Nd:YAG-Laser - schematische Darstellung. 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

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1 Nd:YAG-Laser - schematische Darstellung 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

2 Faserlaser Wellenlänge: max. mittlere Leistung: Pulsfrequenz: Pulsdauer: hohe Strahlqualität nm 50 W (CW) 20 khz F 100 khz 120 ns Laseranlage CL 120 mit Faserlaser CL 50 der Fa. Clean Lasersysteme Faser: Quarzglas, Ytterbium dotiert diodengepumpt, gütegeschaltet (Q- Switch) 1D- und 2-D Scannerköpfe ~25% Steckdoseneffizienz Strahlprofil: 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

3 REM-Aufnahmen Nd:YAG-Laser Beizen Faserlaser PAA EN AW-5754 (AlMg3) 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

4 Härchenstruktur (REM) EN AW-5754 (AlMg3) Faserlaser 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

5 Oxidschichtdicke (TEM) EN AW-5754 (AlMg3) Al alkalisch gebeizt Al-oxid Phosphorsäureanodisierung Laserbehandlung 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

6 Oberflächentopografie (Weißlichtsensor) EN AW-5754 (AlMg3) Nd:YAG-Laser R a =2,59 μm Faserlaser R a =4,11 μm Beizen, R a =0,79 μm PAA, R a =0,45 μm Vergleich 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

7 Oberflächentopografie (Lasertriangulation) Stahl: X5CrNi18-10 zunehmende Energiedichte Aceton / US gebeizt SACO 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

8 Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) Kohlenstoffanteil nach Laservorbehandlung zunehmende Energiedichte Aluminiumlegierung: AW 6016 Laser: Nd:YAG, fasergekoppelt weitere Analysemöglichkeiten: GDOES, FTIR 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

9 Klebfestigkeit 30 ungealtert 1000h Salzsprühtest 25 Zugscherfestigkeit / MPa Referenz (mit Ti-Zr-Oxid beschichtet) AW K-Klebstoff: Betamate 1496 LP1 LP2 LP3 LP4 LP5 10 zunehmende Energiedichte R. Rechner, I. Jansen, E. Beyer, Internat. J. Adh. Adh. 2010, 30 (7), Zugscherfestigkeit / MPa 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik K-Epilox Beizen LP1 LP2 LP3

10 Packaging von Li-Ionenzellen Hannovermesse 2011 Smart ab 2012 als E-Auto 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

11 Ableitervorbehandlung (Aluminium) konventionell Benchmark neues Verfahren Zirkon-Fluorid Gelbchromatierung Laservorbehandlung nasschemische Behandlung in Fremdfirmen integriert in Fertigungslinie 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

12 Ableitervorbehandlung (Aluminium) konventionell Benchmark neues Verfahren Zirkon-Fluorid Gelbchromatierung toxisch Laservorbehandlung nach dem Siegeln und 7-tägiger Alterung im Elektrolyten mech. Prüfung (180 Schältest nach DIN EN ISO 8510): schlechte Haftung Schälkraft < 1N sehr gute Haftung Schälkraft > 10N 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

13 Lasereinsatz in der Klebtechnik Qualitätskontrolle 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

14 Kombination von Remotelaserschweißen und Kleben in der Produktion ist das Widerstandspunktschweißkleben etabliert Vorteile bei der Verwendung eines Remote-Faserlasers: Schädigung der Klebung geringer Zugänglichkeit nur von einer Seite notwendig hohe Geschwindigkeit Strahlquelle weit von Bearbeitungsfläche entfernt besonders für komplizierte Geometrien geeignet im Vordergrund steht die Fixierung Laser kann auch zur Härtung des Klebstoffs zwischen den Fixierpunkten verwendet werden Druckbeauflagung der Fügeteile durch mitlaufende Rollen 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

15 Kombination von Remotelaserschweißen und Kleben 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

16 Lasergestützte Kantenleimung schematische Darstellung des lasergestützten Kantenanleimprozesses Holzwerkstoffplatten Schmalflächenbeschichtungsmaterial 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

17 Lasergestützte Kantenanleimung konventioneller Prozess der Kantenanleimung ist energie- und zeitintensiv durch Aufschmelzen des Schmelzklebstoffes mittels Laserstrahl (cw-diodenlaser) Energieeintrag direkt an der Fügestelle hohe Geschwindigkeiten möglich, schnelles Abkühlen besonders für dünne Materialien geeignet hohe Variabilität (verschiedene Plattenmaterialien und Klebstoffe) für 3-D-Bauteile geeignet Erreichen der»0-fuge«5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

18 Lasergestützte Kantenanleimung Verleihung des Wilhelm-Klauditz-Preises 2009 zusammen mit dem IHP der TU Dresden 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

19 Zusammenfassung - Lasereinsatz trockenes, berührungsloses Verfahren selektives Verfahren und in Produktionslinien integrierbar gute Reproduzierbarkeit gute Umweltverträglichkeit Lasertechnik für verschiedene Anwendungen in der Klebtechnik einsetzbar gute Ergebnisse vor allem bei der Vorbehandlung von Al zur Fixierung geeignet (Bsp. Preformfertigung und Kombination von Laserschweißen und Kleben) punktgenaues Aufschmelzen von Hotmelts (Bsp. Kantenleimung) Nachteile relativ hohe Investitionskosten Laserschutz 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

20 Inhalt 1 Vorstellung der Institute 2 Gruppe Kleben 3 Klebtechnik allgemein 4 Oberflächenvorbehandlung 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik 6 Kleben von Kunststoffen 7 Modifizierung von Klebstoffen 8 Zusammenfassung

21 Kleben von Kunststoffen niedrigerer Elastizitätsmodul als Metall, unter Belastung große Dehnungen und auch plastische Verformung elastischer Klebstoff, um Spannungsspitzen abzubauen Klebbarkeit und Löslichkeit unpolar und unlöslich schwer klebbar (PE, PP, PTFE) unpolar und löslich gut klebbar (PS, Polyisobutylen) polar und löslich gut klebbar (PVC, PMMA) polar und schwer oder nicht löslich schwer klebbar ( PET, PA) in teilkristallinen Bereichen eines Thermoplasten Kettenbeweglichkeit und sterische Zugänglichkeit aktiver Gruppen sehr stark eingeschränkt, nahezu alle polaren und polarisierbaren Gruppen in kristalline Struktur eingebunden und somit blockiert, kaum WW mit Klebstoffmolekülen bei amorphen Thermoplasten im Glaszustand und bei vernetzten Duromeren Kettenbeweglichkeit stark eingeschränkt, aber sterische Zugänglichkeit aktiver Gruppen noch gegeben, WW möglich Spannungsrisskorrosion anfällige Kunststoffe (Polycarbonat, Polystyrol, PMMA) haben innere Spannungen (Orientierungsspannungen), beim Eindiffundieren von LM, Tensiden, Monomeren oder Gasen (z.b. Fluor) werden Spannungen abgebaut und führen zu Rissen (Crazes), durch Tempern vermindern 6 Kleben von Kunststoffen

22 Prinzipielle Möglichkeiten zur Haftungsverbesserung unpolarer Kunststoffe Oberflächenvorbehandlung Bildung funktioneller Gruppen durch physikalische Oberflächenvorbehandlung (Beflammung, Corona, ND-Plasma, AD- Plasma) Strukturierung durch Abreißgewebe (peel ply) Abtrag, Strukturierung und/oder Bildung funktioneller Gruppen durch Laserstrahlung Modifizierung des Klebstoffs durch geeignete Zusatzstoffe (LESA = low energy surface adhesives) Primer-Vorbehandlung Modifizierung des Kunststoffes Zusatz von polaren Polymeren (z.b. Ethylenvinylacetat) funktionelle Gruppen durch Pfropfreaktion (z.b. Maleinsäureanhydrid) 6 Kleben von Kunststoffen

23 Herstellung textilverstärkter Verbunde SFB 639»Textilverstärkte Verbundkomponenten für funktionsintegrierende Mischbauweisen bei komplexen Leichtbauanwendungen«Durchgängige SFB-Prozesskette 6 Kleben von Kunststoffen

24 Sonderforschungsbereich 639 (DFG) SFB 639 Textile Halbzeuge (PP/Glasfaser) Multiverstärktes Hybridgarn Mehrlagen- Biaxialgestrick (Intern. Patent EP B1) gewebtes spacer fabric genähte spacer preform (Offenlegungsschrift DE A1) 6 Kleben von Kunststoffen

25 Herstellung textilverstärkter Verbunde SFB 639 generischer SFB-Demonstrator: funktionsintegrativer Fahrzeugsystemträger (FIF) textilverstärkter Verbund: Hybridgarn-Textil-Thermoplast (HGTT ) Materialkombination: Glasfaser / Polypropylen 6 Kleben von Kunststoffen

26 Herstellung textilverstärkter Verbunde SFB 639 stoffschlüssiges Fügen von spacer-fabrics-platten Fügen stegparalleler Ränder im Überlapp Fügen stegparalleler Ränder unter Verwendung eines Aluminiumprofils 6 Kleben von Kunststoffen

27 Plasmavorbehandlung von glasfaserverstärktem PP SFB 639 Prinzipielle Möglichkeiten zur Haftungsverbesserung von Klebstoffen auf Polypropylen (Twintex) LESA-Klebstoff»normaler«Klebstoff Legende: AF(W) - wechselseitig adhäsives Versagen, SCF - substratnahes kohäsives Versagen, CF - kohäsives Versagen, * -Abriss der obersten Matrixdecklage 6 Kleben von Kunststoffen

28 Probleme SFB 639 schlechtes Absorptionsverhalten des weißen HGTT Zerstörung der Glasfaser während des Laserprozesses Entstehung von PP-Schmelze schlägt sich auf Fasern nieder FTIR Spektrum im NIR-Bereich 1,0 Nd:YAG-Laser Hochleistungsdiodenlaser 0,8 FTIR-Spektrum weißes GF/PP schwarzs GF/PP Glasfaser Querschliff - weißes HGTT diffuse Reflexion R 0,6 0,4 0,2 0,0 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 Wellenlänge [µm] 6 Kleben von Kunststoffen weißes HGTT laserbearbeitet

29 CFK - REM-Aufnahme für CFK vergleichbare Festigkeiten nach Nd:YAG-Laserbestrahlung wie für Peel Ply verbesserte Reproduzierbarkeit der Klebung durch Laservorbehandlung Steigerung der Klebfestigkeit bei CFK durch Zunahme des Faseranteils in der Klebfuge gute Alterungsbeständigkeit der Klebung nach Laserbestrahlung 6 Kleben von Kunststoffen REM-Aufnahme der freiliegenden Fasern von CFK nach Laserbestrahlung

30 Vergleich GFK und CFK (REM) teilweise Zerstörung der CFK-Fasern Zerstörung der GFK-Fasern 6 Kleben von Kunststoffen

31 Vergleich GFK und CFK (Lichtmikroskopie) Querschliffe einer laserbehandelten GFK- (links) und CFK-Probe (rechts) 6 Kleben von Kunststoffen

32 Vergleich GFK und CFK (Klebfestigkeiten) Schubspannung / MPa GFK CFK v Scan = 3000 mms -1 0 Peel Ply LP1 LP2 LP3 zunehmende Energiedichte Klebfestigkeiten von faserverstärkten Kunststoffen (GFK und CFK, Klebstoff: DP 490) in Abhängigkeit von der Energiedichte der Laserstrahlung (CSF - cohesive substrate failure, AF adhesive failure, CF - cohesive failure) 6 Kleben von Kunststoffen

33 Reproduzierbare Preformfertigung Twintex Bereiche mit geringen Verschiebungen (blau) werden lokal fixiert Glasfaser-Polypropylen-Gewebe Köperbindung Flächengewicht: 745g/m² 35% Vol. GF, 65% Vol. PP 3D-Halbkugel Formwerkzeug 2D-Zuschnitt mit Fixierungslinien 6 Kleben von Kunststoffen

34 Laserfixierung nicht verzerrt verzerrt 6 Kleben von Kunststoffen

35 Inhalt 1 Vorstellung der Institute 2 Gruppe Kleben 3 Klebtechnik allgemein 4 Oberflächenvorbehandlung 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik 6 Kleben von Kunststoffen 7 Modifizierung von Klebstoffen 8 Zusammenfassung

36 Füllstoffe SiO 2 CaCO 3 Al 2 O 3 Ag, Au, Ni, Cu, Fe, C Superparamagnetische Partikel z.b. Fe-oxide TiO 2 verstärkende Füllstoffe pyrogene Kieselsäure, weitere Silikate, Silsesquioxan (POSS) mechanische Festigkeit u.a. inaktiver Füllstoff Haftungsoptimierung Wärmeleitfähigkeit elektrische Leitfähigkeit Klebstoffaushärtung (Induktion, MW) und Debonding, Farbe (Ruß) Härtung mit hochfrequenten Wechselfeldern (MagSilica ) Korrosionsschutz, Weißpigment 7 Modifizierung von Klebstoffen

37 Allotrope C-Modifikationen (sp 2 -hybridisiert) Graphen Fullerene Carbon Nanotubes Graphit Geim, A. K.; Novoselov, K. S., Nat. Mater., (2007) 6, Modifizierung von Klebstoffen

38 Modifizierung der Klebstoffe Integration von Carbon Nanotubes (CNTs) in Klebstoffe Beeinflussung: Mechanische Parameter (Rissfortschritt, Risszähigkeit, Dämpfung, Festigkeit) Elektrische Leitfähigkeit/ Wärmeleitfähigkeit, Wärmestabilität Multifunktionsschichten Bilder: Modelle von CNTs 7 Modifizierung von Klebstoffen TEM-Aufnahme von MWCNTs (Baytubes )

39 Geräte zum Einbringen von CNTs geringe bis mittlere Viskositäten: Hochdruckdispergator Ultraschallbad Sonotrode Ultraturrax geringe bis hohe Viskositäten: sehr hohe Viskositäten, Thermoplasten: zum Vormischen: Dreiwalzwerk Zweischneckenextruder 7 Modifizierung von Klebstoffen Speedmixer

40 Zugfestigkeit Zugspannung / MPa Epoxidharze: ungefüllt 0,5 Gew.-% Carbon Black 1,0 Gew.-% Carbon Black 0,5 Gew.-% MWCNT 1,0 Gew.-% MWCNT 0,5 Gew.-% MWCNT-COOH 1,0 Gew.-% MWCNT-COOH 0,5 Gew.-% MWCNT-NH Dehnung / % MWCNT: Baytubes C150P (Bayer MaterialScience) Nachweis funktionelle Gruppen mittels XPS 7 Modifizierung von Klebstoffen

41 Elektrische Leitfähigkeit spezifischer Widerstand / cm] Epoxidharze: nichtleitend antistatisch leitend Carbon Black MWCNT C150P MWCNT C70P MWCNT NC C-Gehalt / Gew.-% C150P/C70P: Baytubes, Bayer MaterialScience NC7000: Nanocyl 7 Modifizierung von Klebstoffen

42 Inhalt 1 Vorstellung der Institute 2 Gruppe Kleben 3 Klebtechnik allgemein 4 Oberflächenvorbehandlung 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik 6 Kleben von Kunststoffen 7 Modifizierung von Klebstoffen 8 Zusammenfassung

43 Zusammenfassung Kleben bei richtiger Anwendung gutes stoffschlüssiges Fügeverfahren besonders im Leichtbau und bei Materialmix Laservorbehandlung geeignetes Vorbehandlungsverfahren für viele Materialien, lohnend bei großen Stückzahlen Nachteil der Laserbehandlung: hohe Investitionskosten und Laserschutz Modifizierung der Klebstoffe durch Integration von Füllstoffen möglich Carbon-Nanotubes verändern vor allem elektrische Eigenschaften, aber auch mechanische sowie die Wärmeleitfähigkeit 8 Zusammenfassung

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45 19. Jh. Jh. des Lötens 20. Jh. Jh. des Schweißens 21. Jh. Jh. des Klebens Kleben ist eine sanfte Fügetechnik Schraubst du noch oder klebst du schon Lebst du noch oder klebst du schon Kleben ist ein Mysterium Schweißen ist Handwerk Löten ist Kunst Kleben ist unberechenbar Kleben ist Glückssache Vielen Dank! Gott gebe, dass es klebe Kleben statt Klotzen Kleben ist Glauben Kleben ist zurück (war nie weg) Wenn`s klebt und pappt, dann hat`s geklappt Kleben kann jeder

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48 Dresdner Umgebung Schloss Moritzburg Burg Stolpen Folie 99

49 Dresdner Umgebung Schloss Pillnitz Hochwasser 2002

50 Dresdner Umgebung Sächsische Schweiz Barbarine Barbarine Bastei Festung Königstein