügekopfes nicht. In diesen Fall führt man das Fügewerkzeug derart tief in die Durchstoßöffnung oder Vertiefung ein, dass auch der sich an den Kopf anschließende Bereich in die Verbundstruktur eindringt. Im Fall einer Durchstoßöffnung entsteht bereits auf diese Weise in einem Arbeitsgang ein Hinterschnitt.
In einer weiteren Ausführungsform verjüngt sich das Fügewerkzeug hinter dem vorgehend beschriebenen abgeflachten, z.B. keil-, schlitz- oder scheibenförmigen Werkzeugkopf, d.h. im Bereich des Werkzeugschaftes. Demnach ragt der Durchmesser des dem Fügewerk- zeugkopf nachfolgenden Schaftes nicht über den maximalen Durchmesser des Kopfes hinaus, sondern ist geringer als dieser. Wird die Verbundstruktur aus Metallbauteil und KunststoffStruktur mit einem derartigen Werkzeug unter Ausbildung einer Öffnung durch- stoßen, führt man das Fügewerkzeug bevorzugt so tief in die Öffnung ein, dass es gedreht werden kann. Anschließende gegenläufige Bewegungen des Fügewerkzeugs, insbesondere bei einer Drehung im Bereich um etwa 90° führen dann unmittelbar zur Ausbildung eines Hinterschnitts. Bevorzugt sind die rückwärtigen Bügel des Füge- werkzeugkopfes nach außen geneigt, bilden also einen stumpfen Winkel mit dem Schaft. Nach Drehung um z.B. 180° oder ein Vielfaches davon kann das Fügewerkzeug dann wieder aus der Durchführung entfernt werden.
In gleicher Weise wie vorgehend für ein schlitzSchraubendreher- ähnliches Fügewerkzeug beschrieben, kann das Fügewerkzeug bzw. der Fügewerkzeugkopf auch im Sinne eines Kreuzschlitzschraubendrehers ausgebildet sein.
Eine weitere Ausführungsform umfasst die Verwendung eines Füge- werkzeugs, das in seinem Eindring- oder Durchstoßbereich der Form einer Schraube, insbesondere einer selbstschneidenden oder gewindeformenden Schraube, z.B. einer Blechschraube entspricht. Bevorzugt sind hierbei solche Fügewerkzeuge mit einem flachen Flanken- winkel. Fügewerkzeuge mit einem schraubenähnlichen Kopf bzw. mit einem Gewinde werden bevorzugt drehend in die Verbundstruktur ein- und gegensinnig drehend wieder aus der Vertiefung oder Öffnung herausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Fügewerkzeug mittig eine Bohrung auf oder ist als Hohlkörper, z.B. als Hohlzylinder, ausgebildet. Der verbleibende Metallrand hat allerdings im Verhältnis zum ausgesparten Innenraum eine Größe bzw. eine Form aufzuweisen, die beim Durchstoßen durch die Metallfläche ein Aus- stanzen einer Metallfläche verhindert.
Des weiteren kann ein Fügewerkzeug verwendet werden, das wie bei einer Schere über ein Gelenk verfügt und aus zwei oder mehreren Komponenten gebildet wird und das im zusammengeklappten Zustand einem der vorgehend beschriebenen Fügewerkzeuge entsprechen kann. Bei diesem Fügewerkzeug ist das Gelenk besonders vorteilhaft derart anzubringen, dass es nach dem Eindringen oder Durchstoßen von Metallbauteil und KunststoffStruktur im Bereich der Vertiefung oder der Durchstoßöffnung, bevorzugt in der unteren Hälfte des Durchstoßes oder der Vertiefung positioniert werden kann. Klappt man die Bauteile des Fügewerkzeugs in dieser Position auseinander, drücken sie den gegebenenfalls überstehenden Metallrand ebenfalls auseinander und erzeugen auf diese Weise eine noch festere und steifere Verbindung, bei einem Durchstoß gegebenenfalls sogar einen Hinterschnitt. Selbstverständlich kann der vorgehend beschriebene Fügevorgang sowie das Fügewerkzeug auch dann wir- kungsvoll eingesetzt werden, wenn der gebildete Metallrand dem Durchstoßweg entspricht, d.h. nicht über die Unterseite der KunststoffStruktur hinausragt, oder kürzer ist als der Durchstoß - weg.
Alternativ kann auch auf Fügewerkzeuge in der Form eines gebogenen Domes oder einer Kralle, die sich vorzugsweise zum Durchstoßende hin verjüngt, zurückgegriffen werden. Diese werden nicht geradlinig, sondern z.B. mittels einer Dreh- oder Schwenkbewegung in die Verbundstruktur eingebracht und mit einer entsprechenden gegenläufigen Bewegung wieder aus dieser entfernt. Auf diese Weise erhält man insbesondere auch bereits bei Ausbildung einer Vertiefung in der KunststoffStruktur eine Fügebefestigung mit einem partiellen Hinterschnitt.
Solcherart erhaltene Hybridbauteile weisen gegenüber entsprechenden bekannten Konstruktionen bei gleichem Gewicht Vorteile hinsichtlich ihrer Steifigkeit bzw. Festigkeit und insbesondere auch hinsichtlich der Einfachheit in der Herstellung auf.
Das Metallbauteil, auch metallischer Körper oder Metallkörper genannt, kann aus jedwedem Metall oder Legierung gefertigt sein, sofern diese im festen Zustand nach Druchdringung mit einem Füge- werkzeug einen Metallrand liefert, der hart genug ist, um mit der KunststoffStruktur eine kraft- und formschlüssige Verbindung ein- gehen zu können. Üblicherweise wird ein Metallbauteil aus unver- zinktem oder verzinktem Stahl, Eisen, Aluminium, Titan oder Magnesium verwendet. Das Metallbauteil kann aus Gründen des Korrosionsschutzes oder aus optischen Gründen auch mit einer handelsüblichen Lackschicht überzogen sein. Derartige Korrosionsschutz- oder Farbüberzüge sowie deren Anbringung sind dem Fachmann bekannt.
Es hat unter den Fügebedingungen eine Festigkeit aufzuweisen, die die beim Durchbruch erzeugten Metallränder mit einer ausreichen- den Festigkeit und Steifigkeit ausstattet. Die Wanddicke des Metallbauteils an der Fügestelle kann in weiten Bereichen variiert werden, wird jedoch in der Regel so eingestellt, dass das Fügewerkzeug ohne weiteres die Metallwand durchdringen kann. Zudem empfiehlt es sich, die Dicken von Metallbauteil und Kunst- stoffStruktur an der Fügestelle aufeinander abzustimmen. Geei- gnete Metallbauteildicken am Ort der Fügestelle liegen im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 cm und bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 2 mm.
Anstelle von durchgängigen, einheitlichen Metallflächen kann das Metallbauteil an der Fügestelle, insbesondere bei sehr dicken oder harten Metallbauteilen, auch bereits vorgelocht oder vorgestanzt sein. Diese Löcher sind jedoch um ein Vielfaches kleiner als der Durchmesser des verwendeten Fügewerkzeugs.
Die Form der Durchbrüche im metallischen Körper werden im wesentlichen von der Querschnittsform des Fügewerkzeugs bestimmt und können z.B. kreisrund oder annähernd kreisrund ausgeführt sein.
Gängige Durchmesser der im metallischen Bauteil erzeugten Durch- brüche liegen üblicherweise im Bereich von 1 bis 50, insbesondere von 2 bis 12 mm.
Als KunststoffStrukturen kommen spritzgegossene oder tiefgezogene Formteile, einschließlich Folien und Halbzeuge (Tafeln, Rohre, Platten, Stäbe, etc.) in Frage. Die KunststoffStrukturen sind üblicherweise aus thermoplastischen teilkristallinen oder amorphen Polymeren aufgebaut, können aber auch aus Duroplasten oder Mischungen dieser Polymerklassen gebildet werden.
Als thermoplastische Polymere kommen alle dem Fachmann bekannten Thermoplaste in Betracht. Geeignete thermoplastische Polymere werden beispielsweise im Kunststoff-Taschenbuch, Hrsg. Saecht- ling, 25. Ausgabe, Hanser-Verlag, München, 1992, insbesondere Kap. 4 sowie darin zitierte Verweise, und im Kunststoff-Handbuch, Hrsg. G. Becker und D. Braun, Bände 1 - 11, Hanser-Verlag, 1966 - 1996, beschrieben.
Exemplarisch seien als geeignete Thermoplaste genannt Polyoxy- alkylene wie Polyoxymethylen, z.B. Ultraform® (BASF AG), Poly- carbonate (PC), Polyester wie Polybutylenterephthalat (PBT) , z.B. Ultradur® (BASF AG) , oder Polyethylenterephthalat (PET) , Poly- olefine wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) , Poly(meth) acrylate, z.B. PMMA, Polyamide wie Polyamid-6 oder Polyamid-66, (z.B. Ultramid®' BASF AG), vinylaromatische (Co)ρolymere wie Polystyrol, syndiotaktisches Polystyrol, schlag- zähmodifiziertes Polystyrol wie HIPS, oder ASA- (z.B. Luran® S; BASF AG), ABS- (z.B. Terluran®; BASF AG), SAN- (z.B. Luran®; BASF AG) oder AES-Polymerisate, Polyarylenether wie Polyphenylen- ether (PPE) , Polyphenylensulfide, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyurethane, Polylactide, halogenhaltige Polymerisate, Imidgrup- pen-haltige Polymere, Celluloseester, Silicon-Polymere und Thermoplastische Elastomere. Es können auch Mischungen unterschiedli- eher Thermoplaste als Materialien für die KunststoffStrukturen eingesetzt werden. Bei diesen Mischungen kann es sich um ein- oder mehrphasige Polymerblends handeln.
Die KunststoffStrukturen können darüber hinaus übliche Zusatzstoffe und Verarbeitungshilfsmittel enthalten.
Geeignete Zusatzstoffe und Verarbeitungshilfsmittel sind z.B. Gleit- oder Entformungsmittel, Kautschuke, Antioxidantien, Stabi- lisatoren gegen Lichteinwirkung, Antistatika, Flammschutzmittel oder faser- und pulverförmige Füll- oder Verstärkungsmittel sowie andere Zusatzstoffe oder deren Mischungen.
Als Beispiele für faserförmige bzw. pulverförmige Füll- und Ver- Stärkungsstoffe seien Kohlenstoff- oder Glasfasern in Form von Glasgeweben, Glasmatten oder Glasseidenrovings, Schnittglas sowie Glaskugeln genannt. Besonders bevorzugt sind Glasfasern. Die verwendeten Glasfasern können aus E-, A- oder C-Glas sein und sind vorzugsweise mit einer Schlichte, z.B. auf Epoxyharz-, Silan-, Aminosilan- oder Polyurethanbasis und einem Haftvermittler auf der Basis funktionalisierter Silane ausgerüstet. Die Einarbeitung der Glasfasern kann sowohl in Form von Kurzglasfasern als auch in Form von Endlossträngen (rowings) erfolgen.
Als teilchenförmige Füllstoffe eignen sich z.B. Ruß, Graphit, amorphe Kieselsäure, Whisker, Aluminiumoxidfasern, Magnesium- carbonat (Kreide) , gepulverter Quarz, Glimmer, Mica, Bentonite, Talkum, Feldspat oder insbesondere Calciumsilikate wie Wollastonit und Kaolin.
Des weiteren können die KunststoffStrukturen auch Farbmittel oder Pigmente enthalten.
Bevorzugt werden die vorgenannten Zusatzstoffe, Verarbeitungs- hilfsmittel und/oder Farbmittel in einem Extruder oder einer anderen Mischvorrichtung bei Temperaturen von 100 bis 320°C unter Aufschmelzen des thermoplastischen Polymeren vermischt und ausgetragen. Die Verwendung eines Extruders ist besonders bevorzugt, insbesondere eines gleichsinnig drehenden, dicht kämmenden Zwei- schnecken-Extruders. Verfahren zur Herstellung der Kunststoff - formmassen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
Aus den so erhaltenen Formmassen lassen sich KunststoffStrukturen (auch Halbzeuge) aller Art herstellen, z.B. nach dem Spritzguss- oder Tiefziehverfahren. An der KunststoffStruktur, welche mit einem metallischen Bauteil zu einem Hybridbauteil gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden wird, kann des weiteren eine versteifende Verrippung angespritzt werden oder sein.
In einer weiteren Ausführungsform weist die KunststoffStruktur mindestens eine domförmige nach oben offene Erhebung auf, deren Grundfläche eine Fügefläche für das Zusammenwirken mit dem durch das Fügewerkzeug gebildeten Metallrand darstellen kann.
In die domförmigen nach oben offenen Erhebungen kann ein Stempel bzw. ein Auflagewerkzeug eingeführt werden, welches am Boden der offenen domförmigen Erhebung die zur Ausbildung einer dauerhaften form- und kraftschlüssigen Verbindung zwischen KunststoffStruktur und Metallkörper erforderliche Gegenkraft aufbringt, wenn das Fügewerkzeug von der entgegengesetzten Seite zunächst durch das Metallbauteil und dann in oder durch die Kunststoffbodenfläche des Domes getrieben wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform verfügt die KunststoffStruktur über zwei oder mehrere domförmige nach oben offene Erhebungen, von denen mindestens zwei durch eine versteifende Kunst- Stoffrippe, deren Unterseite auch am Metallbauteil anliegen kann, miteinander verbunden sind. Besonders bevorzugt stellen die dom- förmigen Erhebungen Kreuzungspunkte rippenförmiger Kunststoff - Strukturen dar. Diese KunststoffStrukturen lassen sich ohne weiteres mittels gängiger Spritzgussverfahren herstellen. Besondere Festigkeiten und Steifigkeiten werden bei Verbundbauteilen erzielt, wenn das oder die Metallbauteile mit jeder oder nahezu je- der Bodenplatte einer domförmigen Erhebung mittels eines Füge- werkzeugsdurchstichs verbunden sind.
Die offenen, domförmigen Erhebungen lassen sich darüber hinaus nicht nur in Kreuzungspunkten einer die KunststoffStruktur ver- steifenden Verrippung einsetzen bzw. anspritzen, sondern auch an den versteifenden Rippen zwischen den Kreuzungspunkten, so dass mehrere Fügestellen gebildet werden, an welchen die Kunststoff - Struktur und der Metallkörper miteinander form- und kraftschlüssig verbunden werden können. Neben den Domflächen können die KunststoffStrukturen selbstverständlich auch an weiteren Fügestellen mit dem Metallbauteil auf erfindungsgemäße oder herkömmliche Weise verbunden werden.
Die Kunststoffrippen der die KunststoffStruktur versteifenden Verrippung weisen bevorzugt an ihrer Oberkante, d.h. in dem Bereich der höchsten Belastungen, eine im wesentlichen senkrecht zu dieser Verrippung angeordnete, flach aufliegende Wandung auf. Dies reduziert einerseits die Maximal-Spannungen im belasteten Kunststoff und verhindert andererseits ein Beulen bzw. Ausknicken der Verrippung bei Belastung.
Des Weiteren kann die KunststoffStruktur so ausgebildet sein, dass sie neben den Kunststoffrippen am oberen Ende der Rippen oder Dome eine geschlossene Fläche in der Art eines Deckels aufweist, der nur an den oberen Enden der Dome mit Durchbrüchen bzw. Durchlässen versehen ist. In Kombination mit einem U-förmigen Metallkörper entsteht auf diese Weise ein quasi geschlossenes Hohlprofil. In einer Ausführungsform sind auch die Randbereiche von Deckel und Metallkörper auf erfindungsgemäße oder herkömmliche Art und Weise, z.B. mittels nachträglichem Umspritzens, miteinander verbunden.
Es sind weiterhin Verbundbauteile in Sandwichbauweise herstellbar derart, dass sie aus einer mittig bzw. im Kern angeordneten KunststoffStruktur und zwei damit verbundenen, außen liegenden, vorzugsweise flach ausgebildeten Metallblechen bestehen. Die als Abstandshalter dienende KunststoffStruktur weist zur Ausbildung der Fügestellen beispielsweise die vorstehend beschriebenen Dome auf, wobei vorzugsweise der eine Teil der Dome nach oben offen ist und eine Bodenfläche an der unteren Stirnseite besitzt und der andere Teil der Dome im genau entgegengesetzten Sinne ausge- bildet ist, d.h. nach unten offen steht und mit oben liegender Bodenfläche versehen ist. Die Metallbleche können sukzessive mittels eines Fügewerkzeugs mit der KunststoffStruktur verbunden werden. Alternativ kann auch ein Werkzeug zum Einsatz kommen, das über mehrere Fügewerkzeuge auf jeweils gegenüberliegenden Werk- zeugseiten verfügt, mit dem die Sandwichstruktur form- und kraft - schlüssig in einem Arbeitsgang erhalten wird, wobei auf der Gegenseite jeweils Stempel einfahren und anliegen.
In weiteren Ausführungsformen kann bei den vorgenannten Dome ent- haltenden Verbundbauteilen bei deren Herstellung auf die
Verwendung von gegenseitig anliegenden Stempeln bzw. auf entsprechende Öffnungen auf jeweils einer Seite des Doms verzichtet werden. In diesen Fällen empfiehlt es sich, die Dicke der KunststoffStruktur an der Fügestelle nicht zu dünn zu bemessen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt: Figuren 1.1, 1.2 und 1.3 einen Metall-Grundkörper (1), eine KunststoffStruktur (2) und ein Fügewerkzeug (3) im Bereich der Verbindungsstelle vor, wäh- 5 rend und nach dem Fügen, wobei der Fügewerk- zeugradius kleiner als die Dicke des Verbundes aus Metallbauteil und KunststoffStruktur and der Fügestelle ist,
10
Figuren 2.1, 2.2 und 2.3 einen Metall-Grundkörper (1) , die KunststoffStruktur (2) und ein Fügewerkzeug (3) im Bereich der Verbindungsstelle vor, wäh- 5 rend und nach dem Fügen mit form- und kraft- schlüssiger Verbindung von Metallbauteil und KunststoffStruktur, wobei der Fügewerkzeug- radius größer als die Dicke des Verbundes aus Metallbauteil und KunststoffStruktur and
20 der Fügestelle ist,
Figur 3 Verbundstruktur nach Figur 2.3, bei der überstehende Metallrandkragen mit einem StempelWerkzeug (4) in Richtung auf die 25 Unterseite der KunststoffStruktur gedrückt worden ist,
Figuren 4.1 und 4.2 einen Metall-Grundkörper (1) und die KunststoffStruktur (2) im Bereich der Verbin- 0 dungssteile nach dem Fügen mit form- und kraftschlüssiger Verbindung, wobei der Füge- werkzeugradius im Bereich der Dicke des Verbundes aus Metallbauteil und Kunststoff - Struktur an der Fügestelle liegt und wobei
" der Metallrandkragen mit einem Stempelwerkzeug (4) in Richtung auf die Unterseite der KunststoffStruktur gedrückt wird,
„„ Figur 5 ein Verbundbauteil aus einem Metallrundkör-
40 per (1) und einer KunststoffStruktur (2) mit zwei Fügestellen nach dem Fügevorgang, wobei die Fügewerkzeuge (3) in nicht paralleler
Ausrichtung geführt worden sind,
45
Figur 6 ein Metallbauteil (1) mit einem U-förmigen
Profil, das durch die Verbindung mit einer KunststoffStruktur (2) in Form einer Bodenplatte zu einem Verbundbauteil mit geschlossenem Querschnittsprofil wird. Zur weiteren Stabilisierung weist die Kunststoffplatte Rippen (5) auf. Der Fügevorgang wird sowohl in den überlappenden Randbereichen (6) , der Bodenfläche im Bereich der Domauflagen (7) und bei den Seitenwänden (8) vorgenommen.
Aus der Darstellung gemäß Figur 1.1 geht ein Metallbauteil (1) und eine KunststoffStruktur (2) im Bereich der Verbindungsstelle vor dem Fügevorgang hervor. Das Fügewerkzeug (3) ist als Teil des Gesamtwerkzeugs vor der eigentlichen Fügeoperation wiedergegeben. Aus der Darstellung gemäß Figuren 1.1 bis 1.3 gehen ferner die Wandungsdicke der KunststoffStruktur zwischen Oberseite und Unterseite an der Fügestelle wie auch der maximale Radius des Bereichs des Fügewerkzeugs, der in die Verbundstruktur eindringt, näher hervor. Die Verbundstruktur liegt auf zwei Trägern (9) auf und ist durch zwei Auflagen (10) arretiert.
Figuren 2.1 bis 2.3 zeigen einen Metall-Grundkörper und die KunststoffStruktur im Bereich der Verbindungsstelle nach dem Fügen in form- und kraftschlüssiger Verbindung. Das Fügewerkzeug hat in diesem Fall die KunststoffStruktur vollständig durchdrun- gen. Ein Metallrandkragen ragt über die Unterseite der KunststoffStruktur hinaus. Des weiteren zeigt die die KunststoffStruktur tragende Unterlage im Bereich der Fügestelle eine Auslassung (11) zwischen den Trägern (9), in die die Fügewerkzeugspitze vordringen kann.
Figur 3 zeigt ein Verbundbauteil nach Figur 2.3, bei dem mit Hilfe eines Stempelwerkzeugs (4) ein Hinterschnitt erzeugt worden ist. Dadurch, dass der Metallrand über die Unterseite der KunststoffStruktur hinausragt, kann der überstehende Rand manuell oder automatisiert nach außen umgebogen werden. Durch die verformte Kontur verspannt bzw. verkrallt sich der Metallrand in der Kunst- Stoffwandung, wodurch eine besonders dauerhafte, form- und kraft- schlüssige Verbindung entsteht.
Figuren 4.1 und 4.2 zeigen ein Verbundbauteil, bei der der gebildete Metallrandkragen in etwa der Dicke des Verbundbauteils an der Fügestelle entspricht. Mit Hilfe eines dornartigen Stempel - Werkzeugs (4) ist der an der KunststoffStruktur anliegende Metallrand von der Seite der KunststoffStrukturunterseite gewei- tet worden. Ein ähnliches Ergebnis lässt sich auch dadurch erzielen, dass man mit dem eigentlichen Fügewerkzeug (3) bei Erreichen der maximalen Durchdringtiefe vor dem Herausziehen eine Kreisel- bewegung ausführt, wobei die Längsachse des Fügewerkzeugs in etwa die Form eines Doppelkegels beschreibt.
Figur 5 zeigt ein Verbundbauteil mit zwei benachbarten Fügestel- len, wobei die jeweiligen Fügewerkzeuge nicht senkrecht zur jeweiligen Fügefläche ausgerichtet worden sind und die Fügerichtungen nicht parallel verlaufen. Auf diese Weise erhält man einen besonders form- und kraftschlüssigen Verbund.
Figur 6 zeigt eine U-förmige Metallstruktur (1) , die zusammen mit einer eine Rippenstruktur (5) aufweisenden Kunststoffbodenplatte (2) ein Verbundbauteil bildet. An den Rippenkreuzungspunkten verfügt die KunststoffStruktur über Dome (7), deren Bodenplatten innenseitig an dem Metallprofil anliegen. Fügestellen sind im Be- reich der Dombodenplatten (7) , der Randauflagen (6) sowie im Bereich der Metallseitenwände (8) , die mit der Rippenstruktur in Kontakt stehen, vorgesehen. Man erhält eine besonders steife und belastbare Verbundstruktur.
Die beschriebenen Verbundbauteile können vielfältig eingesetzt werden, beispielsweise als Bauteile oder Bauteilekomponenten im Automobil-, Flugzeug- oder Schiffbau oder bei der Herstellung von Möbeln, Haushalts- oder Elektrogeräten. Anwendungen im Automobil - bau stellen z.B. Frontendmodule, Frontendträger, Sitzschalen, Sitzstrukturen, Instrumententafeln, Türfunktionsträger, Türfunktionsmodule, Heckklappen oder Seitentüren dar.
Die vorgestellten Verbundbauteile haben gegenüber den bekannten Hybridbauteilen den Vorteil, dass die KunststoffStruktur hier weitgehend frei von Restriktionen gestaltet werden kann, da die KunststoffStruktur gemäß der vorliegenden Erfindung in einem separaten Produktionsschritt gefertigt werden kann. In der Folge kann die erfindungsgemäße KunststoffStruktur belastungsgerechter gestaltet werden als solche aus dem Stand der Technik. Dieser Vorteil drückt sich im erhaltenen Verbundbauteil durch höhere Steifigkeit bzw. Festigkeit bei vergleichbarem Bauteilgewicht aus. Ohne größeren Aufwand können, gegebenenfalls auch manuell oder halbautomatisch, Fügestellen auch an schlecht zugänglichen Bauteilpositionen geschaffen werden. Liegen mehrere Fügestellen in einem Bauteil vor, können die Fügeflächen beliebig zueinander angeordnet sein, ohne dass dadurch die Herstellung des Verbund- bauteils erschwert würde oder eine Serienproduktion nicht mehr in Frage käme.
Von Vorteil ist weiterhin, dass sich, da keine zusätzlichen Verarbeitungsschritte, z.B. Klebeschritte, anfallen, kurze Zykluszeiten bei der Serienherstellung verwirklichen lassen. Des Wei- teren sind keine zusätzlichen Bauteile oder Komponenten für das Fügen von KunststoffStruktur und Metallbauteil erforderlich. Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren insgesamt unempfindlicher gegenüber Abweichungen bei der Positionierung von Stanz - rand und KunststoffStruktur . Darüber hinaus können beliebige KunststoffStrukturen, unabhängig vom Herstellprozess, verwendet werden, wobei auch faserverstärkte Kunststoffe gleichwertig geeignet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles aus minde- stens einem Metallbauteil und mindestens einer Kunststoff -
Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass man das Metallbauteil und die KunststoffStruktur an der zu fügenden Stelle formschlüssig an- oder aufeinander legt, gegebenenfalls arretiert, mindestens ein verformungsfestes Fügewerkzeug an der bzw. den Fügestellen durch das Metallbauteil und durch oder zumindest in die KunststoffStruktur treibt und dieses durch eine gegenläufige Bewegung wieder aus der gebildeten Vertiefung bzw. Öffnung in dem Verbundbauteil entfernt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das oder die Fügewerkzeuge im wesentlichen senkrecht zur Fläche an der bzw. den Fügestellen geführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens zwei nicht parallel zueinander ausgerichtete Füge- werkzeuge durch das Metallbauteil und durch oder zumindest in die KunststoffStruktur treibt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich- net, dass die KunststoffStruktur beim Fügevorgang zumindest im Bereich der Fügestelle eine höhere Temperatur als Raumtemperatur aufweist.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich- net, dass das Fügewerkzeug beim Eindringen in oder Durchdringen von Metallbauteil und/oder KunststoffStruktur zumindest zeitweise um die eigene Achse gedreht wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich- net, dass das Fügewerkzeug nach Erreichen der maximalen Ein- dring- oder Durchdringtiefe beim Ausführen aus der Vertiefung oder Öffnung zumindest zeitweise um die eigene Achse gedreht wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug bei Erreichen der maximalen Ein- dring- oder Durchdringtiefe oder bei Aufnahme oder während der gegenläufigen Bewegung eine Pendel-, Taumel- oder Kreiselbewegung durchführt.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Durchmesser desjenigen Bereichs des Fügewerkzeugs, der in die Verbundsturktur eindringt oder der sich auf der Höhe der Oberfläche des Metallbauteils bei Er-
5 reichen der maximalen Eindring- bzw. Durchdringtiefe befindet, mindestens doppelt so groß ist wie die Dicke des Verbundbauteils an der Fügestelle.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man 10 nach Entfernen des Fügewerkzeugs aus der Öffnung von der
Seite der KunststoffStruktur mit einem Stempel-, Hammeroder Fügewerkzeug einen Hinterschnitt erzeugt oder diesen verstärkt.
15 10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug einen sich zum Durchstoßende hin verjüngenden Dorn darstellt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der 20 Dornlängsschnitt eine asymmetrische Form aufweist.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug in seinem Eindring- oder Durchstoßbereich ein Gewinde aufweist.
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13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug im seinem Eindring- oder Durchstoßbereich der Form einer selbstschneidenden oder gewinde- formenden Schraube entspricht .
30
14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug in seinem Eindring- oder Durchstoßbereich der Form eines Schlitz- oder Kreuzschlitzschraubendrehers entspricht.
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15. Verbundbauteile, erhältlich nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 14.
16. Verwendung der Verbundbauteile nach Anspruch 15 als Bauteile 40 oder Bauteilekomponenten im Automobil-, Flugzeug- oder
Schiffbau oder bei der Herstellung von Möbeln, Haushaltsoder Elektrogeräten.
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