Prozessoptimierung des langzeitbeständigen Klebens von organisch bandbeschichteten Stahlfeinblechen

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1 Prozessoptimierung des langzeitbeständigen Klebens von organisch bandbeschichteten Stahlfeinblechen Prof. Dr.-Ing. Paul L. Geiß, Dipl.-Wirt.-Ing. Mark Pascal Kötter, Arbeitsgruppe Werkstoff- und Oberflächentechnik Kaiserslautern (AWOK), Gottlieb-Daimler-Straße 44, D Kaiserslautern Einleitung Die Verwendung organisch bandbeschichteter Feinbleche als Alternative zur Stücklakkierung und -beschichtung bietet ein hohes Potenzial zur Vereinfachung und Effizienzsteigerung in vielfältigen Industriebereichen. Insbesondere im Nutzfahrzeugbau und Containerbau, wo große beschichtete Flächen bei modularen Wand- und Deckenelementen auftreten, besteht das Interesse bandbeschichtete Feinbleche einzusetzen. [1,2] Die Vorteile im Bezug auf Korrosionsschutz, optischer Anmutung und Abriebfestigkeit lassen sich jedoch nur dann ausnutzen, wenn die verwendete Fügetechnik ein Verbinden ohne mechanische oder thermische Beschädigung der Oberflächen ermöglicht. [3,4] Hier bietet sich die Klebtechnik bei Verwendung kalthärtender Klebstoffe als ideale Fügetechnik an. Das Wissen über das Langzeitverhalten und die Beständigkeit geklebter Verbunde aus bandbeschichteten Feinblechen unter den anspruchsvollen Einsatzbedingungen der Außenanwendung des Nutzfahrzeugverkehrs ist jedoch im Gegensatz zu den Erfahrungen mit strukturellen Klebverbindungen mit heißhärtenden Klebstoffen in der PKW-Fertigung weit weniger ausgeprägt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird die Beständigkeit geklebter Verbunde aus verschiedenen organisch bandbeschichteten Feinblechen und kalthärtenden Klebstoffen untersucht. Frühere Beständigkeitsuntersuchungen von geklebten Verbunden aus organisch bandbeschichteten Blechen mittels dünner Zugscherproben (nach DIN EN 1465) zeigten unter feuchtwarmen Expositionen Delaminationen der Lackschicht vom Substrat, welche eine Qualifizierung der Klebschichteigenschaften hinsichtlich der Beständigkeit verhindert. Diese von der Schnittkante der Substrate startende Bondline-Korrosion tritt in der Praxis nicht auf, da die Schnittkanten hier durch Falze und eine Versiegelung geschützt sind. Aus diesem Grund wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens eine neue Probengeometrie entwickelt, die es ermöglicht Verbunde aus organisch bandbe-

2 schichteten Blechen den einschlägigen Laboralterungsverfahren zu unterziehen und dabei den Effekt der Bondline-Korrosion von der ungeschützten Schnittkante der Substrate zu eliminieren. Ein weiterer Nachteil der dünnen Zugscherprobe ist das Auftreten eines Biegemomentes und daraus resultierende Schälkräfte während der mechanischen Prüfung. Im Rahmen der Entwicklung der neuen Probengeometrie konnte dieser Effekt durch Einkleben eines Verstärkungsblechs deutlich verringert werden. [5] Materialien und Methoden Die Versuchsmatrix wird durch die Kombinationen aus Substrat, Oberflächenvorbehandlung, Klebstoffsystem und Alterungstest aufgespannt. Substrate Als Substrate kamen schmelztauchveredelte (ZA) und elektrolytische verzinkte (ZE) Stahlbleche zum Einsatz, die mit verschiedenen organischen Beschichtungen versehen wurden. Zu unterscheiden sind hierbei sowohl die Oberflächen hinsichtlich des Einsatzes im Außen- bzw. Innenbereich als auch die Vorder- bzw. Rückseitenlackierung. Für die Verwendung in Kühlkofferaufbauten von Nutzfahrzeugen werden organisch bandbeschichtete Bleche meist zu Sandwichelementen verarbeitet, aus denen in der weiteren Fertigung modulare Wand- und Deckenelemente hergestellt werden. Hierbei ergeben sich unterschiedlichste Anforderungen an die Beschichtungen. Die Rückseitenlackierung der Bleche muss lediglich geringe mediale Belastungen ertragen und gute Adhäsionseigenschaften zum Sandwichkern aufweisen. Hierfür werden reine Epoxidharzlacke und Epoxidharz-/Polyesterlacke die zum Teil in mehrschichtigen Verfahren aufgetragen werden eingesetzt. Für die Vorderseiten der Bleche mit Außenexposition sind verschiedene Lackaufbauten im Einsatz neben den kombinierte Beschichtungen aus Lackierung und Folienkaschierung (TKS PLADUR E) werden auch reine mit ASA-Folien (Acrylnitril-Styrol-Acrylesther) kaschierte Belche eingesetzt. Blechoberflächen mit Kontakt zum Ladegut sind in der Regel mit PVC-Folien beschichtet. Oberflächenvorbehandlung Die klassische Oberflächenvorbehandlung für organisch bandbeschichtete Feinbleche ist die Wischaktivierung mit einem Reinigungs-Primer-Gemisch welches Haftvermittler

3 auf der Oberfläche zurücklässt. Diese Systeme sind in der Regel klebstoffspezifisch und werden von ihren chemischen Eigenschaften auf den Klebstoff und die Oberfläche abgestimmt. Durch den Einsatz dieser Art von Vorbehandlung ergeben sich einige wirtschaftliche als auch umwelttechnische Nachteile, wie die geringe Automatisierbarkeit und der Umgang mit organischen Lösungsmitteln. Nichtdestotrotz sind diese Verfahren bei Kleinserien oder Sonderfertigungen weiterhin im Einsatz. Als umweltfreundliches, prozessintegrierbares und automatisierbares alternatives Vorbehandlungsverfahren hat sich in der industriellen Praxis die Oberflächenvorbehandlung mit Atmosphärendruck Plasma (AD-Plasma) durchgesetzt. Beide Verfahren werden im Rahmen der Versuche eingesetzt. Klebstoffe Bei den verwendeten Klebstoffen handelt es sich um kalthärtende zwei-komponentige Polyurethansysteme, welche insbesondere aufgrund ihres attraktiven Preises und ihrer günstigen mechanischen Eigenschaften zum Einsatz kommen. Die drei verwendeten Systeme unterschieden sich vorwiegend durch unterschiedliche mechanische Eigenschaften. Herstellung der COCOBOND-Probe Abbildung 1 zeigt die Probenherstellung alterungsgerecht gefertigter Proben aus organisch bandbeschichteten Blechen (diese werden im folgenden COCOBOND-Proben genannt). Der Ablauf bei der Probenherstellung stellt sich folgendermaßen dar: 1.) Das organisch bandbeschichtete Blech mit den Abmessungen 245 mm x 160 mm x 0,6 mm wird um 180 gebogen. Der Biegeradius beträgt dabei 2 mm. 2.) In das umgebogene Blech wird ein 4 mm dickes Verstärkungsblech aus S 235 mittels eines hochmoduligen kalthärtenden zwei-komponentigen Epoxidharzklebstoffes eingeklebt. 3.) Zwei auf diese Weise präparierte Probenhälften werden in Zugschergeometrie mit einer Klebschichtdicke von 0,5 mm mit den zu untersuchenden Polyurethanklebstoffen geklebt. 4.) Abschließend werden alle offenen Schnittkanten mittels einer Randversiegelung vor Bondline-Korrosion geschützt.

4 Abbildung 1: Schematische Darstellung der Herstellung der COCOBOND-Proben Alterungsverfahren Auf diese Weise präparierte Proben wurden im nächsten Schritt den einschlägigen Laboralterungstests wie Klimawechseltest nach VDA oder VW PV 1200 unterzogen. Neben den beschleunigten Labormethoden werden nicht beschleunigte Alterungsauslagerungen wie die verschärfte Freibewitterung und Auslagerungen am Feldfahrzeug im Speditionsbetrieb durchgeführt. Für alle Beständigkeitsuntersuchungen werden Proben mit unterschiedlichen Expositionszeiten untersucht, um die Schädigungsprogression der verschiedenen Mechanismen beurteilen zu können. Nach den Alterungstest wurden die Proben für drei Tage bei 40 C und 10% rel. Feuchte rückgetrocknet. Mechanische Prüfung Vor der mechanischen Prüfung wurden die Proben zu fünf 25 mm breiten Zugscherproben vereinzelt, wobei die Randbereiche verworfen wurden. Die anschließenden Zugscherversuche wurden mit einer Universalzugprüfmaschine, welche mit einem Videoextensometer ausgestattet ist, durchgeführt. Während der Prüfung wurden die Proben im Bereich der Einspannung aufgedoppelt, damit Kraft- und Probenachse symetrisch verlaufen. Abbildung 2 zeigt den Versuchsaufbau. Die Prüfgeschwindigkeit wurde in Abhängigkeit der Klebschichtdicke (welche im Bereich von ±0,15 mm schwankte) für jede Probe angepasst und Betrug tan γ = 1 / min, damit die Beanspruchungsgeschwindigkeit (Schergeschwindigkeit) konstant blieb.

5 Abbildung 2: Versuchsaufbau mechanische Prüfung Untersuchungskozept Das Untersuchungskonzept sieht vor, parallel zu den Laboralterungsverfahren Probekörper unter realen Alterungsbedingungen an Feldfahrzeugen auszulagern. Dies ermöglicht über die Darstellung der Schädigungsprogression eine Korrelation der Laborverfahren mit den nicht beschleunigten Alterungsauslagerungen. Die Prozessoptimierung des langzeitbeständigen Klebens hinsichtlich wirtschaftlicher, fertigungstechnischer und umwelttechnischer Aspekte bedingt eine möglichst genaue Kenntnis des medialen Belastungsprofils, um eine Überdimensionierung zu vermeiden und die optimale Prozessführung (Substratauswahl, Oberflächenvorbehandlung, Klebstoffauswahl, Klebstoffaushärtung) gestalten zu können. Aus diesem Grund werden erstmals während der Auslagerung am Feldfahrzeug die wichtigsten Kenngrößen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit aufgezeichnet, um daraus Belastungsprofile zu erstellen. Nutzfahrzeuge werden typischerweise in unterschiedlichen klimatischen Zonen eingesetzt, demnach werden die Prüfkörper auf fünf verschiedenen Fahrzeugen montiert, welche auf vier unterschiedlichen Routen (2 x Mitteleuropa, Griechenland/Ägäis, Nordeuropa-Südeuropa, Osteuropa) fahren (vergleiche Abbildung 3).

6 Abbildung 3: Einsatzgebiete der Feldfahrzeuge mit COCOBOND-Proben Ergebnisse Probengeometrie Abbildung 4 stellt das Schubspannungs-Gleitungs-Verhalten der dünnen Zugscherprobe (Fügeteildicke 0,6 mm) und der COCOBOND-Probe gegenüber. Bei den verwendeten Substraten handelt es sich um organisch bandbeschichtete Feinbleche (TKS PLA- DUR E) welche mit einem 2K-Polyurethanklebstoff geklebt wurden. 16 Schubspannung τ [MPa] COCOBOND-Probe dünne Zugscherprobe 0 0,4 0,8 1,2 Gleitung tan γ [-] Abbildung 4: Vergleich des Schubspannungs-Gleitungs-Verhaltens von dünner Zugscherprobe und neuer Probengeometrie (COCOBOND-Probe)

7 Das unterschiedliche Verformungsverhalten beider Kurven, sowie der für die dünne Zugscherprobe typische S-Schlag sind auf die unterschiedlichen Steifigkeiten der Fügeteile und die unsymmetrische Lasteinleitung bei der dünnen Zugscherprobe zurückzuführen. Des Weiteren liegt die Maximalfestigkeit der neuen Probengeometrie deutlich über der der dünnen Zugscherprobe. Dieses Ergebnis zeigt, dass die neue Probengeometrie in der Lage ist die Qualität der Kennwertermittlung mittels der mechanischen Zugscherprüfung zu verbessern. Beständigkeitsuntersuchungen Die im folgenden dargestellten exemplarischen Ergebnisse wurden mittels COCO- BOND-Proben bestimmt, wobei für jede Parameterkombination fünf Proben untersucht wurden. Aus den Schubspannungs-Gleitungs-Kurven folgte die Berechnung des Mittelwerts der Maximalfestigkeit sowie des Mittelwerts der Gleitung bei Maximalfestigkeit. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse des Klebstoffes PU3 für AD-Plasma behandelte ASA- Folien-Substrate über der Auslagerungsdauer im Klimawechseltest VDA Ebenfalls dargestellt sind die Bruchbilder und die Bewertung der Bruchflächen nach DIN EN ISO Spannung τmax [MPa] Substrat Klebstoff Vorbehandlung ASA-Folie PU3 AD-Plasma CF CF CF CF Spannung Gleitung Zyklen VDA Abbildung 5: Mittelwerte der Maximalspannung und der Gleitung über der Auslagerungsdauer für AD-Plasmabehandelte Substrate 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Gleitung tan tmax [-]

8 Die Festigkeiten im ungealterten Zustand liegen bei annähernd 16 MPa und sinken mit steigender Auslagerungsdauer nur geringfügig ab. Über alle Auslagerungsstufen tritt kohäsives Versagen auf. Das in Abbildung 6 dargestellte Diagramm zeigt die Ergebnisse des Klebstoffes PU3 für Wischaktivierte Substrate mit ASA-Folie. Spannung τmax [MPa] AF Substrat Klebstoff Vorbehandlung ASA-Folie PU3 Wischaktivierung AF Spannung Gleitung Zyklen VDA Abbildung 6: Mittelwerte der Maximalspannung und der Gleitung über der Auslagerungsdauer für Wischaktivierte Substrate Im Gegensatz zur AD-Plasma Behandlung weist der Klebstoff PU3 mit der systemspezifischen Wischaktivierung auf den verwendeten Substraten nur eine geringe Beständigkeit auf. Bereits nach sechs Zyklen (1 Zyklus = 1 Woche) tritt eine vollständige Delamination der Verbindung auf. AF 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Gleitung tan tmax [-]

9 Zusammenfassung Im Rahmen der bisher abgeschlossenen Arbeiten wurde eine neue alterungsgerecht gefertigte Probengeometrie (COCOBOND-Probe) entwickelt: Es konnte gezeigt werden, dass diese die Bondline-Korrosion von der ungeschützten Schnittkante vermeidet, welches ein typischer Nachteil herkömmlicher Probengeometrien (vergleiche DIN EN 1465) hinsichtlich der Beständigkeitsprüfungen von organisch bandbeschichteten Feinblechen ist. Die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften konnte durch deutlich steifere Fügeteile (infolge des eingeklebten Verstärkungsbleches) qualitativ verbessert werden, da der Einfluss von Biegemomenten und einer unsymmetrischen Krafteinleitung reduziert bzw. eliminiert werden konnten. Des Weiteren wurden Beständigkeitsuntersuchungen im Klimawechseltest nach VDA mit COCOBOND-Proben durchgeführt. Bereits die Laboralterungsverfahren (Klimawechseltest VDA ) zeigen den Unterschied zwischen den verschiedenen Vorbehandlungsverfahren. Aus den Beständigkeitsuntersuchungen von geklebten organisch bandbeschichteten Blechverbunden geht hervor, dass das physikalische Verfahren der Atmosphärendruck-Plasmabehandlung im Vergleich zur chemischen Vorbehandlung mit klebstoffsystemspezifischen lösungsmittelhaltigen Wischaktivierungen eine signifikant bessere Langzeitbeständigkeit aufweist. Dieser Befund wird nicht nur durch die Betrachtung der Restfestigkeiten deutlich, auch die Auswertung der Bruchflächen stützt diesen Befund, da die wischaktivierten Oberflächen adhäsive Bruchbilder aufweisen. Ausblick Im weiteren Verlauf des Forschungsvorhabens werden die Beständigkeitsprüfungen sowohl mittels Laborverfahren (VW PV 1200), als auch mit nicht beschleunigten Alterungsverfahren (verschärfte Freibewitterung VDA , Auslagerung am Feldfahrzeug) fortgesetzt. Hierbei werden neben den bisher untersuchten Oberflächen für die Fahrzeugaußenseite auch die übrigen Substratoberflächen untersucht. Aus den gewonnen Ergebnissen werden Korrelationen abgeleitet und mit den aufgezeichneten Belastsungsprofilen in Bezug gebracht.

10 Danksagung Das Forschungsvorhaben P 739 wurde von der Arbeitsgruppe Werkstoff- und Oberflächentechnik Kaiserslautern der Technischen Universität Kaiserslautern mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Förderung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, aus Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt. Literatur [1] Hoepke, E. et al.: Nutzfahrzeugtechnik, Braunschweig, 2002 [2] Wolfhard, D.; Filthaut, C.; Rogner, I,; Schinkinger, B.: Organically precoated steel sheets for auto-motive production, ThyssenKrupp Techforum 12/2003 [3] Kirchner, U.: Verarbeitung von bandbeschichtetem Feinblech, Stahl, Heft 3, 1992 [4] Hahn, O., Doege, E., Behrens, B.-A., Bach, F.-W.: Weiterentwicklung der Clinchtechnik zum Verbinden organisch beschichteter Stahlfeinbleche, Abschlussbericht zum Projekt P 511, 2005 [5] Brockmann, W., Geiß, P. L., Klingen, J., Schröder, B.: Klebtechnik: Klebstoffe, Anwendungen und Verfahren, Wiley-VCH, 2005