Klebtechnik. Kleben im Fahrzeugbau. Intelligente Lösungen für die Verkehrstechnik

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1 Klebtechnik Kleben im Fahrzeugbau Intelligente Lösungen für die Verkehrstechnik

2 Inhalt Neue Möglichkeiten im 1 Fahrzeugbau Sicheres Fügen in der 3 Verkehrstechnik Abgestimmte Schritte für 4 die optimale Lösung Maßgeschneiderte Systeme 5 für die Produktion! Bilder Titelseite (Bild links) Abdichten eines Airbag- Steuergerätes: Der Roboter bewegt das Bauteil unter einer feststehenden Klebstoffdüse (Bild: Reinhardt Technik GmbH & Co., Kierspe) (Bild Mitte) Dickschichtklebung: Verbindung von Polycarbonat und Aluminium (Bild rechts) Strukturell geklebte Polycarbonat- Fenster und Sitzreihen in einer Hochgeschwindigkeits-Einrumpffähre (Bild Henkel-Teroson GmbH, Heidelberg, Schiffbau: Fr. Lürssen Werft, Bremen) Fraunhofer-Gesellschaft (FhG) Forschungspartner der Industrie Die Fraunhofer-Gesellschaft ist die führende unabhängige Trägerorganisation für Einrichtungen der angewandten Forschung in Europa. Sie betreibt derzeit 56 Forschungseinrichtungen mit etwa Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern an Standorten in der gesamten Bundesrepublik. Schwerpunkte des jährlichen Forschungsvolumen von rund 900 Millionen Euro ist die Vertragsforschung für Industrie und öffentliche Hand, deren Ergebnisse einen wichtigen Beitrag zur Sicherung des Inustriestandortes Deutschland leisten. IFAM Kompetenz und Know-how Klebtechnik und Oberflächen Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung - Klebtechnik und Oberflächen (IFAM) ist die europaweit größte unabhängige Forschungseinrichtung auf dem Gebiet der industriellen Klebtechnik. Mehr als 90 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sind mit der Forschung und Entwicklung für diese Fügetechnik beschäftigt. Ihr Ziel sind anwendungsorientierte klebtechnische Systemlösungen für die Wirtschaft. Multifunktionale Produkte, Leichtbau und Miniaturisierung erreicht durch die intelligente Kombination von Werkstoffen bieten neue Möglichkeiten, auf deren Realisierung sich das IFAM versteht. Die Arbeiten des Instituts reichen von der Grundlagenforschung über die Fertigung bis hin zur Markteinführung neuer Produkte. Die industriellen Einsatzfelder liegen im Anlagenund Fahrzeugbau, in der Mikrofertigung sowie in der Verpackungs-, Textil- und Elektroindustrie. Der Arbeitsbereich Klebtechnik befasst sich vorrangig mit der Entwicklung und Charakterisierung von Klebstoffen, mit der konstruktiven Gestaltung von Klebverbindungen sowie ihrer Realisierung und Qualifizierung. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf zertifizierenden Aus- und Weiterbildungen in der Klebtechnik, denn eine zeitnahe, direkte und kompetente Personalqualifizierung wird beim Technologietransfer immer bedeutender. Der Arbeitsbereich Oberflächen ist in die Gebiete Plasmatechnik und Lacktechnik gegliedert. Hier geht es um die Vorbehandlung von Oberflächen der verwendeten Materialien. Dadurch werden den Werkstoffen zusätzliche Eigenschaften verliehen, die sie für weitere Anwendungsbereiche qualifizieren. Ein von beiden Bereichen bearbeitetes Feld ist die Oberflächenund Grenzflächenanalytik. Das dort erlangte Basiswissen gewährleistet die Zuverlässigkeit von Klebverbindungen und Beschichtungen.

3 Neue Möglichkeiten im Fahrzeugbau Im Leichtbau werden die Eigenschaften der am besten geeigneten Werkstoffe optimal ausgenutzt. Die Kombination dieser Werkstoffe führt auf zahlreichen Ebenen zu deutlichen Vorteilen für Hersteller und Nutzer. Wenn verschiedene Werkstoffe miteinander kombiniert werden, kann ihr unterschiedliches Ausdehnungsverhalten ein Problem sein. Die Elastizität einer Klebverbindung ist hier ein unschätzbarer Vorzug. Mehr Leistung, weniger Kosten Moderne Leichtbauweisen haben den Fahrzeugbau in der jüngeren Vergangenheit revolutioniert. Ob Schiffe, Flugzeuge, Automobile oder Schienenfahrzeuge: Die Verwendung der geeignetesten Materialien führte zu bemerkenswerten Verbesserungen bei Gewicht, Sicherheit und Komfort. Gleichzeitig wurden Kosteneinsparungen erzielt. Möglich wurde dies durch den intelligenten Einsatz der modernen Klebtechnik. Sie lässt bislang nicht realisierbare Werkstoffkombinationen zu in der Verkehrstechnik beispielsweise die Verbindung von Glas und Stahl, Aluminium und Magnesium oder von Faserverbundwerkstoffen mit Metall. Über den Klebstoff lassen sich zusätzliche Funktionen integrieren, etwa Vibrationsdämpfung, elektrische Isolation oder Korrosionsschutz. Ebenso führt diese äußerst flexibel einsetzbare Fügetechnik zu einer wesentlichen Erhöhung der Steifigkeit von Fahrzeugen. Klebverbindungen halten heute höchsten Anforderungen stand. Sie lassen sich hervorragend mit mechanischen Fügeverfahren wie Durchsetzfügen, Nieten, Schrauben und auch Punktschweißen kombinieren. (Bild oben) Schienenfahrzeug in Leichtbauweise: Versteifung einer Stahlfachwerkkonstruktion durch elastisches Aufkleben von vorgefertigten GFK-Leichbaustrukturen und Einkleben der Fensterelemente (Bild: ADtranz) (Bild unten) Hochgeschwindigkeits-Einrumpffähre (Bild: Fr. Lürssen Werft, Bremen) Optimale Lösungen Ausgehend von den spezifischen Anforderungen des Kunden entwickelt das IFAM für das Kleben im Fahrzeugbau die geeignete Lösung. Im Mittelpunkt stehen dabei die Sicherheit und Langzeitbeständigkeit der Klebverbindung. Unter Berücksichtigung sämtlicher Rahmenbedingungen wird sie in einem intensiven Prozess so ausgestaltet, dass neben Verbesserungen bei der Fertigung und beim Gebrauch des Fahrzeuges auch ein deutlicher Einsparungsvorteil entsteht. Klebtechnik Kleben im Fahrzeugbau 1

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5 Sicheres Fügen in der Verkehrstechnik Gummielastische Klebstoffe kommen beim Bau von Schiffen, Schienenfahrzeugen, Nutzfahrzeugen und PKW zum Einsatz. Im Schiffbau werden beispielsweise Polycarbonat-Scheiben auf die Aluminium-Außenstruktur geklebt. Elastisch-plastische Klebstoffe werden im Karosserie- und Flugzeugbau verwendet. Eine leistungsfähige Verbindung Klebverbindungen unterliegen in der Verkehrstechnik erheblichen Anforderungen. Sie müssen über einen langen Zeitraum Lasten übertragen sowie Dehnungen und Verschiebungen aushalten. Gleichzeitig soll die Verbindung möglichst widerstandsfähig gegenüber Veränderungen z. B. durch Feuchtigkeit oder Betriebsmittel sein. Zudem muss sie gegen Ermüdung durch mechanische Wechselbelastungen betriebsfest ausgelegt werden. Für eine hochwirksame Klebung kommt es daher neben der richtigen Klebstoffauswahl auf eine geeignete Oberflächenvorbehandlung, eine optimale Berechnung und Auslegung der Verbindung sowie die richtige Applikation des Klebstoffes an. (Bild oben) Im Werkstoffprüflabor werden die für den speziellen Anwendungsfall entwickelten Klebverbindungen getestet. Die Zugscherproben zeigen eine elastische Dickschichtklebung, die Polycarbonat und Aluminium verbindet und im Schiffbau zur Anwendung kommt. Die Vorbehandlung der Oberflächen erfolgt anwendungsnah. Sie kann in der Serienfertigung problemlos automatisiert werden. Ansprechpartner Oberflächen: Dr. Guido Ellinghorst Telefon +49 (0) 421 / eh@ifam.fraunhofer.de! Studie zur Erprobung neuer Bauweisen im Schienenfahrzeugbau. Das Probebauteil wurde unter Verwendung von gummielastischen und elastisch-plastischen Klebstoffen gefügt. Die Arbeiten wurden in Kooperation mit der Siemens AG (Transportation Systems, Train Engineering) durchgeführt. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF unter 03N3084 gefördert. Oberflächenvorbehandlung Oberflächen spielen im Klebprozess eine wichtige Rolle. Wo es möglich ist, kann eine geeignete Vorbehandlung Oberflächen zusätzliche Eigenschaften verleihen. Sie werden gereinigt und aktiviert, damit Lacke, Farben oder Klebstoffe besser darauf haften. Ein Beispiel ist die nasschemische Behandlung von Aluminium im Flugzeugbau, die die Langzeitbeständigkeit einer Klebverbindung entscheidend verbessert. Das Verhalten des Klebstoffs zu Beschichtungen, Kunststoffen, Metallen, Glas oder Keramik ist ein entscheidender Aspekt beim»design«der Klebverbindung. Mit dem Arbeitsbereich»PLATO Plasmatechnik und Oberflächen«verfügt das IFAM über exzellentes Know-how. (Bild unten) Düsenstöcke einer Atmosphärendruck-Plasmaanlage zur Reinigung, Aktivierung und Beschichtung von Oberflächen im kontinuierlichen Inline-Betrieb. Klebtechnik Kleben im Fahrzeugbau 3

6 Abgestimmte Schritte für die optimale Lösung Die»Eisenbahn«besteht nur noch zu einem geringen Teil aus Eisen. Auf die Fachwerkstruktur des Rahmens von Nahverkehrszügen werden Aluminium, Glas oder Faserverbundwerkstoffe geklebt. Auch beim ICE und Transrapid kommt in wichtigen Bereichen die Klebtechnik zum Einsatz. Dem Wechselspiel von Simulation und überprüfenden Belastungsversuchen liegen bewährte Methoden zu Grunde. Ansprechpartner Auslegung: Dr. Markus Brede Telefon +49 (0) 421 / mb@ifam.fraunhofer.de Berechnung und Auslegung Kern des IFAM-Angebotes für das Kleben im Fahrzeugbau ist die optimale Auslegung der Klebverbindung nach den speziellen Bedürfnissen des Kunden. Ist das Anforderungsprofil bekannt, wird in zahlreichen aufeinander abgestimmten Schritten die bestmögliche Verbindung herausgefiltert. Das»Design«beginnt bei der Entscheidung für einen hochflexiblen, gummielastischen Klebstoff oder einen eher steifen, elastisch-plastisch wirkenden Klebstoff. In Versuchen wird die Verbundfestigkeit der Klebung ermittelt: Welche Kräfte müssen aufgewendet werden, um diese zu zerstören? Die Art des Bruches ergibt weitere Anhaltspunkte für die Auslegung. Beim»Kohäsionsbruch«tritt der Schaden in der Klebschicht auf, so dass die Festigkeit des Klebstoffes für die Festigkeit der Verbindung ausschlaggebend ist. Beim»Grenzschichtbruch«tritt das Versagen in der nur wenige tausendstel Millimeter dünnen Grenzschicht von Fügeteil und Klebstoff auf. In zahlreichen experimentellen Versuchen wird das Versagensverhalten unter verschiedenen Bedingungen beispielsweise unterschiedlichen Temperaturen - ermittelt. Die so gewonnen Daten definieren verschiedene Versagenskriterien und ermöglichen rechnerische Simulationen, die auf kritische Zonen sogenannte hotspots hinweisen. Durch ein Wechselspiel von Simulation und überprüfenden Belastungsversuchen wird die Verbindung immer mehr an ihre Grenzen herangeführt. Diese Methodik führt zum Design einer Klebverbindung, die den geforderten Spannungen und Dehnungen standhält und auf die Anforderungen der Anwendung abgestimmt ist. Dabei werden auch die Beschaffenheit und Geometrie der Fügepartner sowie die Produktionsbedingungen berücksichtigt. (Bild oben und unten) Klebverbindung einer Stahl-Sandwichbodenplatte aus dem Schiffbau (Bondship-Projekt Jos. Meyer-Werft, Pabenburg) 4 Klebtechnik Kleben im Fahrzeugbau

7 Maßgeschneiderte Systeme für die Produktion Airbags sind überlebenswichtig. Um Fehlfunktionen etwa zu spätes Auslösen zu verhindern, muss die empfindliche Elektronik vor äußeren Einflüssen zuverlässig und dauerhaft geschützt werden. Die hermetische Abdichtung des aus drei verschiedenen Materialien bestehenden Gehäuses erfolgt durch Klebstoff in der Serienfertigung mehrere tausend Mal am Tag. Ansprechpartner Fertigungsplanung: Dipl.-Ing. Stephan Kim Telefon +49 (0) 421 / kim@ifam.fraunhofer.de Ansprechpartner Fertigungstechnik: Dipl.-Ing. Manfred Peschka Telefon +49 (0) 421 / pe@ifam.fraunhofer.de Fertigung und Applikation Zu einer leistungsfähigen Klebverbindung gehören neben der optimalen Berechnung und Auslegung auch eine durchdachte Fertigungsplanung mit sicheren Vorbehandlungs- und Applikationstechniken. Als Full-Service- Dienstleister für das Kleben im Fahrzeugbau bietet das IFAM in diesen Bereichen ebenfalls umfangreiches Know-how an. Mit einer rechnergestützten Montageplanung werden die Abläufe der Fertigungsprozesse simuliert. Die Berücksichtigung aller relevanten Kenngrössen wie Arbeitsraumbetrachtung, Zugänglichkeit, Taktzeiten usw. und die leichte Möglichkeit ihrer Veränderung in der Simulation erlaubt schon frühzeitig Rückschlüsse auf den realen Ablauf. Diese Untersuchungen im Vorfeld ermöglichen ökonomische Entscheidungen über den Grad der Automatisierung im späteren Produktionsprozess. Die individuelle, kundenspezifische Ausformung dieses Prozesses durch die detaillierte Fertigungsplanung im IFAM führt zu maßgeschneiderten Lösungen und vermeidet Fehlentwicklungen. Dies gilt auch für die Klebstoffapplikation. Die besonderen physikalischen Eigenschaften jedes Klebstoffes erfordern eine angemessene Behandlung und Verarbeitung. Anhand der Kenngrößen aus Prozess und Klebstoffentwicklung ermittelt das IFAM aus dem großen Angebot eine Auswahl der am besten geeigneten Anlagenkomponenten beispielsweise Mischsysteme, Pumpen oder Antriebe. Diese Auswahl wird dann unter industrienahen Bedingungen praktisch überprüft. Hier bietet das IFAM individuelle, modular aufgebaute Konzepte an, die zu einem optimalen Ergebnis führen. (Bild oben und Mitte) Digital Engineering IFAM-Entwicklung»Adhesive Analysis V1.0«zur rechnergestützten Spaltmaßbestimmung am Beispiel der Landeklappe im Flugzeugbau (hier: optisch vermessene CFK-Beplankung und Versteifungsrippe). Die durch das System entsprechend aufbereiteten Daten werden für die offline-programmierung der Roboter genutzt, so dass der Materialauftrag automatisiert erfolgen kann. (Bild unten) Fertigung von Hecktüren für Kompaktfahrzeuge: geregelte, geschwindigkeitsproportionale Klebstoffapplikation. (Foto: Reinhardt Technik GmbH & Co., Kierspe) Klebtechnik Kleben im Fahrzeugbau 5

8 Weiteres Informationsmaterial aus den Arbeitsbereichen: Klebtechnik Plasmatechnik und Oberflächen ist erhältlich. IFAM Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Klebtechnik und Oberflächen Institutsleitung: Prof. Dr. Otto-Diedrich Hennemann Wiener Straße 12 D Bremen Telefon +49 (0) 421 / Telefax +49 (0) 421 / ktinfo@ifam.fraunhofer.de Werkstoffe und Bauweisen Leitung: Dr. rer. nat. Markus Brede Telefon +49 (0) 421 / mb@ifam.fraunhofer.de Weitere Informationen: