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Kunststofftechnologien in der Fahrzeugbeleuchtung

2. bis 3. Dezember 2009

Dr. Hartwig Lohse

Kleben als F�geverfahren f�r das Verbinden von Kunststoffen


KLEBTECHNIKDr. Hartwig Lohse e.K.Fraunhoferstr. 3D 25524 ItzehoeTel. +49 (0)4822 95180Fax +49 (0)4822 95181E-Mail [email protected]


Dr. Hartwig Lohse


• Grundlagen des Klebens

• Methoden zur Oberfl�chenvorbehandlung

• Arten von Klebstoffen – Einteilung der Klebstoffe

• Klebstoffverarbeitung

• Klebtechnische Besonderheiten von Kunststoffen

• Klebgerechte Konstruktion (Grundlagen)

• Fertigungssystem Kleben

• Pr�fung von Klebstoffen und Klebverbunden

• Elektromagnetisches Kleben von Thermoplasten

InhaltInhalt


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©©Klebtechnik Dr. Hartwig Lohse e.K.Klebtechnik Dr. Hartwig Lohse e.K.www.Howwww.How--DoDo--YouYou--Glue.deGlue.de

Dr. Hartwig Lohse

Kleben als Fügeverfahren für das Verbinden von Kunststoffen

Zukunftstechnologie Zukunftstechnologie KlebenKleben

Werkstoff:

Kombinationen verschiedener Werkstoffe (z.B. Duroplast/Thermoplast, Kunststoff/Metall, …)

Verarbeitung:

Erhalt der Werkstoffeigen-schaften (z.B. Oberfl�che, Vermeidung therm. Sch�digung …)

Integration zusätzlicher Funktionen:z.B. Dichtigkeit, therm/elektr. Leitf�higkeit, D�mpfung, Dichtigkeit, …)

Konstruktion:

Verbesserte Bauteileigen-schaften (z.B. Leichtbau, Steifigkeit, Design, …)


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Qualität einer Klebverbindung

Klebstoff

• -auswahl• -transport• -lagerung• -dosierung und ggf. –mischung• -auftrag• -h�rtung

F�geteil

• -konstruktion• -design• -werkstoff• -transport• -lagerung• -vorbehandlung• -toleranzen• -herstellungs-

bedingungen

Anlagentechnik

• Teilehandling (F�gen, Fixieren)• Klebstoffdosierung, ggf. –mischung

und -auftrag• Klebstoffh�rtung• Nachgeschaltete Fertigungsschritte

Mitarbeiter

• Qualifikation

Grundlagen des Grundlagen des KlebensKlebens

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Grundlagen des Grundlagen des KlebensKlebensKleben bezeichnet ein

Fertigungsverfahren aus der Hauptgruppe F�gen. Wie Schwei�en und L�ten geh�rt auch das Kleben zu den stoffschl�ssigen F�geverfahren. Durch Kleben werden F�geteile mittels Klebstoffen stoffschl�ssig verbunden. (www.wikipedia.org)

Oberfl�che des F�geteilsAdh�sionszone

�bergangszone

Koh�sionszone


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Grundlagen des Grundlagen des KlebensKlebensAdh�sion:

Anhaften gleicher oder verschiedenartiger Stoffe aneinander

Koh�sion:

Die innere Festigkeit eines Werkstoffen, hier des Klebstoffes

Adh�sionskr�fteArt Bindungsl�ngen Bindungsenergien

[mm] [kJ/mol]

Chemische Bindungen:• kovalente 0,1 – 0,2 150 – 950• metallische 0,3 – 0,5 100 – 400• ionische 0,2 – 0,3 400 – 800

ZwischenmolekulareWechselwirkungen• van-der-Waals-Kr�fte 0,4 – 0,5 2 – 15• Wasserstoffbr�cken- 0,2 20 – 30

bindungen

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Eine gute Benetzung der Oberfl�che durch den Klebstoff ist eine notwendige, allein jedoch nicht hinreichende Voraussetzung f�r eine dauerhafte gute Klebung


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F�r eine gute Benetzung muss die Oberfl�chenspannung des Klebstoffs geringer sein als die des zu benetzenden Substrates

Oberfl�chenenergien [mJ/m�] einiger Kunststoffe:Nach: Habenicht, Kleben Springer Verlag 2002

• Polyimid: 49 – 51• Epoxydharz: 47 • Polyamid 6.6: 46 • PET 43• PVC (hart) 40• ABS 35 – 42• PC 34 – 37•

• PS 33 – 35 • PMMA 33 – 44• PE 31• PP 29 • Naturkautschuk 24• Silicone 24• PTFE 18

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OberflOberfläächenchen--vorbehandlungvorbehandlung

Reinigen, Entfetten

Lösungsmittel,wässrig

mechanische,physikalische,

chemische Methoden

KonditionierungPrimer

BeschichtenHaftvermittlerHaftreiniger

Ziel der Oberflächenvorbehandlung:

• Entfernen von Verunreinigungen• Aufrauen Oberfl�chenvergr��erung

• Erh�hung der Oberfl�chenenergie Verbesserung der Benetzung

Ein Klebstoff kann eine Werkstoffoberfläche nur dann gut benetzen, wenn er eine niedrigere Oberflächenspannung hat als der Werkstoff!

Ziel der Oberflächenvorbehandlung:

• Entfernen von Verunreinigungen• Aufrauen Oberfl�chenvergr��erung

• Erh�hung der Oberfl�chenenergie Verbesserung der Benetzung

Ein Klebstoff kann eine Werkstoffoberfläche nur dann gut benetzen, wenn er eine niedrigere Oberflächenspannung hat als der Werkstoff!


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OberflOberfläächenchen--vorbehandlungvorbehandlung

Gaseinspeisung

Elektrode

Spannungs-versorgung

Brenn-kammer

Substrat

Plasmastrahl

Isolationsschicht

Edelstahl-geh�use

Entladungs-kanal

Tr�ger- / Arbeitsgas

Plasmad�se

Blende

Athmosphärenplasma

• Substratstärke unerheblich

• Behandlungsbreite 10 -20 mm

• Behandlungs-geschwindigkeit 0 - 400 m/min

Funktionsprinzip

– Ein Potenzial von bis zu 20 kV in der Brennkammer f�hrt zu einer Entladungsreaktion

– Ein Gasstrom tr�gt das in der Entladungszone entstehende Plasma aus der Brennkammer heraus

– Die Plasmad�se ist au�en geerdet, so dass ein potenzialfreier Plasmastrahl auf die Oberfl�che trifft

Quelle: IFAM

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Einteilung der Einteilung der KlebstoffeKlebstoffe

Klebstoffe können nach verschieden-artigen Kriterien eingeteilt werden

• Abbindemechanismus• physikalisch• chemisch

• Rohstoffbasis• Epoxid• Polyurethan• Silicon• …

•Festigkeitsniveau• Strukturklebstoff• …

• Verarbeitung• Spr�hklebstoff• Kontaktklebstoff• Tiefziehklebstoff• …

• Anwendungsbereich• Verpackungsklebstoff• Automobilklebstoff• Elektronikklebstoff

• …


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Einteilung der Einteilung der KlebstoffeKlebstoffe

physikalisch abbindendphysikalisch abbindend

LösemittelhaltigeNassklebstoffe*Dispersionsklebstoffe*Kontaktklebstoffe*Schmelzklebstoffe*Haftklebstoffe*Plastisole*jeweils verschiedene

chemische Basis

LösemittelhaltigeNassklebstoffe*Dispersionsklebstoffe*Kontaktklebstoffe*Schmelzklebstoffe*Haftklebstoffe*Plastisole*jeweils verschiedene

chemische Basis

chemisch härtendchemisch härtend

Polyaddition:EpoxidharzePolyurethaneheißhärtendeKautschukklebstoffe

Polyaddition:EpoxidharzePolyurethaneheißhärtendeKautschukklebstoffe

Polykondensation:SilikoneMS-PolymerePhenolharzePolyimide

Polykondensation:SilikoneMS-PolymerePhenolharzePolyimide

PolymerisationMethylmethacrylateCyanacrylate anaerobe Klebstoffeungesättigte PolyesterStrahlenhärtbare Acrylatelichtaktivierbare EpoxideHaftklebstoffe

PolymerisationMethylmethacrylateCyanacrylate anaerobe Klebstoffeungesättigte PolyesterStrahlenhärtbare Acrylatelichtaktivierbare EpoxideHaftklebstoffe

KlebstoffeKlebstoffe

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KlebstoffKlebstoff--VerarbeitungVerarbeitung

Nicht nur ein guter Klebstoff, sondern auch die Applikations-und Aushärtetechnik ist für den Erfolg einer Klebung von ausschlaggebender Bedeutung


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KlebstoffKlebstoff--VerarbeitungVerarbeitungRaupenauftrag

WirbelsprühauftragLinienf�rmiger Auftrag mit variablem Raubendurchmesser und –querschnitt

(Quelle SCA Schucker GmbH & Co)

Quasi-fl�chenm��iger Auftrag ohne Spr�hnebel (Quelle SCA Schucker GmbH & Co)

Quelle Robatech AG

Quelle: ViscoTec Pumpen- u. Dosiertechnik GmbH


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Streifenauftrag

Sprühauftrag

Flächenauftrag

Fl�chenauftrag mittels Walzen oder Breitschlitzd�se

Scharf begrenzte Klebfl�chenQuelle Robatech AG

Quelle Robatech AG

Quelle: SCA Schucker GmbH & Co)

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Siebdruck

Klebeband/-folie

Mikropunkte

Auftrag definierter Klebmuster

Auftrag kleinster Klebpunkte

Mengen bis hinunter zu 3 μg k�nnen bei Taktzeiten bis hinunter zu 2 ms und bis zu einem Abstand von 10 mm dosiert werden

Quelle Lohmann GmbH & Co KG

Quelle: Tapeinfo.com


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Bereitstellung des Klebstoffs in der erforderlichen Menge

• Entnahme aus dem Liefergebinde• Transport zum Bauteil • ggf. Mischen im korrekten Verh�ltnis mit einer 2. Komponente• Auftragen in der richtigen Menge und Form an den richtigen Ort des Bauteils

ohne den Klebstoff z. B. durch

• thermische Sch�digung• Abbau der Standfestigkeit (Scherung)• Verunreinigung

negative zu beeinflussen

• Raupe• Punkt• fl�chig

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Besonderheiten beim Besonderheiten beim Kleben von KunstKleben von Kunst--stoffenstoffen

Spannungsrisskorrosion –Spannungsrissbildung

Unter Spannungsrisskorrosion versteht man die Rissbildung in Werkstoffen unter dem gleichzeitigen Einfluss einer Zug- oder Eigenspannung und eines spezifischen Angriffsmediums.

Quelle: Stepanski Engineering

Einige Chemikalien dringen in kleinen Mengen geringf�gig in die Oberfl�che ein und f�hren zu einem Konzentra-tionsgradienten im Kunststoff und somit zu einer Lockerung der zwischenmolekularen Bindungskr�fte. Spannungen relaxieren dann im Kunststoff durch Rissbildung.


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Kritische Bestandteile in Klebstoffen k�nnen z.B. sein:

• L�sungsmittel

• (Rest-)Monomere/Oligomere

• Emulgatoren/Tenside/Netzmittel

• niedrig molekulare Bestandteile, z.B.

•Weichmacher

• …

Quelle: Stepanski Engineering

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Pr�fmethodik:

ISO 22088 (Entwurf) fasst die in den bisherigen Normen (ISO 6252, 4599, 4600) beschriebenen Methoden, sowie zwei neuere Methoden zusammen

Quelle: R�hm GmbH & Co KG


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Besonderheiten beim Besonderheiten beim Kleben von KunstKleben von Kunst--stoffenstoffenBeispiel:

Kleben von Polycarbonat:

• Quellschwei�-Kleben: Einwirken von z.B. Methylenchlorid ggf., einige % PC enthaltend, auf die F�geteile und anschlie�endes Verpressen unter Druck

• Reaktionsklebstoffe

• 1-k- und 2-k-Polyurethane (l�sungsmittelfrei)

• 2-k-Epoxide (l�sungsmittelfrei und frei von niedrigmolekularen aminischen H�rtern)

• Silikon-Klebstoffe

• Cyanacrylat-Klebstoffe (nur f�r spannungsarme Teile)

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Klebgerechte Klebgerechte KonstruktionKonstruktionDas Kleben unterliegt wie auch

andere F�geverfahren eigenen, speziellen Gesetzm��igkeiten, die eine entsprechende konstruktive Formgebung erforderlich machten.

Ziel einer klebgerechten Konstruktion ist es

• eine ausreichende Klebfl�che bereitzustellen• Spannungsspitzen in der Klebung bei einer mechanischer Belastung des Bauteils zu vermeiden

F�r das Kleben als fl�chiges F�geverfahren hat sich die Auslegung der Verbindungen auf Schub- oder Scher-, Torsions-, Zug- oder Druckbeanspruchungen bew�hrt.


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Klebgerechte Klebgerechte KonstruktionKonstruktion

Sch�l- und Spaltbeanspruchung: linienf�rmige hohe Belastung des Klebstoffs, sollte vermieden werden.

Schub-, Scher- und Torsionsbeanspruchungen: fl�chige, gleichm��ige Belastung des Klebstoffs parallel zur Klebfl�che ohne Spannungsspitzen

Zug- und Druckbeanspruchungen: fl�chige, gleichm��ige Belastung des Klebstoffs senkrecht zur Klebfl�che ohne Spannungsspitzen

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Klebgerechte Klebgerechte KonstruktionKonstruktion

Beispiele:

ungünstig günstig


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Fertigungssystem Fertigungssystem KlebenKleben

Adhäs

ion

mechanische

Alterung

Takt

zeit

Klebstoff-härtung

Oberflächen-Vorbehandlung

Losgröße

Kosten

Toleranzen

Klebstoff-

form

Applikations-technik

Teile

Handli

ng

Produkt-

sicherheit

Beständig-keit

Subs

trate

Klebstoff-eigenschaften

Eine erfolgreiche Einführung der Klebtechnik erfordert aufgrund ihres interdisziplinären Charakters eine frühzeitige Abstim-mung und einen ständigen Kontakt zwischen allen, an dem Projekt betei-ligten Unternehmen sowie eine kompe-tente Projektleitung.

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Werkstofflieferant

Automobilhersteller

Anlagenhersteller

Teilehersteller/Kleber

Klebstoffhersteller

(Extern. Berater)

Lieferant von Rohteilen

‚Gesetzgeber‘

Nur eine kompetente, erfahrene Projektleitung kann erreichen, dass am Ende nicht doch ein Puzzlestein vergessen wurde

Fertigungssystem Fertigungssystem KlebenKleben


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PrPrüüfung von Klebfung von Kleb--stoffen und stoffen und KlebverbundenKlebverbunden

Zerstörungsfreie Prüfung:

Qualit�t der Klebung• Vorhandensein des Klebstoffs• Lufteinschl�sse in der Klebraupe• grobe Adh�sionsst�rungen (Kissing Bonds)• Dichtigkeit

Zerstörende Prüfung:

Aussage �ber die Verbundfestigkeit einer Klebung, einschl. der Versagensart zum Zeitpunkt der Pr�fung, ggf. nach einer bestimmten Alterung

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zerst�rende Pr�fverfahren

statisch• Zugscherversuch• Cross-Peel-Versuch• Schubspannungs- Gleitungs-

Versuch• Pr�fung der Zeitstandfestigkeit• Druckscherversuch• Torsionsscherfestigkeit • Losbrechmoment• Cleavage Peel• Winkelsch�lversuch • Rollensch�lversuch• Klettertrommelsch�lversuch• Foliensch�lversuch• Biegesch�lversuch• 3-Punkt-Biegeversuch• Keilspalttest• etc.

zyklisch- Pr�fung derSchwingfestigkeit

schlagartig- Pr�fung beischlagartigerBean-spruchung

ggf. unter Einbeziehungvon Umweltbedingungen, wie Temperatur oder nachAlterungen simuliert durch Klimaauslagerung, z.B.:- Schwitzwassertest- Salzspr�htest- „Kataplasma-Test“- BMW PR 308.1- P-VW-1200-Test)- VDA-Wechseltest

zerst�rungsfreie Pr�fverfahren



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F

ll�

b

blF

AF

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BBB

Die Berechnung der Zugscherfestigkeit erfolgt nach folgender Gleichung: B= Zugscherfestigkeit

FB= Bruchlast in NlÜ= Überlappungslänge in mmb = mittlere Probenbreite in mmA = Klebfläche

Zugscherversuch nach DIN EN 1465

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Elektromagnetisches Elektromagnetisches Kleben von Kleben von ThermoplastenThermoplasten

Induktive Erwärmung des

Schweißhilfskörpers

Schweißhilfs-körper

Strukturelle, hochfeste und

dichte Verbindung

Leichter Druck

Induktions-spule

Hochfrequentes Magnetfeld


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Bauteil

Spule

Reflektor

Bauteil

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Geeignete Kunststoffe:

• PE, PP, TPO (auch gefüllt)

• PC, ABS, PBT und Blends

• PA,

• PPO


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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Fragen?

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