Grundlagen und Anwendungen der Klebtechnologie

Transkript

1 Grundlagen und Anwendungen der Klebtechnologie Dr. rer. nat. Irene Jansen Fraunhofer-Institut für Werkstoffund Strahltechnik Dresden Winterbergstr Dresden Tel.: Workshop Leichtbau & Klebetechnik Bozen,

2 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

4 Fraunhofer-Gesellschaft Joseph von Fraunhofer ( ) Forscher Entdecker d.»fraunhofer-linien«im Sonnenspektrum Erfinder Neue Bearbeitungsverfahren Unternehmer Leiter u. Teilhaber einer Glashütte 1 Vorstellung der Institute

5 Die Fraunhofer-Gesellschaft Die Fraunhofer-Gesellschaft ist die führende Trägerorganisation für Einrichtungen der angewandten Forschung in Europa. 1 Vorstellung der Institute

6 Die Fraunhofer-Gesellschaft Forschung und Entwicklung anwendungsorientierte Forschung zum unmittelbaren Nutzen für Unternehmen und zum Vorteil der Gesellschaft anwendungsorientierte Grundlagenforschung Ressortforschung für das Bundesverteidigungsministerium Unternehmertum Institute arbeiten als Profit-Center ein Drittel des Budgets Einnahmen aus Industrieprojekten Ausgründungen durch Fraunhofer-Forscher werden gefördert Vertragspartner/Auftraggeber Industrie- und Dienstleistungsunternehmen öffentliche Hand 1 Vorstellung der Institute

7 Die Fraunhofer-Gesellschaft jährliches Forschungsvolumen davon erwirtschaftet > 1,6 Mrd Euro ca. 1,3 Mrd Euro Vertragsforschung zu ca. zwei Drittel aus Erträgen aus - Industrieprojekten sowie - aus öffentlich finanzierten Forschungsprojekten zu ca. einem Drittel von Bund und Ländern für die Vorlaufforschung (Problemlösungen, die in fünf oder zehn Jahren für Wirtschaft und Gesellschaft aktuell sein werden) 1 Vorstellung der Institute

8 Die Fraunhofer-Gesellschaft im Profil Institute Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter >1,6 Mrd Budget 7 Verbünde Informations- und Kommunikationstechnik Life Sciences Mikroelektronik Oberflächentechnik und Photonik Produktion Werkstoffe, Bauteile Verteidigungs- und Sicherheitsforschung 1 Vorstellung der Institute

9 Fraunhofer-Gesellschaft in Sachsen Fraunhofer in Sachsen (2009) 9 Institute 7 Außenstellen Außenstelle EPW Dresden des IFAM Bremen Außenstelle EADQ Dresden des IZFP Saarbrücken 1401 Mitarbeiter 180,4 Mio. Gesamthaushalt Leipzig MOEZ FEP IWS CNT IKTS Außenstelle EAS des IIS Erlangen Fraunhofer in Dresden 6 Institute 6 Außenstellen 1000 Mitarbeiter 100 Mio. Umsatz / a IWU Dresden Freiberg Chemnitz ENAS IVI IPMS Außenstelle des IWU Chemnitz Anwendungszentrum AVV des IVV Freising Außenstelle des ISI Karlsruhe 1 Vorstellung der Institute

10

11 Fraunhofer-Institute in Dresden CNT FEP IKTS IPMS IVI IWS Fraunhofer-Center für Nanoelektronische Technologien Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik 1 Vorstellung der Institute

12 Fraunhofer-Institutsteile und -Außenstellen in Dresden ASSID AVV IFAM IIS IWU IZFP Projektgruppe ASSID (All Silicon System Integration Dresden) des Fraunhofer IZM Berlin Fraunhofer-Anwendungszentrum für Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik Dresden des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) Freising Institutsteil Dresden des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) Bremen Institutsteil für Entwurfsautomatisierung Dresden des Fraunhofer- Instituts für Integrierte Schaltungen (IIS) Erlangen Institutsteil Dresden des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) Chemnitz Institutsteil Dresden des Fraunhofer-Instituts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) Saarbrücken / Dresden 1 Vorstellung der Institute

13 Fraunhofer-Institutszentrum Dresden Winterbergstraße 28 IFAM Fraunhofer FEP Institut für Elektronenstrahlund Plasmatechnik Fraunhofer IFAM (Bremen) Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IKTS IKTS IFAM IFAM FEP FEP Fraunhofer IKTS Institut für Keramische Technologien und Systeme IWS IWS Fraunhofer IWS Institut für Werkstoffund Strahltechnik 1 Vorstellung der Institute

14 Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik Kurzcharakteristik Leiter: Prof. Dr. Beyer Stammpersonal: 279 Student. Hilfskräfte: 103 Betriebshaushalt: 17,6 Mio. Industrieerträge: 43 % Grundfinanzierung: 19 % Investitionen: 6,7 Mio. Stand Januar Vorstellung der Institute

15 Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik Arbeitsgebiete Lasermaterialbearbeitung Laser-Schweißen Laserschneiden Laser-Strukturieren Laser-Reinigen Alternativverfahren Hybridverfahren (Kombination Laser +...) Oberflächenbehandlung Laser-Technikum 1 Vorstellung der Institute

16 Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik Arbeitsgebiete Lasermaterialbearbeitung Oberflächenbehandlung Laser-Härten Laser-Beschichten Thermisches Spritzen PVD Schwerpunkt: Vakuumbogen CVD Schwerpunkt: Atmosphärendruck- Plasma-CVD Laser-Arc-Anlage 1 Vorstellung der Institute

17 Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik - Technische Ausstattung -CO 2 -Laser bis 6 kw - Faserlaser bis 8 kw - Nd:YAG-Laser bis 4,4 kw - Diodenlaser bis 6 kw - div.bearbeitungsanlagen - PVD-Beschichtungsanlagen - CVD-Beschichtungsanlagen - Plasma- und Induktionsanlagen - Ausrüstungen für Schichtund Werkstoffprüfung, - Metallographie - TEM, REM, AFM etc. 1 Vorstellung der Institute

18 Geschäftsfelder des Fh-IWS Lasermaterialbearbeitung Oberflächen- und Schichttechnik Fügen Randschichttechnik PVD Vakuum-Schichttechnik Abtragen / Trennen Thermische Beschichtungstechnik CVD Atmosphärendruck- Schichttechnik 1 Vorstellung der Institute

19 Dresden-concept DRESDEN-concept Museen Institute Forschungsschwerpunkte Graduiertenakademie Lehre Dresden Research and Education Synergies for the Development of Excellence and Novelty Biomedizin und Bioengineering Materialien und Energieeffizienz Informationstechnik und Mikroelektronik Kultur und Wissen 1 Vorstellung der Institute

20 TU Dresden - Hauptcampus Volluniversität mit 14 Fakultäten größte Universität Sachsens 1828 als Technische Bildungsanstalt Dresden gegründet Zahlen: Studenten: ( ) Mitarbeiter: Haushalt ( ) Drittmittelbeschäftigte ( ) 1 Vorstellung der Institute

21 TU Dresden Studierende nach Wissenschaftsgebieten im WS 2009/10 Ingenieurwissenschaften: (45,76%) Medizin: (6,88%) Geistes- und Sozialwissenschaften: (34,92%) Naturwissenschaften: (12,44%) 1 Vorstellung der Institute

22 TU Dresden Studierende n. Fakultäten der TU Dresden im WS 2009/10 Mathematik und Naturwissenschaften Philosophische Fakultät Sprach-, Literatur- und Kulturwissenschaften Erziehungswissenschaften Juristische Fakultät Wirtschaftswissenschaften Informatik Elektrotechnik u. Informationstechnik Maschinenwesen Bauingenieurwesen Architektur Verkehrswissenschaften Forst-, Geo- u. Hydrowissenschaften Medizinische Fakultät Biotechn. Zentrum (BIOTEC): 87 Zentrum für Internationale Studien: Vorstellung der Institute

23 Materialforschungsverbund Dresden 1 Vorstellung der Institute

25

26 Arbeitsgruppe Kleben 2 Gruppe Kleben

27 Vorbehandlung Atmosphärenplasma- Anlage der Fa. Plasma Treat Laseranlage CL 120 mit Faserlaser CL 50 der Fa. Clean Lasersysteme 2 Gruppe Kleben

28 Oberflächencharakterisierung 2 Gruppe Kleben Kontaktwinkel Rauheit Lichtmikroskopie Schichtdicke Rheologie FT-IR REM/EDX Photoelektronenspektroskopie (XPS) Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) Thermoanalytische Untersuchungen (DSC, DMA, TG, TA)

29 Klebstoffmodifikation gezielte Beeinflussung der Eigenschaften von Klebstoffen Hochdruckdispergator Zweischneckenextruder Drei-Walzwerk 2 Gruppe Kleben Sonotrode

30 Konstruktives Kleben Faserverstärkter Kunststoff Magnesiumdruckguss Glas weitere Materialien: Aluminium, Stahl, Titan Holz, Textilien 2 Gruppe Kleben

31 Prüfung - mechanische Parameter Materialprüfmaschine Z050 (Zwick), 5N 50 kn 2 Gruppe Kleben

32 Prüfkörper Zugscherprobe nach DIN EN 1465 (Aluminium, Stahl ) Druckscherprobe nach Delo Norm 5 (Aluminium, Titan, Glas...) Kopfzugproben elastische Klebung Glas Aluminium Glas/Metall 2 Gruppe Kleben Edelstahl, Titan.

33 Torsionsmodul und Videoextensiometer Torsionsmodul: ein- und zweiachsige Belastungsuntersuchungen, Zug- oder Druck kombiniert mit Torsion (Torsionsantrieb 200 Nm) Videoextensiometer: Aramis 5M, Messung von dreidimensionalen Verformungen und Dehnungen Bildrate: Hz Kameraauflösung: Pixel Messbereich: mm 2 ->m 2 Dehnungsmessbereich: 0,01 - >100% Dehnungsgenauigkeit bis 0.01% 2 Gruppe Kleben

34 Alterungsprüfungen Suntest Klimakammer Pressure cooker Salzsprühkammer 2 Gruppe Kleben

36 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 geringe Temperaturbelastbarkeit, begrenzte thermische Formbeständigkeit geringe spezifische Festigkeit aufwendige Klebflächenvorbehandlung Kleben oberflächensensitives Verfahren exaktes Dosieren und Mischen bei Mehrkomponentenklebstoffen teilweise lange Härtezeiten, Fixierung! Alterung, Wasseraufnahme geringe Schälwiderstände, Kriechneigung schlechte Berechenbarkeit der Verbindungen Prüfung oft zerstörend begrenzte Reparaturmöglichkeit Recycling von Materialmix eventuell schwierig 3 Klebtechnik - allgemein

37 Klebfuge für die Klebfestigkeit spielt die Oberflächenbeschaffenheit der Fügepartner eine wichtige Rolle für die Adhäsion sind die obersten Schichten im nm-bereich wichtig in vielen Fällen muss die Oberfläche vor dem prozesssicheren Kleben vorbehandelt werden 3 Klebtechnik - allgemein

38 Klebprozess Oberflächenvorbehandlung konstruktive Gestaltung Fügematerialien Klebstoffauswahl und -auftrag Klebstoffaushärtung Prüfung Qualitätskontrolle 3 Klebtechnik - allgemein

40 reale Oberflächen Metall Glas Luft adsorbierte Gase OH OH OH OH OH H O H H O H O H Si H O O H Si H O H H H O O Si Si O H H H O H O H Si O H H O H Si H O H H O H Si Oxide Hydroxide Metall Salze polare Verbindungen unpolare Verbindungen störende anorganische und organische Schichten verschiedener Dicke 4 Oberflächenvorbehandlung

41 Kontaminationen auf Fügeteiloberflächen allgemein: Auf den Substratoberfläche befinden sich Verunreinigungen, die vom Herstellungsprozess herrühren, Feuchtigkeit und Staub. speziell: Material Metall Verunreinigung Fette, Öle, bei Eisen Rost Kunststoff Gummi Glas / Keramik Trennmittel, Weichmacher, weitere Additive, Staub Talkum, Wachse, Stabilisatoren Wachse, Feuchtigkeit 4 Oberflächenvorbehandlung

42 Vorbehandlung 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. 4 Oberflächenvorbehandlung

43 Oberflächenvorbehandlung Oberflächenbehandlung mechanische Verfahren physikalische Verfahren chemische Verfahren elektrochemische Verfahren schleifen schmirgeln bürsten strahlen Veränderungen der Topografie phys. Verfahren, die zu phys. Änderungen oder chem. Reaktionen führen nasse Verfahren waschaktive Stoffe trockene Verfahren organische Lösungsmittel schwach alkalisch/sauer Unterstützung durch Ultraschall Beflammung Corona Plasma Laser CVD- und PVD- Verfahren VUV nasse Verfahren trockene Verfahren chemisches Beizen nichtoxidierende Säuren oxidierende Säuren stark alkalisch elektrolytisches Beizen Konversionsbeschichtung (Chromatieren, Phosphatieren) Fluorierung Ozonisierung chemische Reaktionen anodische Oxidation plasmachem. Anodisierung Hochleistungs-US 4 Oberflächenvorbehandlung

44 Oberflächenvorbehandlung kombinierte Verfahren mechanisch-chemisch thermisch-chemisch SACO-Verfahren Pyrosil (Silicoater-V.) 4 Oberflächenvorbehandlung

45 Oberflächenvorbehandlung Nach der EU-Altautoverordnung dürfen ab dem Jahr 2007 z.b. für Vorbehandlungen keine Cr(VI)- Verbindungen mehr verwendet werden. Suche nach alternativen Vorbehandlungsverfahren nasschemische Verfahren tensidfreie wässrige Waschlösungen Reinigung + Ti-, Zr-, Ce-, Si-oxidschichten elektrochemische Verfahren physikalische Verfahren Plasma- und Lasertechnologien 4 Oberflächenvorbehandlung

47 Lasereinsatz in der Klebtechnik Qualitätskontrolle 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

48 Lasereinsatz in der Klebtechnik Kombination von Remotelaserschweißen und Kleben Qualitätskontrolle Laserfixierung von Twintexgewebe 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

49 Lasereinsatz in der Klebtechnik diodenlaserinduziertes Kantenanleimverfahren Qualitätskontrolle 4.2 Laser 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

50 Laservorbehandlung - allgemein Definition Laserreinigen: Prinzip: Abtragen dünner Schichten im Mikrometer-Bereich durch Einwirken kurzer Laserimpulse hoher Energie verwendete Laser: Laserstrahl CO 2 -Laser Infrarot Ablagerungen Expandierend Plasma/Dampf/Partikel Eindringtiefe der Strahlung Abtragsbereich wärmebeeinflusste Zone Festkörper-, Diodenund Faserlaser Excimerlaser sichtbar UV 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik

51 Nd:YAG-Laser Laseranlage CL 120 mit Faserlaser CL 50 der Fa. Clean Lasersysteme Strahlprofil Strahlverteilung einer nicht homogenisierten Strahlquelle (Gaussshape beam deviation) blitzlampengepumpt gütegeschaltet (Q-Switch) 1D- und 2-D Scannerköpfe Wellenlänge: max. mittlere Leistung: Pulsspitzenleistung: Pulsfrequenz: Pulsdauer: homogenisierter Strahl durch Faserkopplung (top-hat beam deviation) 1064 nm 120 W (CW) 120 kw 8 khz F 40 khz 100 ns P 300 ns 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik