Oberflächenvorbehandlung vor dem Kleben. Adil El Mernissi

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1 . Indstriearbeitskreis 7. Mai, Adil El Mernissi Prof. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann. Indstriearbeitskreis 7. Mai, Inhalt Einleitng Problemstellng, Ziel, Vorgehensweise Grndlagen der Klebtechnik Vor- nd Nachteile, Bindngskräfte in Klebngen, Vorbehandlngsverfahren, Beschichtngsreagenzien, Klebstoffe Verschsbedingngen Verschsstand, Strahlgtwerkstoff, Verschsprogramm, Messtechnik Oberflächenraheit, Oberflächentopographie, Chemische Zsammensetzng, Klebfestigkeit Zsammenfassng nd Asblick

2 . Indstriearbeitskreis 7. Mai, Einleitng Problemstellng Nee gesetzliche Rahmenbedingngen Znehmende Bedetng der Klebtechnik insbesondere in der Atomobil- nd Lftramfahrtindstrie Ziel Vorgehensweise Ermittlng des Klebverhaltens von Epoxidharz- nd Polyrethanklebstoffen af mikrolegierten höherfesten sowie af Dal-Phasen-Stahloberflächen nach dem der Strahlgtwerkstoffe nter Variation der Einstellparameter Pelletsgröße PG nd Vorschbgeschwindigkeit v f Analyse der Strahlgtproben hinsichtlich Oberflächenraheit, Oberflächentopographie nd chemische Zsammensetzng Ermittlng der Klebfestigkeit Grndlagen der Klebtechnik. Indstriearbeitskreis 7. Mai, Vor- nd Nachteile + Verbinden gleichartiger sowie nterschiedlicher Werkstoffe + Keine Werkstoffbeeinflssngen drch Asglühen, Ashärten oder Oxidieren + Keine bzw. geringe thermische Werkstoffbeansprchng nd damit nr geringer Wärmeverzg + Dichte, spaltfreie, isolierende Verbindngen möglich + Keine Kontaktkorrosion + Kerbfreies Verbinden der Bateile + Gleichmäßige Kraft- nd Spannngsverteilng + Schwingngsdämpfend - Meist afwändige Oberflächenbehandlng der ügeteile notwendig - Z. T. lange Abbindezeiten bis zr Endfestigkeit der Verbindng - Meist lächendrck nd Wärme zm Abbinden notwendig - Kriechneigng bei Langzeitbeansprchng - Geringe Schäl-, Warm- nd Daerfestigkeit - Empfindlich gegen Schlag- nd Stoßbelastng

3 Grndlagen der Klebtechnik Bindngskräfte in Klebngen. Indstriearbeitskreis 7. Mai, Adhäsion Mechanische Adhäsion: spezifische Adhäsion: Verklammerng der asgehärteten Klebschicht in den Poren nd Kappilaren Af chemisch nd physikalisch berhende Haftmechanismen reilegng chemisch bzw. physikalisch reaktiver Stellen an der Oberfläche Kohäsion Innere estigkeit eines Klebstoffs Hapt- nd Nebenvalenzbindngen, Van-der-Waals-Kräfte nd Dipol- Dipol-Wechselwirkngen Grndlagen der Klebtechnik Vorbehandlngsverfahren nach DIN EN 137. Indstriearbeitskreis 7. Mai, Physikalisch / Mechanisch Gleichzeitiges Reinigen nd Vergrößern der wirksamen Oberfläche. (Schleifen, Bürsten nd Strahlen) Physikalisch / Nicht mechanisch Chemische Modifizierng der Oberfläche, insbesondere von Knststoffen drch physikalisch eingeleitete Oxidationsprozesse. (Beflammen, Plasmaentladngsverfahren, Laserstrahlen) Chemisch Nichtoxidierende Sären: Es erfolgt eine Metalloxid-Säre-Reaktion, drch die Oxidschichten nd bei längerer Einwirkng die oberen Metallschichten entfernt werden. (Salzsäre, verdünnte Schwefelsäre) Oxidierende Sären: Es werden alte Oxidschichten abgetragen nd nee, definierte, der Oberfläche fest anhaftende Metallverbindngen generiert. Es handelt sich. a. m Phosphat-, Chromat- oder Oxidschichten. (Salzpetersäre. Konz. Schwefelsäre, Phosphorsäre)

4 Grndlagen der Klebtechnik Beschichtngsreagenzien Primer. Indstriearbeitskreis 7. Mai, Primer bestehen as einer verdünnten Lösng der Klebstoffgrndstoffe, die für die Klebng verwendet werden. Drch diesen Schtzbezg kommt es im Vergleich zm Aftrag höher viskosen Klebstoffes z einer gleichmäßigeren nd vollständigeren Benetzng der Oberfläche. Haftvermittler Haftvermittler sind as einer metallspezifischen Haftgrppe, einem Spacer nd einem gt z verklebenden Molekülteifgebat. Sie zeichnen sich dadrch as, dass sie mit der metallspezifischen Grppe eine chemische Bindng zr Metalloberfläche asbilden können. Kopplngsreagenzien Kopplngsreagenzien tragen zsätzlich z einer metallspezifischen ach eine polymerspezifische Grppe. Es lassen sich für jede Kombination as Klebstoff nd ügeteil drch Wahl geeigneter polymer- nd metallspezifischer Grppen individelle Kpplngsreagenzien synthetisieren. Grndlagen der Klebtechnik. Indstriearbeitskreis 7. Mai, Klebstoffe Einteilng der Klebstoffe nach der Art des Abbinde-Mechanisms nach VDI 9 Chemisch abbindend (Reaktionsklebstoffe) Physikalisch abbindend Kalt härtend Warm härtend Polymerisationsklebstoffe Haft- nd Kontaktklebstoffe Polyadditionsklebstoffe Schmelzklebstoffe Polykondensationsklebstoffe Plastisole

5 Verschsbedingngen Verschstand. Indstriearbeitskreis 7. Mai, M Drcklfterzegng Drcklftafbereitng Strahlanlage Bearbeitngsram 1 Lftansagfilter Schrabenkompressor 3 Ölabscheider Ölkühler 5 Ölfilter Adsorptionstrockner Drckasgleichsbehälter Kondensatabscheider Mikrofilter Strahldrckregler Dosierscheibe Massenstromregler Strahlschlach Strahldüse -Achsen-Roboter Partikelfilter Ablftpmpe Verschsbedingngen Strahlgtwerkstoffe. Indstriearbeitskreis 7. Mai, Mechanische Eigenschaften Chemische Zsammensetzng (Schmelzanalyse in %) Stahlsorte R p, [MPa] R m [MPa] A [%] C Si Mn P S Cr Sonst. 3-1,,, ZStE ,5,3,3 Nb+Ti+V, ZStE3BH 3-3 -,,5,7,

6 Verschsbedingngen Verwendete Klebstoffe. Indstriearbeitskreis 7. Mai, Klebstoffbasis Hersteller Handelsname Einkomponenten- Epoxidhartz Permabond ESP 19 Zweikomponenten- Epoxidharz Ciba Spez. Permabond Chemie Araldite 11 Permabond E3 Zweikomponeten- Polyrthan Tivoli Tivopr 17 Krzbezeichnng EP 1 EP EP3 PU Harz A Araldite 11 Harz A ESP 19 Tivopr 17 Härter B 11B Härter B - Tivopr 1/7 Mischngsverhältnis A:B Topfzeit 1: (Gew. Teile) 5 min bei 3 C 1:1 (Vol. Teile) min bei RT einkomponentig 1:3 (Gew. Teile) 1 min bei RT Verarbeitng Manell Manell Manell Manell Ashärtebedingngen 3 min bei C 5 min bei C 9 min bei C h bei RT + 3 h bei 1 C Verschsbedingngen. Indstriearbeitskreis 7. Mai, Verschprogramm Einstellparameter Strahlabstand a = mm Aftreffwinkel ß = 9 Strahldrck p. = 11 bar Massenstrom m = 5 kg/h Einstellparametervariation v f = / m/min PG = /,5 mm Messprogramm Oberflächenraheit Tastschnitt-Messsystem Talysrf-L, Rank Taylor Hobson GmbH gemittelte Ratiefe RzDIN nach DIN 7 Chemische Zsammensetzng Rasterelektronenmikroskop Hitachi S- mit EDX-Analyse Oberflächentopographie Rasterelektronenmikroskop DSM 95, Carl Zeiss AG

7 . Indstriearbeitskreis 7. Mai, Oberflächenraheit Trockeneispelletsgröße: mm R max R zdin R a Strahlsystem Standardeinstellparameter Strahlanlage MICRO JET Green Tech Vorschbgeschwindigkeit: v = - 1 m/min Hochleistngsrnddüse, Linde: d = 13 mm Arbeitsabstand: a = mm Messsystem Strahlaftreffwinkel:α = 9 Tastschnittmessgerät : Talysrf- L, Rank Taylor Strahldrck p = 11 bar Hobson GmbH Massenstrom an Trockeneis: m = 5 kg/h Trockeneispelletsgröße: mm Trockeneispelletsgröße: mm Raheitskennwerte Raheitskennwerte Raheitskennwerte Raheitskennwerte Anlieferngszstand vf = m/min vf = m/min + Trockeneispelletsgröße:,5 mm Raheitskennwerte Anlieferngszstand vf = m/min vf = m/min + Trockeneispelletsgröße:,5 mm Raheitkennwerte Anlieferngszstand 1 vf = m/min vf = m/min + Trockeneispelletsgröße:,5 mm Anlieferngszstand vf = m/min vf = m/min + -- Anlieferngszstand vf = m/min vf = m/min + Anlieferngszstand vf = m/min vf = m/min +. Indstriearbeitskreis 7. Mai, nbearbeitet nbearbeitet nbearbeitet Oberflächentopographie Strahlsystem Strahlanlage MICRO JET Green Tech Hochleistngsrnddüse, Linde: d = 13 mm Messsystem Rasterelektronenmikroskop: DSM 95, Carl Zeiss AG Beschichtngsreagenz -Haftvermittler Einstellparameter Vorschbgeschwindigkeit: v = m/min Arbeitsabstand: a = mm Strahlaftreffwinkel:α = 9 Strahldrck p = 11 bar Pelletsgröße: PG =,5 mm nd nd nd

8 . Indstriearbeitskreis 7. Mai, Chemische Zsammensetzng Strahlsystem Strahlanlage MICRO JET Green Tech Hochleistngsrnddüse, Linde: d = 13 mm Beschichtngsreagenz: -Haftvemittler Messsystem Rasterelektronenmikroskop: Rasterelektronenmikroskop: Hitachi S- mit EDX-Analyse Einstellparameter Vorschbges.: v = m/min Arbeitsabstand: a = mm Strahlaftreffwinkel: α = 9 Strahldrck p = 11 bar Pelletsgröße: PG =,5 mm Elmente Kohlenstoff Saerstoff Eisen Alminim Phosphor Silizim Mangan Zink Werkstoffe Anlieferng Spren Nicht nachweisbar Spren Trockeneis ähnlich - 5 fache - 3 fache ähnlich 1 % -% ähnlich % ähnlich Nicht nachweisbar Nicht nachweisbar -% % ähnlich -% Trockeneis+ fache -,5 fache - 3 fache 1 fache 11 % -% fache 1 % fache Spren Spren Spren - 1 % 13 % - % bis -3 % -7 %. Indstriearbeitskreis 7. Mai, Klebfestigkeit von EP1 Zgscherfestigkeit nach DIN EN d b Klebfestigkeit [MPa] Anlieferngszstand Pelletsgröße PG =,5 mm Pelletsgröße PG = mm ZStE3 ZStE3BH : Zgkraft b: Probenbreite d: Klebstoffdicke : Überlappngslänge 5 Vorschbgeschwindigkeit in m/min

9 . Indstriearbeitskreis 7. Mai, Klebfestigkeit von EP Zgscherfestigkeit nach DIN EN d b Klebfestigkeit [MPa] Anlieferngszstand Pelletsgröße PG =,5 mm Pelletsgröße PG = mm ZStE3 ZStE3BH : Zgkraft b: Probenbreite d: Klebstoffdicke : Überlappngslänge 5 Vorschbgeschwindigkeit in m/min. Indstriearbeitskreis 7. Mai, Klebfestigkeit von EP3 Zgscherfestigkeit nach DIN EN d b : Zgkraft b: Probenbreite d: Klebstoffdicke : Überlappngslänge Klebfestigkeit [MPa] Anlieferngszstand Pelletsgröße PG =,5 mm Pelletsgröße PG = mm ZStE3 Vorschbgeschwindigkeit in m/min ZStE3BH

10 . Indstriearbeitskreis 7. Mai, Klebfestigkeit von UP Zgscherfestigkeit nach DIN EN d b Klebfestigkeit [MPa] Anlieferngszstand Pelletsgröße PG =,5 mm Pelletsgröße PG = mm : Zgkraft b: Probenbreite d: Klebstoffdicke : Überlappngslänge 5 ZStE3 Vorschbgeschwindigkeit in m/min ZStE3BH Zsammenfassng. Indstriearbeitskreis 7. Mai, Oberflächenraheit, -topographie nd chemische Zsammensetzng Keine signifikante Veränderng der Oberflächenraheit nd -topographie sowohl nach dem als ach nach dem nd anschließender Behandlng mit -Haftvermittler Starke Znahme der Kohlenstoff-, Saerstoff-, Eisen- nd Alminimkonzentration bei nach dem mit anschließender Behandlng mit -Haftvermittler Starke Abnahme der Kohlenstoff bei nd sowohl nach dem als ach nach dem mit anschließender Behandlng mit -Haftvermittler Maximal erzielte Klebfestigkeitsteigerng ggü. Anlieferngszstand in % EP1 EP EP3 PU Trockeneisstr. 1 9 Trockeneisstr Trockeneisstr Trockeneisstr Trockeneisstr Trockeneisstr

11 . Indstriearbeitskreis 7. Mai, Asblick Unterschng nd Qalifizierng von CO-Schneestrahlen nd Laserstrahlen zr Vorbehandlng vor dem Kleben Entwicklng eines hybriden Vorbehandlngssystems mit nd Laser Unterschng neer Werkstoffe, Klebstoffe nd Beschichtngsreagenzien