Bauteilverbund sowie Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbundes

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Bauteilverbund gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbundes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 1.

Ein derartiger Bauteilverbund ist aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2008 040782 A1 bekannt. Bei dem bekannten Bauteilverbund wird mittels eines Lasers an einer ersten Kontaktoberfläche eines ersten Bauteils eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur erzeugt. Anschließend wird das erste Bauteil von einem zweiten Bauteil mit einer zweiten Kontaktoberfläche umspritzt, wobei durch die Oberflächenstruktur am ersten Bauteil eine dichte Verbindung zwischen den beiden Kontaktoberflächen der Bauteile erzeugt wird.

Bekannt ist außerdem das Umspritzen von Metallteilen mit Kunststoff, wobei an den Metallteilen makroskopische Strukturen mit Hinterschneidungen, wie beispielsweise Rippen oder einer Waffelstruktur, vorgesehen sind, um einen Formschluss mit dem Kunststoffmaterial zu ermöglichen. Obwohl die zum Einsatz kommenden thermoplastischen Kunststoffe nicht an dem Metall haften, kann bei geschickter Ausnutzung von Schwindungsspannungen anfänglich eine Gasdichtigkeit des Bauteilverbundes erreicht werden. Diese Gasdichtigkeit ist jedoch insbesondere bei Temperatur- und/oder Last- Wechsel oder bei Medieneinfluss temporär. Aus Patentschriften der Firma TaiseiPlas ist ferner bekannt, die Oberfläche von Metallteilen chemisch zu strukturieren und im Anschluss ein Kunststoffbauteil im Spritzgussverfahren an die derart strukturierte Oberfläche anzuspritzen.

Aus der DE 10 2004 034 824 B4 ist eine metallische Flachdichtung mit mindestens einer metallischen Dichtungslage bekannt. Die metallische Dichtungslage ist dabei mit einer mittels Laserstrahlung erzeugten Oberflächenstruktur versehen, auf die elastomeres Material aufgebracht wird.

Ferner ist es weiterhin bekannt, Bauteile mit einem Klebstoff, gegebenenfalls unter Zwischenlage eines Haftvermittlers miteinander zu verbinden, um die Anbindung des Klebstoffes an der Oberfläche zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Bauteilverbund herzustellen, der sich durch eine besondere hohe Dichtigkeit, insbesondere auch nach Temperatur- und

Lastwechseln bzw. nach Medienlagerung auszeichnet, wie sie insbesondere bei Bauteilverbunden in Kraftfahrzeugen im Motorraum auftreten. Bevorzugt soll der Bauteilverbund zuverlässig und dauerhaft gasdicht sein. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zum Herstellen eines entspre- chend optimierten Bauteilverbundes vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Bauteilverbundes mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er- findung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Oberfläche des ersten Bauteils des Bauteilverbundes vor dem Fügen der beiden Bauteile unter Zwischenlage des die Bauteile stoffschlüssig verbindenden Mediums, insbesondere der Klebstoffschicht, derart zu strukturieren, dass eine Oberflä- chenstruktur resultiert, die neben einer Mikrostruktur eine Nanostruktur aufweist. Dabei ist die Nanostruktur derart anzuordnen, dass diese sich auf der Mikrostruktur befindet, also derart, dass die Mikrostruktur von der Nanostruktur überlagert ist. Ein derart oberflächenstrukturiertes erstes Bauteil gewährleistet in einem Bauteilverbund eine verbesserte Haftung zwischen dem Medium, insbesondere der Klebstoffschicht und der Kontaktoberfläche des ersten Bauteils.

In einer ganz besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass auch die zweite Kontaktoberfläche an dem zweiten Bau- teil eine Oberflächenstruktur mit einer von einer Nanostruktur überlagerten

Mikrostruktur aufweist. Dadurch lassen sich besonders feste und dichte Verbindungen zwischen den beiden Bauteilen ausbilden.

Die Ausbildung der Oberflächenstrukturen kann dabei alternativ mittels ei- ner elektromagnetischen Strahlung, mittels elektrischen Strukturierung oder mittels einer mechanischen Strukturierung erfolgen, so dass je nach Anwendungsfall die Ausbildung der Oberflächenstruktur optimiert werden kann. In einer Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass Mikro- strukturelemente der Mikrostruktur einen Durchmesser aus einem Größenbereich zwischen etwa 1 μm und etwa 999μm aufweisen. Besonders bevorzugt weisen die Nanostrukturelemente der Nanostruktur zusätzlich oder alternativ einen Durchmesser aus einem Größenbereich zwischen etwa 1 nm und etwa 999nm auf.

Besonders bevorzugt wird als elektromagnetische Strahlung zur Erzeugung der Oberflächenstruktur Laserstrahlung eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt kommt hierzu ein Ultrakurzpulslaser zum Einsatz, wobei es weiter be- vorzugt ist, wenn die Oberflächenstruktur unter Einfluss von einem Prozessmedium zur Erhöhung der Effizienz und/oder zur Passivierung erzeugt wird. Mit Vorteil wird dabei Prozessgas, insbesondere Inertgas eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Prozessgas um Helium, das die Bildung einer Oxidschicht auf dem ersten, vorzugsweise aus Stahl oder Aluminium bestehenden Bauteil verhindert.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Strahlungswellenlänge der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere der Laserstrahlung, aus einem Wertebereich zwischen etwa 10nm und etwa 11 μm gewählt ist. Ganz besonders bevorzugt ist die Wellenlänge aus einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 100nm und etwa 1500nm gewählt. Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt, die Strahlungspulsdauer, insbesondere die Laserstrahlpulsdauer, aus einem Wertebereich zwischen etwa 10fs bis etwa 10μs, besonders bevorzugt zwischen etwa 100fs und etwa 100ps zu wählen. Durch die Wahl entsprechender Strahlungsparame- ter kann die gewünschte Oberflächenstruktur mit einer von einer Na- nostruktur überlagerten Mikrostruktur geschaffen werden.

Um ganz besonders feste Bauteileverbunde auszubilden kann es vorgesehen sein, dass die zweite Kontaktoberfläche, vorzugsweise das gesamte zweite Bauteil, aus Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen

Kunststoff ausgebildet ist und dass das erste Bauteil, zumindest abschnittsweise, von dem zweiten Bauteil umspritzt ist. Dadurch wird neben der stoffschlüssigen Verbindung durch die Klebstoffschicht zusätzlich eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen ausgebildet.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das erste und das zweite Bauteil, zumindest näherungsweise, gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, um eine Dichtheit noch zuverlässiger bei Temperaturschwankungen gewährleisten zu können.

Besonders bevorzugt ist der Bauteilverbund Bestandteil eines Kraftstoffeinspritzventils, oder eines Gehäusedeckels, insbesondere für ein Steuergerät, oder eines Sensors. Die Erfindung führt auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteilverbundes, insbesondere eines zuvor beschriebenen Bauteilverbundes. Das Verfahren umfasst dabei das Strukturieren einer Kontaktoberfläche eines ersten Bauteils vor dem Aufbringen der Klebstoffschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil. Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass eine Oberflächenstruktur auf dem ersten Bauteil geschaffen wird, die eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist, die in Verbindung mit dem zwischen den Kontaktflächen der beiden Bauteile angeordneten Medium, insbesondere der Klebstoffschicht, zu einer verbesserten Dichtheit des resultierenden Bauteilverbundes, insbesondere zwischen dem ersten Bauteil und der Klebstoffschicht führt.

Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Oberflächenstrukturierung, welche entweder nur am ersten Bauteil, besonders bevorzugt jedoch an den Kontaktoberflächen an beiden Bauteilen ausgebildet ist, mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise unter Einfluss eines Prozessme- diums, insbesondere unter Prozessgasatmosphäre erfolgt, um die Bauteiloberfläche chemisch zu verändern, beispielsweise zu passivieren und die Strukturierungseffizienz zu erhöhen.

In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass zum Erzeu- gen der Oberflächenstruktur ein Ultrakurzpulslaser eingesetzt wird.

Besonders bevorzugt ist es, wenn das zweite Bauteil mit dem ersten Bauteil, vorzugsweise durch Umspritzen des ersten Bauteils formschlüssig verbunden wird, um zusätzlich zur von der Oberflächenstrukturierung herrüh- renden Adhäsion mit dem Medium, insbesondere der Klebstoffschicht, einen stabilen Formschluss zu gewährleisten.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.

Diese zeigen in:

Fig. 1 : in einer perspektivischen Ansicht ein erstes Bauteil mit einer Ober- flächenstruktur, Fig. 2: ein vergrößertes, die Oberflächenstruktur schematisch darstellendes Detail aus Fig. 1 und

Fig. 3: einen Bauteilverbund, in einer geschnittenen Seitenansicht, um- fassend das in Fig. 1 gezeigte erste Bauteil sowie ein zweites Bauteil mit zwischen den beiden Bauteilen angeordneter Klebstoffschicht.

In Fig. 1 ist ein erstes Bauteil 1 als Bestandteil eines in Fig. 3 gezeigten Bauteilverbundes 2 gezeigt.

Das erste Bauteil 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Metall ausgebildet und umfasst eine erste Kontaktoberfläche 3, mit der das erste Bauteil 1 in dem in der Fig. 3 gezeigten Bauteilverbund 2 unter Zwischen- läge einer Klebstoffschicht 12 mit einem zweiten Bauteil 4, das eine zweite

Kontaktoberfläche 5 aufweist, verbunden ist.

Das erste Bauteil 1 , genauer die erste Kontaktoberfläche 3, ist mit einer Oberflächenstruktur 6 versehen. Diese ist schematisch in Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung gezeigt. Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist die erste

Kontaktfläche 3 vollflächig mit der Oberflächenstruktur 6 versehen. Die in Fig. 2 gezeigte Oberflächenstruktur 6 umfasst eine Mikrostruktur 7 mit wulstigen und/oder vertieften Mikrostrukturelementen 8. Die Mikrostruktur- elemente 8 sind mit Nanostrukturelementen 9 und einer Nanostruktur 10 versehen, die sich auch im Bereich außerhalb der Mikrostrukturelemente 8 befindet. Durch die nano-/mikro-strukturierte Bauteiloberfläche (erste Kontaktoberfläche 3) wirken zwischen dem ersten Bauteil 1 und der Klebstoffschicht 12 in dem in der Fig. 3 gezeigten Bauteilverbund 2 besonders hohe Haftkräfte.

Zum Herstellen der Oberflächenstruktur 6 wird zunächst die unstrukturierte erste Kontaktfläche 3 mittels eines gepulsten Laserstrahls bestrahlt. Dabei wird der Laserstrahl mittels eines Scannersystems derart abgelenkt, dass er den zu strukturierenden Bereich des ersten Bauteils 1 abrastert. Zum Erzeugen der gewünschten Oberflächenstruktur kann dabei ein Femto-, Pi- ko-, oder Nanosekunden-Laser, vorzugsweise mit einer hohen Pulsfolge- frequenz, eingesetzt werden. Der Strukturierungsprozess zur Herstellung der in Fig. 2 gezeigten Oberflächenstruktur 6 erfolgt bevorzugt unter Prozessgas, um die Ausbildung einer Oxidschicht auf dem vorzugsweise aus Aluminium oder Stahl ausgebildeten ersten Bauteil 1 zu beeinflussen. Be- vorzugt beträgt der Vorschub, mit der sich der Laserstrahl relativ zu dem ersten Bauteil 1 auf der ersten Kontaktoberfläche 3 bewegt, zwischen 100mm/s und 10.000mm/s.

Zur Herstellung des in Fig. 3 gezeigten Bauteilverbundes 2 wird das erste Bauteil 1 , genauer die erste Kontaktoberfläche 3 mit ihrer Oberflächenstruktur 6, mit dem zweiten Bauteil 4 unter Zwischenlage der Klebstoffschicht 12 verbunden. Das zweite Bauteil 4 kann dabei aus Metall, insbesondere aus Stahl, aus Kunststoff, insbesondere thermoplastischem oder duroplastischem Kunststoff oder aus Keramik ausgebildet sein. Insbeson- dere kann es vorgesehen sein, dass auch die zweite Kontaktoberfläche 5 des zweiten Bauteils 4 mit einer Oberflächenstruktur 6 entsprechend der ersten Kontaktoberfläche 3 am ersten Bauteil 1 ausgestattet ist.

Es kann auch in einer nicht dargestellten Ausführungsform vorgesehen sein, dass das erste Bauteil 1 vom zweiten Bauteil 4 zumindest teilweise umspritzt ist. Der Formschluss zwischen den beiden Bauteilen 1 , 4 wird dann dadurch gewährleistet, dass das zweite Bauteil 4 einen Umfangsbund 11 des ersten Bauteils 1 umgreift. Alternativ können am ersten Bauteil 1 beispielsweise von dem zweiten Bauteil 4 umspritzte Laschen, etc. vorge- sehen werden. Besonders bevorzugt besteht das zweite Bauteil 4 dann aus glasfaser- und/oder mineralverstärkten Kunststoffen, bevorzugt thermoplastischen Kunststoffen oder Duroplasten.

Es sind verschiedene Abwandlungen von dem beschriebenen Ausfüh- rungsbeispiel denkbar. So ist es beispielsweise möglich, dass die erste

Kontaktoberfläche 3 nur teilweise mit einer Oberflächenstruktur 6 versehen wird. Auch kann die Oberflächenstruktur 6 nicht nur mittels einer elektromagnetischen Strahlung, sondern alternativ auch durch eine elektrische Strukturierung oder durch eine mechanische Strukturierung erzeugt wer- den. Weitere Einsatzgebiete neben dem Einsatz in der Kraftfahrzeugtechnik sind alle Bauteile, die eine kraftschlüssige, dichte Verbindung mit einem Klebstoff erfordern.