07/ /1990 Promotion an der Universität (TH) Karlsruhe Anorganische bzw. metallorganische Phosphorchemie

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1 seit 08/2010 Institutsleitung Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen und Lehrstuhl für Polymere Materialien, Universität Bremen Prof. Dr. Bernd Mayer 04/ /2010 Leiter Produktentwicklung Automobilklebstoffe Europa - Henkel AG & Co KGaA: Kleb- und Dichtstoffe sowie Beschichtungen für Automobilindustrie und Auto Zulieferer 07/ /1990 Promotion an der Universität (TH) Karlsruhe Anorganische bzw. metallorganische Phosphorchemie 10/ /1988 Studium der Chemie an der Universität (TH) Karlsruhe Abschluss: Diplom-Chemiker - 1 -

2 KLEBTECHNIK ALS BASIS FÜR MODERNEN LEICHTBAU Prof. Dr. Bernd Mayer

3 Profil der Fraunhofer-Gesellschaft Sieben Forschungsverbünde IUK-Technologie Life Sciences Mikroelektronik Light & Surfaces Produktion Werkstoffe - MATERIALS Sicherheitsforschung Materialentwicklung Technologieentwicklung Einsatzverhalten Modellierung Simulation - 3 -

4 Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM KERNKOMPETENZEN OBERFLÄCHENTECHNIK KLEBTECHNIK FASERVERBUND WERKSTOFFE Gegründet in 1968 Sitz in Bremen, Deutschland ca. 580 Mitarbeiter Budget 46 Mio. (2013) GIEßEREITECHNIK ELEKTRISCHE KOMPONENTEN UND SYSTEME PULVERTECHNIK SINTERPROZESSE - 4 -

5 Leichtbau braucht Menschen - Menschen brauchen Leichtbau Demographischer Wandel Arbeitsbedingungen Abhängigkeit von Technologien Fachkräftemangel Politik Unfälle / Krankheiten Profitabilität Qualifizierung Wertschöpfungsketten EH&S Kultur Soziale Vorteile Ältere Menschen Interessenausgleich Lebenslanges Lernen Infrastruktur Design Produktion Anwendung Recycling Persönliche Belastung Diversity Management Wandel der Lebensbedingungen Arbeitsplätze - 5 -

6 Kernkompetenz Klebtechnik Entwicklung und Auswahl von Formulierungen Diverse Chemien und Strukturen Kontrolle von Substratoberflächen Verfahren zur Oberflächencharakterisierung Anwendung in Fertigung, Wartung und Reparatur Klebstoffapplikation Kontrolle der Geometrie (Position, Volumen) von appliziertem Klebstoff Mischungsverhältnis von 2K Klebstoffen Geklebte Bauteile Zerstörungsfreie Prüfung von Klebverbindungen Structural Health Monitoring (SHM) Alterung, Ermüdung, Lebensdauerabschätzung - 6 -

7 Vorbehandlung von Composite Bauteilen Herstellung und Entformung von Bauteilen Teile werden in metallischen Formen gefertigt Trennmittel notwendig zur Vermeidung von Anhaftungen o Fluor-basierte Trennfolien o Wachs-basierte Trennmittel o Silizium-organische Systeme Oberflächenvorbehandlung notwendig für nachfolgende Kleb- und Lackierprozesse; verschiedene Technologien verfügbar: Niederdruckplasma VUV-Excimer Technik Vakuum-Saugstrahlen Beflammung Atmosphärendruckplasma Laservorbehandlung CO 2 -Schneestrahlen - 7 -

8 Plasma-polymere Trennfolien Stand-der-Technik Neues Konzept Gemischtes Versagen im Trennmaterial Adhäsives Versagen Komposite-Teil Komposite-Teil Trennmittel- Rückstand Form Formwerkzeug Trennebene Plasma-polymere Trennschicht Kohäsives Versagen im Trennfilm Adhäsives Versagen zwischen Plasma-polymerer Trennfolie und Komposite-Bauteil - 8 -

9 Faserverbundwerkstoffe Alterungsphänomene von Lackschichten auf CFK TYPISCHE EFFEKTE Änderungen bei Glanz oder Farbe Risse und Blasenbildung Quellen oder Schrumpf SPEZIFISCH AUF CFK Telegraphing Rissbildung Kontaktkorrosion Haftungsverlust Korrosion - 9 -

10 Rissbildung: Prüfkammer QUV Kammer + flüssiger Stickstoff zur Erzeugung eines Ttemperaturgradienten in der Probe Kaltes Gas entsprechend trockenen und kalten Bedingungen während eines Fluges Decklack Primer Substrat (CFK, Al Legierung) Primer (optional), CPC Zusätzliche chemische Belastung durch Betriebsflüssigkeiten (Enteisung, Reinigung etc sofern relevant) Alternierender Kontakt mit kaltem Gas wird genutzt, um verschiedene Flugphasen zu simulieren T H 2 O-Diffusion im Fall von CFK; andere Flüssigkeiten je nach Anwendung Temperaturbereich / Feuchtigkeit Entsprechend den Bedingungen im Flugzeug-Innenraum

11 Kleben ohne Klebstoffauftrag vorapplizierte Strukturklebstoffe schnelle Härtung und lange Lagerstabilität gute Haftung im ungehärteten Zustand nicht klebrig und gute Benetzung Technische Konzepte für strukturelle Anwendungen Dual Cure Systeme Blends aus Acrylaten und Epoxy-Harzen (1) UV-Polymerisation der Acrylate (2) Thermische Vernetzung des Epoxyharzes Dispersionen fester Harzsysteme Thermische Vernetzung fester Epoxyharze Schmelzklebstoffe Applikation als Schmelze oder Pulver Thermische Vernetzung fester Epoxyharze

12 Vorapplizierbare Strukturelle Klebstoffe Beispiel: Bolzenkleben Vorapplikation eines Epoxy-basierten reaktiven Hotmelts Tack-frei bis zu 50 C Induktionserwärmung Schnelle Härtung in Sekunden Integrierte Entwicklung von Klebstoffformulierung, Erwärmungsprozess und Bauteilgeometrie

13 Automatisierung von Montageprozessen Vorrichtung für das adaptive Einstellen der Form und Lage großer CFK-Bauteile Nachbilden von Aktuatoren durch Hexapoden; Vakuum-greifer für Bauteil-Handling Spannungskontrollierte und Toleranz-ausgleichende Montageprozesse Kurze Montagezeiten durch reduzierte manuelle Anteile Hard- und Software Lösungen für Sensor-geführtes CAD/CAM- System

14 Qualität im Fokus Prozesse Definieren von Prozessfenstern Maschinen- und Prozessfähigkeit Produkte Prüfmethoden, bei Bedarf in-line Zerstörungsfreies Prüfen Structural Health Monitoring (SHM) Normen Internationale Standards Best Practice Benchmark Personalqualifizierung Technologietransfer Zertifizierte Weiterbildung Prof. Dr. Bernd Mayer

15 Zerstörungsfreies Prüfen Fertigungskette Pre-Process: Integrität der Fügeteile, Eigenspannungen, Oberflächenzustand, Klebstoffviskosität, Lagerzustand In-Process: Rheologisches Verhalten, Viskositätsveränderung, Klebstoff-Applizierung (Geometrie, Position), Poren, Einschlüsse. Benetzung, Härtung Post-Process: Kohäsives / adhäsives Versagen, Fehler (Delamination, Poren, Kissing Bonds ) Dicke und Geometrie der Klebfuge, Füllgrad Ausgangs-Material: Fügeteile, Oberflächen, Klebstoff IFAM Klebprozess: Klebstoffauftrag, Fügen, Härten Fertige Klebung: (vor Auslieferung) gehärtete Klebung IZFP

16 Methoden zur Oberflächeninspektion Anforderungen Angepasste Sensitivität Geeignet auch für Reparaturprozesse Kein Einfluss auf zu prüfende Komponente Fraunhofer IFAM Fraunhofer IFAM Entwicklungsniveau Optisch angeregte Elektronenemission Aerosol Benetzungstest Laser-induzierte Schädigungen Fraunhofer IFAM Fraunhofer IFAM Reife Techniken Röntgenfluoreszenz Analyse FT IR-Spektroskopie XRF und FTIR sind limitiert auf bestimmte Verunreinigungen Neue Techniken notwendig für gesamtheitliches Oberflächenmonitoring

17 Inspection Methods: OSEE OSEE Optisch Stimulierte Elektronen- Emission Probe wird UV-Strahlung ausgesetzt Elektronen niedriger Energie werden aus der Oberfläche emittiert Änderung der Emission ist Indikator für Veränderungen an der Oberfläche Experimentelle Daten belegen Detektierbarkeit verschiedener Verunreinigungen Signale korrelieren mit Menge an Trennmitteln Änderungen im Bulkmaterial ebenfalls nachweisbar Original TB TR FA G1C - J/m2 OSEE Signaleinheiten TB thermische Belastung, C TR Trennmittel, Si-basiert FA Feuchteaufnahme in VE Wasser; 1,32 % Results were partly achieved within the European Union's Seventh Framework Program: ENCOMB = Extended Non-Destructive Testing of Composite Bonds

18 Detektion von Kissing Bonds Konzept: Nutzung von Laser-Schockwellen: Übertragung von Schockwellen in den Werkstoff Fortpflanzung der Wellen im Material Reflektion an Defekten und der Rückwand induzierte rücklaufende Wellen Status: Grundlagenforschung Results were partly achieved within the European Union's Seventh Framework Program: ENCOMB = Extended Non-Destructive Testing of Composite Bonds

19 Personalqualifizierung im Klebtechnischen Zentrum Klebtechnische Weiterbildung vom Werker zum Ingenieur (Kurssprachen: Deutsch und Englisch) DVS /EWF-European Adhesive Bonder - EAB (DVS /EWF-Klebpraktiker/in) Dauer: 40 h Fokus: Arbeitsanweisungen verstehen und umsetzen DVS /EWF-European Adhesive Specialist - EAS (DVS /EWF-Klebfachkraft) Dauer: 120 h Fokus: Arbeitsanweisungen entwerfen, Personal anleiten und überwachen DVS /EWF-European Adhesive Engineer - EAE (Klebfachingenieur/in) Dauer: 332 h Fokus: Fachgerechter Einsatz der Klebtechnik von der Produktentwicklung über die Fertigung bis zur Reparatur In-house-Schulungen: nach DVS /EWF-Richtlinien oder maßgeschneidert Zertifiziert nach AZWV (Anerkennungs- und Zulassungsverordnung Weiterbildung) Erfüllt die Qualitätsanforderungen der DIN EN ISO/IEC

20 Personalqualifizierung im Klebtechnischen Zentrum Klebpraktiker Klebfachkraft Klebfachingenieur Klebpraktiker Klebfachkraft Klebfachingenieur

21 DIN 6701 Kleben von Schienenfahrzeugen Klasse Beschreibung A1 A2 A3 A4 Schienenfahrzeuge/-teile mit hoher Sicherheitsanforderung Schienenfahrzeuge/-teile mit mittlerer Sicherheitsanforderung Schienenfahrzeuge/-teile mit geringer Sicherheitsanforderung Keine eigene klebtechnische Fertigung, geklebte Bauteile werden gekauft, montiert; Durchführung der Klebung wird ggf. beauftragt Definition Sicherheitsanforderung Versagen führt zur unabwendbaren Gefahr für Leib u. Leben bzw. zur Gefährdung des sicheren Betriebs Versagen kann zur Betriebsgefahr mit Personenschäden oder zur Beeinträchtigung der Funktion führen Versagen führt maximal zu Komforteinbußen, Personenschäden unwahrscheinlich analog zu A1, A2 und A3 Geprüfte Teilprozesse bei Anwenderbetrieben Ausstattung, Verantwortlichkeiten Einkauf, Verkauf Konstruktion, Eignungsnachweise Fertigung, Fertigungsunterlagen Lagerung, Logistik Qualitätssicherung, Prüftechnik aktuell ca. 350 Betriebe weltweit zertifiziert

22 Zukunftstechnologie Kleben Werkstoff Kombinationen von verschiedenen Werkstoffen Fügen Gezielte Integration von zusätzlichen Funktionen Zukunftstechnologie für Industrie und Handwerk Kleben Verarbeitung Erhalt der Werkstoffeigenschaften Konstruktion durch Verbundbauweise verbesserte Eigenschaften der Bauteile

23 Leichtbau und Kleben: Herausforderungen Quantitative und zerstörungsfreie Prüfung von mechanischen Eigenschaften Diverse Techniken sind verfügbar, z.b. o Ultraschall, Thermographie, magnetische Techniken o Simultane Datengenerierung und Datenauswertung o Automatisierte Dokumentation der Ergebnisse Zusätzliche Prüftechniken notwendig, z.b. zur Detektion von Kissing Bonds FrakDim System zur Materialcharakterisierung Simulation von Bauteilen und Prozessen Schadenstoleranz Virtuelle Prüfung von gefügten Strukturen Effects of defects Crash von Hybridstrukturen Fertigungsprozesse

24 Fraunhofer Talent School Ziele Jugendliche für MINT- Fächer begeistern Jugendliche für Fraunhofer interessieren

25 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!