Kleben statt schrauben

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1 Das NMI ist Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg Forum Leichtbau für die Produktion Dr.-Ing. Astrid Wagner Kleben statt schrauben Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen

2 Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen, Reutlingen gegründet 1985 gemeinnützige Stiftung bürgerlichen Rechts 180 Mitarbeiter Umsatz 13,1 Mio.Euro (2011) anwendungsorientierte Forschung Dienstleistungen für industrielle Kunden Akkreditiertes Qualitätsmanagement-System nach ISO An-Institut und Innovationspartner der Universität Tübingen Partner im Spitzencluster MicroTEC Südwest Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg Geschäftsfelder Pharma und Biotechnologie Biomedizintechnik Oberflächen- und Grenzflächentechnologie 2

3 Zur Geschichte der Klebtechnik- Entwicklung der Klebtechnik Kleben: wichtigste Verbindungstechnik des 21. Jahrhunderts 5500 v.chr. bis 2200 v.chr. (Jungsteinzeit): Fügen von Beilklingen und Speerspitzen an Holzstielen mittels Birkenharz und Bienenwachs 1500 v.chr.: frühgeschichtliche Leimherstellung in Ägypten: Männer bei der Leimverarbeitung 1300 v. Chr.: Grabbeigabe des ägyptischen Königs Tut-Anch-Amun: Leimbrocken Quelle: Südtiroler Archäologiemuseum Quelle:

4 Zur Geschichte der Klebtechnik- Kleben in der Natur Langzeitstabile Klebungen unter Wasser: Essbare Miesmuschel (lat. Mytilus edulis) Quelle: Bild: Rafal Konkolewski Quelle: Adhäsion Kleben & Dichten, 9.04 Wespennester: Geklebte Leichtbau-Strukturen in der Natur Quelle: Vorlesung Klebtechnik, TU Kaiserslautern, Prof. Dr.-Ing. P.L. Geiß

5 Zur Geschichte der Klebtechnik- Klebstoffe aus der Natur Mineralische Bindemittel gebrannter Kalk Gips Bitumen (Erdpech) natürliche Vorkommen Baumharze Stärkeleim Dispersion Stärkekleister (Milchsaft) Kleber Harze (Pinien) Proteinleim Knochenleim Hasenleim Fischleim Gelatine Casein z.b. Fliesenklebstoffe z.b. Schmelzklebstoffe z.b. Dispersionsund Haftklebstoffe z.b. Etikettenklebstoffe z.b. medizinische Klebstoffe Nachteil der Naturklebstoffe: Sprödigkeit oder mangelnde Beständigkeit! Quelle: Vorlesung Klebtechnik, Prof. Dr.-Ing. P.L. Geiß, TU Kaiserslautern, SS 2008

6 Zur Geschichte der Klebtechnikstrukturelles Kleben in allen Industriebereichen Wegbereiter für die heutige Klebtechnik: Luftfahrt Starrluftschiffe von SCHÜTTE-LANZ ( ): mit Kaseinleim geklebte Holzkonstruktion als Traggerüst 1930er Jahre: Bau von Flugzeugen mit Holzkonstruktionen Eingesetzte Klebstoffe: Mischungen aus Harnstoff und Formaldehyd, später synthetische Phenolharze Feststellung: auch feste und zuverlässige Verbindung von metallischen Werkstoffen Entwicklung europäische Flugzeugbauer: Ersatz der Fügetechnik Nieten durch Klebverbindungen Konstrukteure der Firma Fokker: 1955 erstes Exemplar einer zweimotorigen Propeller-Verkehrsmaschine, 2/3 von Aluminiumrumpf und -tragflächen geklebt Modell F-27 wurde für seine Unverwüstlichkeit berühmt Quelle: W. Brockmann, et. al.: Klebtechnik- Klebstoffe, Anwendungen und Verfahren, Wiley- VCH, Wienheim (2005) Fokker F Quelle: Wikipedia Quelle: Vorlesung Klebtechnik, TU Kaiserslautern, Prof. Dr.-Ing. P.L. Geiß

7 Einsatz der Klebtechnikstrukturelles Kleben in allen Industriebereichen Der deutsche Klebstoffmarkt 2011: Schlüsselmarktsegmente Montage 3% Elektronik 7% Holzverarb. 8% Papier/Verp. 35% Bau/Handw. 19% Quelle: Industrieverband Klebstoffe e.v., Düsseldorf Haushalt 10% Schuh/Leder 1% Fahrzeugbau 17%

8 Einsatz der Klebtechnik- Kleben in der Papier- und Verpackungsindustrie Anwendungsspektrum für Klebstoffe im Bereich Papier- und Verpackung: A Z (aromadichten Verpackungen bis Zigarette) Einsatz von bis zu sieben unterschiedliche Klebstoffen, um aus Tabak, Filtermaterial und Papier eine fertig konfektionierte und verpackte Zigarette herzustellen Moderne Dispersionsklebstoffe: Produktionsgeschwindigkeit von ca. 1 Million Zigaretten pro Stunde Ohne Klebstoffe könnte man Zigaretten nur in der Pfeife rauchen! Bild: Etikettenherstellung: breite Palette unterschiedlicher Klebstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen "leicht ablösbar : Haft-Merkzetteln "bombenfest : TÜV-Plaketten Flaschenetiketten: Geschwindigkeit von bis zu Flaschen/h Kaseinklebstoffe sind eiswasserbeständig aber auch recyclinggerecht (Ablösung von Etiketten für Mehrwegflaschen in Reinigungsanlagen leicht und wenig umweltbelastend)

9 Einsatz der Klebtechnik- Kleben im Bauwesen Tapeten, Bodenbeläge, Isolierglasfenster, Structural-Glazing- Fassaden nur durch den Einsatz von Kleb- und Dichtstoffen möglich Bodenbeläge (z.b. Linoleum, Gummi- und Textilbeläge sowie Fliesen und Parkett) fordern je nach Anwendungsbereich unterschiedliche Anforderungsprofile Gummibeläge (Flughäfen und Bahnhöfen): maschinelle Nassreinigung; mechanische Beständigkeit gegen Rotationsbürsten der Reinigungsmaschinen sowie Beständigkeit gegen in die Klebefuge eindringendes Wasser OP-Bereiche, Räumen mit EDV-Anlagen: Voraussetzung elektrische Leitfähigkeit von Belag und Klebstoff Laboratorien: Chemikalienbeständigkeit der Klebstoffe für keramische Beläge

10 Einsatz der Klebtechnik- Kleben im Fahrzeugbau Kleben im PKW-Rohbau Bördelfalzklebungen Einsatz Multifunktionaler Klebverbindungen Beispiel: Scheibenklebung Automatischer Swirl- Klebstoffauftrag KUKA Schweißanlagen GmbH Alle Bördelfalze werden geklebt Vorteile Steifigkeit Crashverhalten Korrosionsschutz Quelle: Vorlesungsreihe Ingenieur & Zukunft, TU Kaiserslautern, Dr.-Ing. S. Emrich

11 Einsatz der Klebtechnik- Kleben von Faser-Kunststoffverbunden (FKV) Einsatz von Verbundwerkstoffen als Beitrag zum energiesparenden Leichtbau Vorteile: hohe Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht Quelle: Henkel Beispiel: BMW M3 CLS: CFK-Dach in Sichtoptik als Ersatz für Stahldach Anforderungen: Integration in bestehenden Produktionsprozess Designqualität (Class-A) Geringe Stückzahlen Kleben auf Decklack Kleben bei Raumtemperatur Handhabungsfestigkeit <100min Einsatz von 2 Klebstoffsystemen Umlaufend 2K-PU-Strukturklebstoff auf Punktschweißflansch 1K-PU-System für die Unterfütterungsklebung Quelle: Adhäsion, 12/2004

12 Kleben statt Schrauben? Verbinden von Bauteilen durch Schrauben Vorteile: einfache Montage und Demontage lösbare Verbindung hohe Temperaturbeständigkeit wiederverwendbare Verbindung Verbindung unterschiedlicher Werkstoffen keine Gefügeveränderungen gut berechenbar Quelle: Nachteile hohe Kosten zu Kleb-, Schweiß-, Nietverbindungen Korrosionsanfälligkeit aufwändige Vorbereitung durch Bohren, Gewinde Schwächung der Bauteile durch Bohrungen, Erzeugung von Spannungsspitzen nicht kontrolliertes anziehen führt zur plastische Verformung Einsatz von 08/15 -Schrauben in der Industrie oft nicht möglich, viele spezielle Schrauben für unterschiedliche Einsätze Quelle: Quelle:

13 Kleben von Kunststoffen Die Benetzung einer Oberfläche ist eine notwendige, jedoch keine hinreichende Voraussetzung für eine gute Klebung! Verringerung der Benetzungsfähigkeit Verbesserung der Benetzbarkeit durch Oberflächenvorbehandlung Quelle: Polytec PT GmbH

14 Verfahren der Oberflächenvorbehandlung Oberflächenvorbehandlung Vorbereitung Vorbehandlung Nachbehandlung Gestalt Zurichten der Teile Anpassen der Flächen Fläche Entfernen sichtbarer Schichten Reinigen und Entfetten Haftvermittleranwendungen Aufrechterhaltung Primeranwendungen Grundierung Chromatierung Steigerung mechanisch chemisch thermisch elektrisch Schmirgeln Bürsten Strahlen Beizen Anodisieren Fluorieren Beflammen Plasmabogen Coronaentladung Niederdruck -plasma

15 Kleben von Kunststoffen Überprüfung der Benetzungsfähigkeit einer Oberfläche z.b. mittels Randwinkelmessungen Testtinten Quelle: Polytec PT GmbH Quelle: AWOK, TU KL Oberflächenenergie Fügeteiloberfläche Oberflächenenergie Klebstoff

16 Plasma-Technologie Was passiert in der Vakuum-Kammer? Vakuumkammer Prozessgase ENERGIE Abbauprodukte Modifizierte Oberfläche Werkstück 16

17 Niederdruckplasma-Technologie Möglichkeiten des Einsatzes von Niederdruckplasma Reinigung Funktionalisierung Beschichtung Quelle: Prof. Dr. V. Bucher, NMI Reutlingen

18 Vorbehandlung von Kunststoffoberflächen- Atmosphärendruckplasma Spannungsversorgung Gasversorgung (Luft, Stickstoff) Blende mit Bohrungen Isolator Elektrode Entladungszone Edelstahlgehäuse Plasma (potentialbehaftet) Precursorgas Substrat Düsenkopf mit seitlichem Einlass Plasma

19 Vorbehandlung von Kunststoffoberflächen- Atmosphärendruckplasma Verschiedene Anwendungen für Openair -Plasma Aktivierung nm-bereich aktivieren nur oberste Molekülschichten werden beeinflusst (hydrophile Gruppen werden in die Polymerketten Kunststoff eingebaut) Reinigung organische Kontaminationen werden entfernt (Oxidation / Verdampfung) nm- bis µm- Bereich org. Kontamination Kunststoff / Metall / Glas entfernen Beschichtung Abscheidung von Schichten durch Einspeisung von Zusatzstoffen (unterschiedliche Oberflächeneigenschaften möglich) nm- bis µm- Bereich Beschichtung Kunststoff / Metall / Glas aufbringen

20 Aktivierung und Reinigung mit Atmosphärendruckplasma vor dem Kleben XPS Analyse PET C - C Binding Energy ( ev ) PP: unbehandelt (Oberflächenenergie: 27,0 mn/m) 8 6 C = O O = C - O C - OH C - O - C C - C Binding Energy ( ev ) PP: Plasma behandelt (Oberflächenenergie bis 72 mn/m) Atom % unbehandelt PET-Oberfläche behandelt Einbau von Sauerstoff und Stickstoff in die Polymeroberfläche 2 C O N Fraunhofer Institut Fertigungstechnik Materialforschung

21 Aktivierung und Reinigung mit Atmosphärendruckplasma vor dem Kleben Aktivierung von Kunststoffen EPDM-Profilvorbehandlung vor der Beflockung (Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk) PP- Scheinwerfergehäusen (Inline- Verfahren) PP-Folien (Ionisationsgas:Stickstoff, große Breiten (40 Düsen/m)) Quelle: Plasmatreat GmbH

22 Aktivierung und Reinigung mit Atmosphärendruckplasma vor dem Kleben 2 K-Epoxy System: Härtung bei 80 C, 2 h 1 5 Zugscherkraft [MPa] M P a M P a M P a 0. 5 M P a M P a M P a 0. 3 M P a 8. 4 M P a 8. 9 M P a PP (ohne Vorbehandlung) PP AD-Plasma (direkt verklebt) PP AD-Plasma (verklebt nach 8w 60 C, 50% r.h.) PVDF (ohne Vorbehandlung) PVDF AD-Plasma (direkt verklebt) PVDF AD-Plasma (verklebt nach 8w 60 C, 50% r.h.) ECTFE (ohne Vorbehandlung) ECTFE AD-Plasma (direkt verklebt) ECTFE AD-Plasma (verklebt nach 8w 60 C, 50% r.h.) PP: Polypropylen PVDF: Polyvinylidenfluorid ECTFE: Ethylenchlorotrifluoroethylene 0 22

23 Anwendungsbeispiel: Kleben von Polyphenylsulfon (PPSU) Fertigung von Sterilcontainern aus Polyphenylsulfon (PPSU) zur Sterilisation von chirurgischen Instrumenten durch einkleben von Silikonleisten am äußeren Rand des PPSU-Deckels Stand der Technik: Einsatz eines Primersystems zur Haftungsverbesserung Quelle: Aesculap AG Problematik: Reproduzierbare Applikation des Primers Ziel der Untersuchungen: Quelle: Aesculap AG Ersatz der Primerapplikation durch ein physikalisches Vorbehandlungsverfahren Vorteile:einfache und reproduzierbare Applikation/ Vorbehandlung

24 Anwendungsbeispiel: Kleben von PPSU Durchführung von Randwinkelmessungen Vorbehandlung von PPSU mit Atmosphärendruckplasma Niederdruckplasma Primer VUV-Excimerlampen Randwinkel Wasser [ ] Isoprop ADP1 ADP2 ADP3 ADP4 Spreitung Spreitung NDP1 NDP2 NDP3 NDP4 VUV5 VUV10 Primer Oberflächenvorbehandlung Messung der Oberflächenenergie aufgrund von starker Spreitung der Testflüssigkeiten nach Vorbehandlung nicht möglich (Isopropanol=39 mn/m) Daher: Auswertung des Randwinkels von Wasser Signifikante Verbesserung der Benetzbarkeit mit Wasser durch Vorbehandlung Mit abnehmender Vorbehandlungsintensität (steigender Abstand, zunehmende Vorbehandlungsgeschwindigkeit) Zunahme des Randwinkels Quelle: Projekt Kleben in der Medizintechnik- MediBond Isoprop ADP1 ADP2 ADP3 ADP4 NDP1 NDP2 NDP3 NDP4 VUV5 VUV10 Primer Isopropanol AD-Plasma d=5mm, v=2,25m/min AD-Plasma d=10mm, v=2,25m/min AD-Plasma d=5mm, v=4,5m/min AD-Plasma d=10mm, v=4,5m/min ND-Plasma, 100W, 170V, 10min, 10sccmO2, 40sccmAr, 4,0Pa ND-Plasma, 300W, 300V, 10min, 10sccmO2, 40sccmAr, 4,0Pa ND-Plasma, 650nm SiOx, 50sccmO2, 50sccm HMDSO, 100W, 200V, 4,0Pa ND-Plasma, 140nm SiOx, 50sccmO2, 50sccm HMDSO, 100W, 200V, 4,0Pa VUV 5sec. VU 10 sec. Primer 15 min ablüften

25 Anwendungsbeispiel: Kleben von PPSU Zugscherversuche Klebstoff: 1K-RTV Silikon Vorbehandlung von PPSU mit Isopropanol Isopropanol + Primer Atmosphärendruckplasma (AD) Niederdruckplasma (ND) AD- und ND-Beschichtung Zugscherfestigkeit [MPa] CF: Kohäsionsbruch, AF: Makroskopischer Adhäsionsbruch, SCF: Substratnaher spezieller Kohäsionsbruch AF Iso delaminiert Primer ADP 1 ungealtert gealtert 50 Zyklen HD+Aufb. delaminiert delaminiert SCF SCF SCF SCF ADP 4 CF delaminiert NDP 2 CF NDP 3 AF AF delaminiert VUV 5 AF delaminiert VUV 10 CF delaminiert AD-P + P1 AF delaminiert AD-P + P2 Vorbehandlung ADP 1 ADP 4 NDP 2 NDP 4 VUV 5 VUV 10 AD-P + P1 AD-P + P2 AD-Plasma, 5mm, 2,25m/min, z=-30mm AD-Plasma, 10mm, 4,5m/min, z=-25mm ND-Plasma, 300W, 300V, 10min, 10sccmO2, 40sccmAr, 4,0Pa ND-Plasma, 140nm SiOx, 50sccmO2, 50sccm HMDSO, 100W, 200V, 4,0Pa VUV 5 Sekunden VUV 10 Sekunden AD-Plasma Aktivierung + Polymerisation HMDSO, 20 m/min, Abstand 6mm AD-Plasma Aktivierung + Polymerisation HMDSO, 20 m/min, Abstand 12mm Isoprop Primer ADP1 NDP2 Verbesserung der Zugscherfestigkeit durch ADP erkennbar (4-6-fache), Bereich Primeranwendung Signifikante Verbesserung der Haftung durch ND- und AD-Polymerisation Quelle: Projekt Kleben in der Medizintechnik- MediBond

26 Zusammenfassung Einsatz der Klebtechnik in vielfältigen Industriebereichen Klebtechnik bietet in vielfältigen Anwendungsgebieten die Möglichkeit eine Substitution anderer Fügetechniken unter Berücksichtigung der Klebstoffspezifischen Eigenschaften Kostengünstige und flexible Möglichkeit zum Stoffschlüssigen Verbinden von Bauteilen in kleinen Stückzahlen Vorbehandlung (Aktivierung/ Beschichtung) der zu klebenden Fügeflächen darf nicht vernachlässigt werden Berücksichtigung des Alterungsverhaltens der Klebverbindungen unabdingbar

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen Dr.-Ing. Astrid Wagner Kleb- und Prüftechnik Mail: Tel: 07121/ inspiration strategie lösung strategie lösung zukunft lösung KLEBEN motivation aktion VISION MISSION motivation kreativität projekte motivation erfolg strategie zukunft inspiration motivation motivation inspiration projekte erfolg 27

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