Klebe - und Fügetechnologien- Forschung für die Industrie

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1 Klebe - und Fügetechnologien- Forschung für die Industrie Dipl. Chem. Renate Luhn Dr.- Ing. Sabine Sändig, Dr. rer. nat. Ursula Basler Günter - Köhler - Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH - 1 -

2 Gliederung Gliederung Forschungsschwerpunkte der Fügetechnik Forschungsthemen zum Kleben Anwendungsbeispiele Zusammenfassung - 2 -

3 Forschungsschwerpunkte Forschungsschwerpunkte auf dem Gebiet der Fügetechnik Diffusionsschweißen mit und ohne Zwischenschichten Löten mit Hart-, Weich- und Hochtemperaturloten Löten unter Vakuum, Schutzgas und normaler Atmosphäre Kleben mit organischen und anorganischen Klebstoffen Oberflächenaktivierung zur Verbesserung der Langzeitstabilität Anwendungsbereiche: Biotechnologie Medizintechnik Hochtemperaturtechnik Technische Gläser und Keramiken Mikro- und Sensortechnologie Luft- und Raumfahrt - 3 -

4 Forschungsthemen zum Kleben Kleben für Anwendungen über 300 C Untersuchungen zur Oberflächenaktivierung Kleben von Glas Keramik - Metall-Verbindungen - 4 -

5 Kleben für Anwendungen über 300 C - Kleben mit anorganischen Hochtemperaturklebstoffen 2000 C Anwendungstemperaturen 400 C 300 C 200 C 100 C C Anorganische Klebstoffe Polyimide Silicone max.350 C Epoxydharze Anorganische Klebstoffe Organische Klebstoffe Acrylate MS-Polymere Polyurethane Dispersionsklebstoffe - 5 -

6 Kleben für Anwendungen über 300 C - Kleben mit anorganischen Hochtemperaturklebstoffen Anorganische Zwischenschichten für Hochtemperaturanwendungen zum Fügen von Keramiken, Gläsern und Metallen Lote Keramik Fügefolien Anorganische Klebstoffe Lot Keramik - 6 -

7 Kleben für Anwendungen über 300 C - Kleben mit anorganischen Hochtemperaturklebstoffen Fügefolien mit geringer Sinterschwindung für Oxidkeramikverbunde Forschungsziel: Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung einer flexiblen Fügefolie F auf Basis von Al 2 O 3 und nanodispersen Aluminium Reduzierung der Folienschwindung im Fügeprozess durch Oxidation und Volumenzunahme der Metallphase Ergebnisse: arteigene keramische FügezoneF Geringere Sinterschwindung als bei herkömmlichen FügefolienF gleiche Eigenschaften von Fügezone F und Fügeteilen (chemische Beständigkeit) sehr guter Gefügeverbund an den Grenzflächen hohe Temperaturwechselbeständigkeit hohe Festigkeit Mikrostruktur der Übergangszone Keramikplatte mit aufgesetzten Schraubverbindungen - 7 -

8 Kleben für Anwendungen über 300 C - Kleben mit anorganischen Hochtemperaturklebstoffen Untersuchung des Haftungsverhaltens anorganischer Klebstoffe in hochtemperaturbeständigen Verbunden Experimenteller Ansatz Flexibilisierung der keramischen Matrix Verbesserung der mechanischen Festigkeit Optimierung der Pulverkomponente durch nanodisperse Zusätze Verbesserung der Medienbeständigkeit und Nassfestigkeit Neue Anwendungsfelder Klebstoffgefüge mit nanodispersen Zusätzen in MPA Anteil Nanokomponente Abhängigkeit der Klimabeständigkeit vom Anteil nanoskaliger Zusätze vor Klima Nach Klima ohne 1% 2-5 % 10% 50% - 8 -

9 Untersuchungen zur Oberflächenaktivierung AD-Plasmavorbehandlung von Keramik- und Glasoberflächen zur Verbesserung des Adhäsionsverhaltens beim Kleben Druckscherfestigkeit in MPa I = sehr gut; II = gut; III = schlecht; IV = keine Benetzung Al 2 O 3 -Keramik (anorganischer Klebstoff) 23,4 26,3 14,6 18,9 43,6 Atmosphärenplasma und Pyrosilverfahren ohne konz.h3po4 konz. NaOH Pyrosil Plasma - 9 -

10 Untersuchungen zur Oberflächenaktivierung Z u g s c h e r fe s t i g k e i t i n M P a Oberflächenbehandlung mit Laser und Atmosphärenplasma zur Fügeflächenvorbereitung für das Kleben von Metallen (Edelstahl) Laserspuren mit unterschiedlichem Energieeintrag Laserenergiedichte Zugscherfestigkeit nach DIN 1465 unbeh. niedr. Laserenergiedichte hohe Laserenergiedichte Zugfestigkeiten von Chrom-Nickel-Stahl-Klebverbindungen mit und ohne Oberflächenbehandlung (2-K-Epoxidharzklebstoff) F Plasma l ü b F Laserenergiedichte Bruchbilder der geprüften Klebverbindungen nach Laserbehandlung (überwiegend Adhäsionsbrüche)

11 Kleben von Glas Verbesserung der Alterungsbeständigkeit von Glasklebungen durch prozessintegrierte umweltverträgliche Oberflächenbehandlungsverfahren Untersuchung der Eignung physikalischer Oberflächenverfahren für die Herstellung langzeitbeständiger Glasklebeverbindungen. Bestimmung der chemischen und mechanischen Glaseigenschaften nach der Oberflächenbehandlung. Prüfung der Langzeiteigenschaften geklebter Glasklebeverbindungen an ausgewählten Beispielen. Ziel Realisierung langlebiger, alterungsbeständiger Glasererzeugnisse

12 Kleben von Keramik-Metall-Verbindungen Erzeugnisspezifische Keramik Metall - Klebeverbindungen Ausgehend von den Anforderungen der beteiligten Firmen wurden Klebetechnologien für die Werkstoffgruppen: Al 2 O 3 -Keramik/Messing, SiC-Keramik/Edelstahl, Edelstahl/Baustahl und SiC-Keramik/Kupfer unter Berücksichtigung anwendungsspezifischer Gesichtspunkte entwickelt. Prüfstand (GFE) und Prüfmuster nach dynamischer Prüfung

13 Kleben von Keramik-Metall-Verbindungen Klebtechnisches Verbinden von Hartstoffschneiden mit Schneideinsatzträgern für f r Hochleistungswerkzeuge Einsatz geeigneter Oberflächenvorbehandlungsverfahren vor dem Kleben Prüfung von Klebstoffen für f r die Eignung in der Werkzeugherstellung Optimierung des Schneidensitzes für f r die klebtechnische Fertigung Realisierung des Verbundes zwischen Hartstoffschneiden und Schneideinsatztr ideinsatzträgern: mit geringer FügteilerwF gteilerwärmungrmung hoher Präzision bei der Herstellung hohen Werkzeugstandzeiten im Einsatz und kostengünstigen nstigen Austausch verschlissener Werkzeugschneiden (Reparatur)

14 Machbarkeitsstudien für die Industrie Problemstellung Beanspruchungsanalyse Systematische Klebstoffauswahl Materialauswahl Oberflächenbehandlung Festlegung der Versuchsbedingungen Qualitätssicherung Technologieentwicklung Beanspruchungsgerechte Gestaltung Produktentwicklung

15 Optische und messtechnische Anwendungen Anwendungsbeispiele Kleben mit anorganische Klebstoffe hochtemperaturbeständig ausdehnungsangepasst vakuumdicht geklebte Saphirzylinder Aluminiumoxidkeramik Poröser Metallzylinder Hochtemperatursensor Feinmesstisch aus ZERODUR

16 Optische und messtechnische Anwendungen Anwendungsbeispiele Histerese eines geklebten Invarteiles Invarteiles im Vergleich zum reinen Material Kleben einer hochgenauen optischen Bank für Laserkomponenten Invar ROBAX Verbund

17 Neue Gaslanzengeneration für den Ofenbau Anwendungsbeispiele Materialien: SiC und Edelstahl Anforderungen: thermisch beständig bis 600 C gasdicht elektrisch leitend

18 Kleben von Glas Anwendungsbeispiele Glastür mit Aluminiumbeschlag Kleben mit organische Klebstoffen temperaturbeständig bis max. 300 C vakuumdicht feuchtigkeitsbeständig Zettelkasten Kameragehäuse aus Edelstahl mit Quarzglasfenster Konstruktive Glaselemente

19 Kleben von Kunststoffen Anwendungsbeispiele Lampenfassung Kleben mit elastischen und strukturellen organischen Klebstoffen Wasserdicht Klimabeständig Kunststoffgehäuse (Beobachtungsfenster) Dichten von Behältern aus GFK

20 Zusammenfassung Zusammenfassung Qualität von Klebverbindungen: Einflussfaktoren Art und Toleranzen der Fügeteile Klebgerechte Konstruktion Ausbildung der Mitarbeiter Eignung der Fertigungsmittel Klebstoffauswahl Fertigungssystem Kleben Klebstofflagerung Klebstofftransport Oberflächenvorbehandlung Klebstoffverarbeitung Klebstoffauftrag Fügen und Fixieren Nachgeschaltete Fertigungsschritte Lagerung Versand Härten bzw. Abbinden

21 Als wirtschaftsnahes Forschungsinstitut haben wir großes Interesse daran, mit Ihnen zusammenzuarbeiten Jede neue Anwendung ist eine Herausforderung. Wir freuen uns darauf, gemeinsam mit Ihnen, die beste Lösung für Ihren Anwendungsfall zu entwickeln. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!