Hybride Verbundbauteile mit Duroplasten. 23. September 2015 Hybrid Expo

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1 Hybride Verbundbauteile mit Duroplasten 23. September 2015 Hybrid Expo

2 Anforderungen an Motorraum und Antriebsstrang Der Motorraum und der Antriebsstrang bilden einen Fahrzeugbereich mit höchsten Anforderungen an die Bauteile und sind somit verantwortlich für die Hauptfunktionen eines Fahrzeugs Wirtschaftlichkeit und Effizienz eines Fahrzeugs Sicherheit des Fahrers Es darf zu keinem Ausfall kommen, durch wechselnde Temperaturen (Klimazonen) Unbeständigkeit gegen Betriebsstoffe unzulässige Permeabilität des Werkstoffs Kapillareffekte in Grenzflächen von Hybridbauteilen (Undichtigkeit)

3 WAS BEDEUTET EIGENTLICH DICHT? 3

4 Erfahrungswerte * Richtwerte für die Dichtigkeitsprüfung mit Luft Wasserdicht 0,5-12 [cm³/min] Öldicht 0,6-4,5 [cm³/min] Benzindicht 0,1 3,0 [cm³/min] 0,0006 für USA-Export [cm³/min] IPX4-Prüfung *Datenquelle: Dr. Wiesner Steuerungstechnik GmbH

5 Übertragbarkeit einer Leckrate auf IP-Schutzgrad und Kapillarkräfte Übertragbarkeit ist kaum bzw. nicht gegeben Zielkonflikt: Wasser versus Luftdichtheit Sehr kleine Spalte bieten gute Luftdichtheit erzeugen aber eine hohe Kapillarwirkung Wasser kann weitere Strecken kriechen Steighöhe von Wasser in einer zylindrischen Glasröhre d=1 mm h=14 mm d=0,01 mm h=1,4 m Schematische Darstellung der Steighöhe von Wasser in verschiedenen Glaskapillaren

6 MEDIENDICHTE VERBÜNDE AM BEISPIEL UMSPRITZTER STECKERKONTAKTE 6

7 Demonstrator Stanzgitter Umspritztes Stanzgitter Stanzgitter (CuSn6, verzinnt) mit drei Kontaktbahnen Umspritzwanddicke: 0,5 mm (beidseitig) 1 mm Beidseitige Verrippung des zweiten Tellers 1mm Auflagepunkt für die Prüfvorrichtung

8 Spaltbildung / mediendichter Verbund REM-Mikroskopie zeigt einen Spalt im Metall- Kunststoffverbund Bild: Nano Analytics GmbH

9 PBT 1 nf PBT 2 nf PBT 3 GF10 PBT 3 GF20 PBT 3 GF30 PBT 3 GF50 PBT 3 GK20 PBT 3 GK30 Leckrate [cm³/min] Einfluss der Füllstoffe auf die Dichtigkeit* Einfluss der Füllstoffe auf die Dichtigkeit Bauteilgeometrie "Stanzgitter" 0,00-0,10-0,20-0,30-0,40-0,50-0,60-0,70-0,80-0,90-1,00 keine Bauteilstressung nach Bauteilstressung II nach Bauteilstressung I nach Bauteilstressung III Bauteilstressung I: Bauteilstressung II: Bauteilstressung III: Klimawechsel 288 h bei -30 C bis +80 C + Warmlagerung über 168h bei 80 C Klimawechsel 168 h bei -40 C bis +125 C Klimaschock 168 h bei -40 C bis +150 C *Am Beispiel eines umspritzten Stanzgitters Demonstrator K.I.M.W

10 Einfluss des Umspritzmaterials auf die Dichtigkeit* *Am Beispiel eines umspritzten Stanzgitters Demonstrator K.I.M.W

11 MEDIENDICHTE VERBÜNDE AM BEISPIEL KUNSTSTOFF-KUNSTSTOFF KOMBINATIONEN 11

12 Dichtigkeit - Festigkeit zwischen Vor- und Endumspritzung Vorspritzling Fahrbarer Stift im Werkzeug zur Bauteilfixierung Vorspritzling Vorspritzling inkl. Inserts und finaler Umspritzung

13 Dichtigkeit - Festigkeit zwischen Vor- und Endumspritzung 1. Herstellen von halben Normprüfkörpern (Vorspritzlinge) für Zugprüfungen mit definierter Geometrie Vorspritzling 2. Zeitversetztes Hinterspritzen der Vorspritzlinge mit einer zweiten Komponente 2K Zugstab hergestellt im Umlegeverfahren

14 Einfluss der Verfahrensparameter auf die Verbundhaftung

15 DER WERKSTOFF DUROPLAST

16 Eigenschaften Duroplaste bestehen im Gegensatz zu Thermoplasten aus thermisch irreversibel vernetzten Makromolekülen Resultierende positive Eigenschaften: hohe Steifigkeit sehr gute Dimensionsstabilität geringe Kriechneigung gute elektrische und thermische Isolation extreme Temperatur-und Chemikalienbeständigkeit Keine bleibende Verformung

17 Der Werkstoff Duroplast Dünne Wanddicken realisierbar Geringe Viskosität = geringer Werkzeuginnendruck One shot Lösungen realisierbar bei empfindlichen Einlegeteilen Am Beispiel Elektromotoren hohe Temperaturbeständigkeit dünne Wandstärken hohe Durchschlagsfestigkeit keine Delamination Steifigkeit oder Elastizität gute Dimensionsstabilität gute Temperaturableitung Elektromotoren

18 Füllstoffe Die chemische Vernetzungsreaktion geht einher mit einer Volumenabnahme (Härtungsschwund) und führt zu Verzug, Einfallstellen, etc. UP-Harze ca. 6-9% EP-Harze bei ca. 3 %. Der Einsatz von Füllstoffen verringert den Härtungsschwund und kann über 90 % betragen. Gängige Zusätze sind Kreide Talkum Glasfasern Holzmehl Gangwahlhebel

19 Metalsubstitution durch Duroplaste Bisherige Umsetzungen hochbelasteter Einheiten vornehmlich in Metall Werkstoffwechsel am Beispiel Wasserpumpe vom Zinkdruckgussgehäuse über die Entwicklung und Realisierung in Duroplast Umgesetzte Bauteile innerhalb einer Wasserpumpe Lagergehäuse, Leckagedeckel, Flügelrad, Schutzkappe, Einlegering, Kolbenschieber, Spiralgehäuse, Thermostatdeckel Vorteile: Realisierung komplexer Geometrien Gewichtsreduzierung Energieeinsparung erhöhte Wirtschaftlichkeit Wasserpumpengehäuse

20 Umsetzung Duroplaste Beispiel Phenolharz (PF-GF) Vielfältige Anwendungen im Bereich von Kühl-und Bremssystem, Kraftstoffzuführung Antrieb Vorteile: Realisierung komplexer Geometrien Gewichtsreduzierung Energieeinsparung erhöhte Wirtschaftlichkeit Bremskolben Benzinpumpenteile

21 VERARBEITUNG

22 Fließfront Thermoplaste Quellströmung Parallelförmiges Geschwindigkeitsprofil Wandhaftung Druckaufbau bis zur Fließfont Duroplast Blockförmiges Geschwindigkeitsprofil Ausbildung eines unverdichteten Bereiches mit partiellem Wandkontakt Ausbildung einer Verdichtungslinie (isoboare), ab der ein kontinuierlicher Wandkontakt gegeben ist Druckaufbau erst ab der Isobaren Blockförmiges Geschwindigkeitsprofil bei der Verarbeitung von Duroplasten Quelle: ISK

23 Viskosität von Duroplasten a. Viskositätsminimierung durch Temperaturanstieg b. Viskositätserhöhung durch Vernetzung c. Überlagerung von a und b d. theoretisch günstigerer Viskositätsverlauf für einen Verarbeitungsprozess Quelle: ISK Geringe Werkzeuginnendrücke, bspw. bei EP ca. 40 bar ( one shot ) Möglichkeiten der Umhüllung sensibler Bauteile (Sensoren, etc.) Bei Verwendung von EP ist eine Anbindung Vor- und Endanspritzung in 2. Wärme möglich

24 AKTUELLE TÄTIGKEITEN AM KUNSTSTOFF-INSTITUT

25 Durchführen des Verbundprojektes Duro-Verbund Ziel des Projektes Teil 1: Dichtes Umspritzen mit Einlegeteilen Erreichbare Dichtigkeiten beim Umspritzen von metallischen Einlegeteilen mit Duroplasten gegenüber den Thermoplasten Praktische Spritzgießversuche mit einer Stanzgitterumspritzung Teil 2: Thermo- Duroplastverbünde Funktionalisierung des Duroplastbauteils durch eine Umspritzung mit einem Thermoplasten Praktischen Versuche mit teilnehmerspezifischen Materialkombination unter Berücksichtigung von Vorbehandlungsmethoden, Einfluss der Verfahrensparameter, etc

26 Dichtes Umspritzen von Einlegeteilen Dichtes Umspritzen mit Duroplasten Aufgrund der guten Verarbeitungseigenschaften ist eine dichte und schonende Umspritzung der Einleger in einem Schuss möglich. Ferner sind je nach Materialtyp sehr geringe Wanddicken (ca. 0,4mm) formstabil realisierbar Es können Bauteile bis zur Heliumdichtheit und Dichtigkeit gegen Flüssigstickstoff realisiert werden Praktische Untersuchungen am Beispiel: Umspritzung von Stanzgittern Dichtigkeitsprüfung der Versuchskombinationen, um u. a. eine Vergleichbarkeit der Dichtigkeitswerte mit thermoplastischen Kunststoffen aufzuzeigen Prüfung der Dichtigkeit mit der Differenzdruckprüfung Geometrie eines umspritzten Stanzgitters

27 Duroplast-Thermoplast Verbindung Funktionalisierbarkeit des Duroplastteils durch die Anbindung thermoplastischer Werkstoffe erweitern Dichtungen (hart/weich) Ausbildung von Fixierungen (Schnapphaken) Flexible Scharniere oder Montagehilfen Erstellung eines Versuchswerkzeugs mit unterschiedlichen Geometrien zur Prüfung von Verbundfestigkeiten und Oberflächeneigenschaften Prüfung nach Automobilstandards

28 Duroplast-Thermoplast Verbindung Untersuchungen in 2. Wärme Zu untersuchende Verbindung Anspritzen auf ein erkaltetes Duroplastbauteil mit einem thermoplastischen Kunststoff Anspritzen auf ein erkaltetes Thermoplastbauteil mit einem Duroplasten Variation der Verfahrensparameter und Einbinden von schnellen, effektiven Vorbehandlungsmethoden Atmosphärenplasma Corona Silikatisieren VUV-Vorbehandlung Strahlen

29 Duroplast-Thermoplast Verbindung Untersuchungen in 1. Wärme Reihenfolge Thermoplast Duroplast Duroplast dringt zum Schwindungsausgleich in das Innere des Thermoplasten ein Reihenfolge Duroplast Thermoplast Der Thermoplast komprimiert den unverdichteten Bereich, es liegt keine definierte Verbindungsstelle vor

30 Duroplast Thermoplast Maschinen- und Werkzeugtechnik Duroplast-Thermoplast Versuchswerkzeug 2K Versuchsmaschine Duroplast-Thermoplast

31 Verbundprojekt Duro-Verbund Teilnehmer 35 Projektteilnehmer aus unterschiedlichen Branchen Start November 2014 Projektlaufzeit 2 Jahre Projektstatus: Versuchswerkzeuge erstellt Versuchsdurchführung nach abgestimmten Versuchsplan gestartet Präsentation erster Ergebnisse im Dezember

32 Verbundprojekt Duro-Verbund Teilnehmer Teilnahme jederzeit möglich Kosten: 6560,00 pro Jahr Stand: C2/F

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Holger Weisser / +49 (0) / weisser@kunststoff-institut.de