Kleben von Metallen auch in Kombination mit anderen Werkstoffen Beispiele aus der Forschung und Praxis
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- Karlheinz Brodbeck
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1 Fakultät Maschinenwesen Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik, Lehrstuhl für Laser- und Oberflächentechnik Kleben von Metallen auch in Kombination mit anderen Werkstoffen Beispiele aus der Forschung und Praxis Dr.rer.nat. Irene Jansen Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik Tel.: TGZ,
2 Fraunhofer-Institutszentrum Dresden IFAM Fraunhofer FEP Institut für Elektronenstrahlund Plasmatechnik Fraunhofer IFAM (Bremen) Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Fraunhofer IKTS Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS IWS IFAM FEP Fraunhofer IWS Institut für Werkstoffund Strahltechnik
3 Organigramm - IWS Außenstellen CCL USA Prof. J. Asmussen PCW - Polen Prof. E. Chlebus DOC Dr. A. Zwick Institutsleiter Prof. Dr. E. Beyer Stellvertreter Dr. A. Leson Stellvertreterin Dr. A. Techel Assistentin Fr. R. Weinberg Infrastruktur Verwaltung, Technische Dienste, Öffentlichkeitsarbeit Dr. A. Techel Oberflächen- / Schichttechnik Laser-Materialbearbeitung PVD- und Nanotechnologie Dr. A. Leson CVD-Schichttechnologie Prof.S Kaskel Therm. Beschichtungsverfahren Füge- und Randschichttechnologien Prof B.Brenner Laserabtragen und -trennen Dr.A.Wetzig Röntgen- und EUV- Optik Dr. S. Braun PVD- Schichten Dr. O. Zimmer Atmosphärendruck-CVD Dr. I. Dani Z Prozess- Monitoring Dr. W. Grählert Thermisches Spritzen Dr. L.-M. Berger Auftragschweißen Dr. S. Nowotny Randschichtverfahren Dr. S. Bonß Werkstoffcharakterisierung Dr. J.Rödel Schweißen Dr. J. Standfuß Kleben Dr. I. Jansen Schneiden Dr. T. Himmer Mikrobearbeiten Dr. U. Klotzbach Kohlenstoffschichten Dr. V. Weihnacht Chem. Oberflächentechn. Dr. H. Althues Spez. Fügeverfahren Dr. G. Goebel Oberflächenfunktionalisierung Dr. A. Lasagni Netzwerk nano Dr. Leson Dr. O. Zimmer Nanotubes und -partikel Dr. O. Jost Faserlaser- und Scannertechnologie Dr.Wetzig Netzwerk Laser Dr. S. Bonß Fr. Zellbeck
4 TU Dresden - Hauptcampus Volluniversität mit 14 Fakultäten größte Universität Sachsens 1828 als Technische Bildungsanstalt Dresden gegründet Zahlen 2008: Studenten: Mitarbeiter: Haushalt Drittmittelbeschäftigte
5 Gruppe Kleben Oberflächenvorbehandlung mittels Plasma- und Lasertechnik Simulation und Aufbau einer Datenbank Charakterisierung Klebtechnik Bestimmung mechanischer Parameter und Alterungstests Konstruktives Kleben
6 Klebtechnik - Klebfuge Oberfläche des Fügeteils/ Adhäsionszone Übergangszone Grenzschichten Kohäsionszone
7 Vor- und Nachteile des Klebens Verbinden unterschiedlicher Materialien gleichmäßigere Spannungsverteilung geringer Wärmeeintrag (keine Gefügebeeinflussung, kein Bauteilverzug) Ausfüllen von Zwischenräumen Dichtheit der Verbindung Automatisierbarkeit Korrosionsschutz (keine Kontaktkorrosion) gute Dämpfung für dünne Materialien geeignet Erhöhung der Struktursteifigkeit Vorteile bei schwingender oder stoßartiger Belastung aufwendige Klebflächenvorbehandlung exaktes Dosieren und Mischen bei Mehrkomponenetenklebstoffen teilweise lange Härtezeiten, Fixierung! geringe Temperaturbelastbarkeit, begrenzte thermische Formbeständigkeit Alterung geringe spezifische Festigkeit geringe Schälwiderstände, Kriechneigung schlechte Berechenbarkeit der Verbindungen Prüfung oft zerstörend begrenzte Reparaturmöglichkeit Recycling von Materialmix eventuell schwierig
8 Verbinden unterschiedlicher Materialien Ein warmhärtender Epoxidharzklebstoff wird zur Verbindung von INVAR (Fe-Ni-Legierung mit 36% Ni) mit CFK-Rohren eingesetzt Bild: IFAM, Bremen
9 Spannungsverteilung Schweißverbindung Nietverbindung Klebverbindung
10 geringe Temperaturbelastung Sturz des Ikarus Carlo Saraceni ( ), Der Sturz des Ikarus, Neapel, Museo di Capodimonte Pieter Brueghel d. Ä. ( ), Landschaft mit Fall des Ikarus, Brüssel, Musées Royaux des Beaux-Arts de Belgique
11 Beanspruchung Zugbeanspruchung Scherbeanspruchung Druckbeanspruchung Schälbeanspruchung Spaltbeanspruchung
12 Klebprozess Oberflächenvorbehandlung Klebstoffauswahl und -auftrag Aushärtung Prüfung
13 Reale Metalloberfläche Verunreinigungen > 1 m Luft Adsorbatschicht 0,1 10 nm adsorbierte Gase Oxidschicht 1 10 nm (Reaktionsschicht) OH Oxide OH OH OH Hydroxide OH Salze Verformungszone > 1 m ungestörtes Gefüge Metall polare Verbindungen unpolare Verbindungen
14 Fügeteilvorbehandlung vor dem Kleben Einteilung der Oberflächenbehandlung nach Kaliske Oberflächenvorbereitung Oberflächenvorbehandlung Oberflächennachbehandlung reinigen entfetten passend machen mechanisch chemisch physikalisch Klimatisierung Primer/Haftvermittler Haftreiniger
15 Fügeteilvorbehandlung vor dem Kleben Die Fügeteilvorbehandlung soll folgendes verbessern: Benetzung Haftung (Adhäsion) zwischen Fügeteil und Klebstoff chemische und mechanische Stabilität Alterungs- und Korrosionsbeständigkeit Reproduzierbarkeit Die Benetzung der Fügeteiloberfläche durch den Klebstoff ist eine notwendige, allein jedoch nicht hinreichende Voraussetzung.
16 Fügeteilvorbehandlung vor dem Kleben Oberflächenbehandlung mechanische Verfahren schleifen schmirgeln bürsten strahlen Veränderungen der Topografie physikalische Verfahren Vorbereitung (nass): reinigen mit waschaktiven Stoffen reinigen mit organischen Lösungsmitteln schwach alkalisch / sauer reinigen bisherige Verfahren:Unterstützung durch Ultraschall trockene Verfahren Beflammung Corona Laser Plasma CVD- und PVD-Verfahren chemische Verfahren chemisches Beizen (nass): nichtoxidierende Säuren oxidierende Säuren Schichtbildung! stark alkalisch Konversionsbeschichtung (Chromatieren, Phosphatierung) Fluorierung Ozonisierung (trocken) elektrochemische Verfahren elektrolytisches Beizen anodische Oxidation Plasmachemische Anodisation Phys. Verfahren, die zu phys. Änderungen oder chem. Reaktionen (z. B. Sauerstoffeinbau, Schichtbildung) führen Chemische Reaktionen
17 Fügeteilvorbehandlung vor dem Kleben kombinierte Verfahren mechanisch-chemisch thermisch-chemisch SACO-Verfahren Pyrosil-Verfahren (Silicoater)
18 Gruppe Kleben Vorbehandlung Oberflächenvorbehandlung mittels Plasmaund Lasertechnik Charakterisierung Atmosphärenplasma- Anlage der Fa. Plasma Treat Simulation und Aufbau einer Datenbank Klebtechnik Bestimmung mechanischer Parameter und Alterungstests Konstruktives Kleben Laseranlage CLA 050 der Fa. Clean Lasersysteme
19 Lasereinsatz in der Klebtechnik Der Laser kann in der Klebtechnik für folgende Verfahrensschritte eingesetzt werden: Qualitätskontrolle
20 Laserbehandlung Laserstrahlentschichtungssystem CLA050 Schematische Darstellung Nd:YAG-Laser Wellenlänge: 1064 nm max. mittlere Leistung im cw-betrieb: 120 W (CW) Pulsfrequenz: 8 khz F 40 khz Pulsdauer: 100 ns P 300 ns gütegeschaltet 1D- und 2-D-Scannerköpfe
21 Gruppe Kleben - Oberflächencharakterisierung Oberflächenvorbehandlung mittels Plasmaund Lasertechnik Kontaktwinkel Rauheit Lichtmikroskopie Simulation und Aufbau einer Datenbank Klebtechnik Charakterisierung Schichtdicke Rheologie FT-IR Bestimmung mechanischer Parameter und Alterungstests Konstruktives Kleben REM/EDX Photoelektronenspektroskopie (XPS) Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) Thermoanalytische Untersuchungen (DSC, DMA, TG, TA)
22 Klebstoffauswahl - Einflussgrößen Werkstoff Art und Zusammensetzung Volumen- und Oberflächeneigenschaften konstruktive Auslegung Temperaturbelastung Klebstoffauswahl Beanspruchung Mechanisch Physikalisch Klima/Feuchtigkeit Fertigung Ablauf Oberflächenbehandlung Auftragsverfahren Arbeits- und Umweltschutz
23 Einteilung der Klebstoffe Klebstoffe Organische Klebstoffe Anorganische Klebstoffe Naturprodukte Syntheseprodukte Silicate Kohlehydrate Harze Eiweiße Epoxidharze Polyurethane Polyester Polyamid Polystyrol PVC PE / PP Silicone synth. Kautschuke Borate Phosphate Metalloxide
24 Einteilung der Klebstoffe synthetische organische Klebstoffe chemisch härtend Härtungsreaktion reaktiver Schmelzklebstoff physikalisch abbindend Lösemittel-, Wasseremission (Nassklebstoffe, Dispersionskl.) Verarbeitungstemperatur Anzahl der Komponenten Polymerisation, Polyaddition, Polykondendation kalt- oder warmhärtend Druck Ethylen-Vinylacetat (EVA) Polyester, PVC, PMMA Polyamid (PA) Haftklebstoffe (Acrylate, Kautschuke, Silicone) Kontaktklebstoffe (Elastomere) 1-K, 2-K Erwärmung/Abkühlung (Schmelzklebstoffe) Polyolefine, Polyester PA, EVA, PUR Gelierung (Sol Gel, Plastisole) PVC
25 Einteilung der Klebstoffe chemisch härtend Polymerisation Polyaddition Polykondensation 1-K 2-K anionische Polymerisation Feuchtigkeit (z.b. Cyanacrylate) radikalische Polymerisation kationische Polymerisation radikalische Polymerisation Strahlen (z.b. Acrylate; UV, sichtbares Licht, Elektronenstrahlen, Laser, Kombinationshärtung) Metall/Hydroperoxid (z.b. Diacrylsäureester, anaerob) Hydroperoxidbildung unter Sauerstoff (aerob) sichtbares Licht (z.b. Epoxid) Methylmethacrylate ungesättigte Polyester Epoxidharze (1-K, 2-K) Bisphenol A, F cycloaliphatische Epoxide aliphatische Epoxide zähelastisch mod. Epoxide reaktive EP- Schmelzklebstoffe Polyurethane 2-K PUR feuchtehärtend (1-K) 1-K PUR reaktive PUR- Schmelzklebstoffe Silicone (1-K, 2-K; Hydrosilylierung) heißhärtende Kautschuke (Vulkanisation) Formaldehydkondensate Polyamide Polyester Silicone silanmod. Polymere (MS, SMP) Polybenzimidazole Polysulfone Polysulfide Polyimide
26 Klebgeometrien
27 Gruppe Kleben - Konstruktives Kleben Oberflächenvorbehandlung mittels Plasmaund Lasertechnik Faserverstärkter Kunststoff Simulation und Aufbau einer Datenbank Klebtechnik Bestimmung mechanischer Parameter und Alterungstests Konstruktives Kleben Charakterisierung Magnesiumdruckguss Glas weitere Materialien: Aluminium, Stahl, Titan Holz, Textilien
28 Lasereinsatz in der Klebtechnik Kombination von Remotelaserschweißen und Kleben Qualitätskontrolle Laserfixierung von Twintexgewebe
29 Lasereinsatz in der Klebtechnik Diodenlaserinduziertes Kantenanleimverfahren Qualitätskontrolle (Verleihung des Wilhelm- Klauditz-Preises 2009)
30 Gruppe Kleben - Prüfung Oberflächenvorbehandlung mittels Plasmaund Lasertechnik Simulation und Aufbau einer Datenbank Klebtechnik Charakterisierung Bestimmung mechanischer Parameter und Alterungstests Konstruktives Kleben
31 Prüfkörper Zugscherprobe nach DIN EN 1465 (Aluminium, Stahl ) Druckscherprobe nach Delo Norm 5 (Aluminium, Titan, Glas...) Kopfzugproben elastische Klebung Glas Aluminium Glas/Metall Edelstahl und Titan
32 Gruppe Kleben - Prüfung Oberflächenvorbehandlung mittels Plasmaund Lasertechnik Simulation und Aufbau einer Datenbank Klebtechnik Charakterisierung Suntest Klimakammer Bestimmung mechanischer Parameter und Alterungstests Konstruktives Kleben Pressure cooker Salzsprühkammer
33 Oberflächenvorbehandlung und Kleben von Magnesiumdruckguss Klebfestigkeit von Magnesiumverbindungen für verschiedene Vorbehandlungsmethoden vor und nach VDA- Alterung (3 Wochen)
34 Anwendungsmöglichkeiten für toughened polymers - Patchwork Patchworkbleche im Scharnierund Schlossbereich einer Motorhaube Quelle: Fraunhofer-IWU Beispiel B-Säule Quelle: Audi
35 Anwendungsmöglichkeiten für toughened polymers - Patchwork Tailored Bonded Blanks
36 Sonderforschungsbereich 639 (DFG) Generischer SFB-Demonstrator: Funktionsintegrativer Fahrzeugsystemträger (FIF) SFB 639
37 Sonderforschungsbereich 639 (DFG) Stoffschlüssiges Fügen von spacer-fabrics-platten Fügen stegparalleler Ränder im Überlapp Fügen stegparalleler Ränder unter Verwendung eines Aluminiumprofils SFB 639
38 Sonderforschungsbereich 639 (DFG) Klebniet Kombination von Stoff- und Formschluss Erzeugung schräger Löcher oder Schlitze mittels Laserstrahlung, in die der Klebstoff fließt Zusätzliche Verstärkung durch Einbringen von Carbon-Nanotubes (CNTs) in den Klebstoff SFB 639
39 Fakultät Maschinenwesen Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik, Lehrstuhl für Laser- und Oberflächentechnik Vielen Dank!
Grundlagen und Anwendungen der Klebtechnologie
Grundlagen und Anwendungen der Klebtechnologie Dr. rer. nat. Irene Jansen Fraunhofer-Institut für Werkstoffund Strahltechnik Dresden Winterbergstr. 28 01277 Dresden Tel.: 0351 4633 5210 irene.jansen@iws.fraunhofer.de
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