Kleben als FÅgeverfahren får das. das Verbinden von Kunststoffen

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1 Kunststofftechnologien in der Fahrzeugbeleuchtung 2. bis 3. Dezember 2009 Kleben als FÅgeverfahren får das KLEBTECHNIK e.k. Fraunhoferstr. 3 D Itzehoe Tel. +49 (0) Fax +49 (0) hlohse@hdyg.de Do-You You-Glue.de ÄÄKlebtechnik e.k. Inhalt Grundlagen des Klebens Methoden zur OberflÇchenvorbehandlung Arten von Klebstoffen Einteilung der Klebstoffe Klebstoffverarbeitung Klebtechnische Besonderheiten von Kunststoffen Klebgerechte Konstruktion (Grundlagen) Fertigungssystem Kleben PrÅfung von Klebstoffen und Klebverbunden Elektromagnetisches Kleben von Thermoplasten Do-You You-Glue.de ÄÄKlebtechnik e.k. 1

2 Werkstoff: Kombinationen verschiedener Werkstoffe (z.b. Duroplast/Thermoplast, Kunststoff/Metall, ) Integration zusätzlicher Funktionen: z.b. Dichtigkeit, therm/elektr. LeitfÇhigkeit, DÇmpfung, Dichtigkeit, ) Zukunftstechnologie Kleben Verarbeitung: Erhalt der Werkstoffeigenschaften (z.b. OberflÇche, Vermeidung therm. SchÇdigung ) Konstruktion: Verbesserte Bauteileigenschaften (z.b. Leichtbau, Steifigkeit, Design, ) Klebstoff -auswahl -transport -lagerung -dosierung und ggf. mischung -auftrag -hçrtung Qualität einer Klebverbindung Anlagentechnik Teilehandling (FÑgen, Fixieren) Klebstoffdosierung, ggf. mischung und -auftrag KlebstoffhÇrtung Nachgeschaltete Fertigungsschritte Grundlagen des Klebens FÑgeteil -konstruktion -design -werkstoff -transport -lagerung -vorbehandlung -toleranzen -herstellungsbedingungen Mitarbeiter Qualifikation 2

3 Kleben bezeichnet ein Fertigungsverfahren aus der Hauptgruppe FÅgen. Wie SchweiÑen und LÖten gehört auch das Kleben zu den stoffschlåssigen FÅgeverfahren. Durch Kleben werden FÅgeteile mittels Klebstoffen stoffschlåssig verbunden. ( Übergangszone KohÇsionszone OberflÇche des FÅgeteils AdhÇsionszone Grundlagen des Klebens ÄÄKlebtechnik e.k. AdhÇsion: Anhaften gleicher oder verschiedenartig er Stoffe aneinander KohÇsion: Die innere Festigkeit eines Werkstoffen, hier des Klebstoffes AdhÇsionskrÇfte Grundlagen des Klebens Art BindungslÇngen Bindungsenergien [mm] [kj/mol] Chemische Bindungen: kovalente 0,1 0, metallische 0,3 0, ionische 0,2 0, Zwischenmolekulare Wechselwirkungen van-der-waals-krçfte 0,4 0, WasserstoffbrÅcken- 0, bindungen ÄÄKlebtechnik e.k. 3

4 Eine gute Benetzung der OberflÇche durch den Klebstoff ist eine notwendige, allein jedoch nicht hinreichende Voraussetzung får eine dauerhafte gute Klebung Grundlagen des Klebens ÄÄKlebtechnik e.k. FÅr eine gute Benetzung muss die OberflÇchenspannung des Klebstoffs geringer sein als die des zu benetzenden Substrates OberflÇchenenergien [mj/má] einiger Kunststoffe: Nach: Habenicht, Kleben Springer Verlag 2002 Polyimid: Epoxydharz: 47 Polyamid 6.6: 46 PET 43 PVC (hart) 40 ABS PC Grundlagen des Klebens PS PMMA PE 31 PP 29 Naturkautschuk 24 Silicone 24 PTFE 18 ÄÄKlebtechnik e.k. 4

5 Reinigen, Entfetten Lösungsmittel, wässrig mechanische, physikalische, chemische Methoden Konditionierung Primer Beschichten Haftvermittler Haftreiniger Ziel Ziel der der Oberflächenvorbehandlung: Oberflächenvorbehandlung: Entfernen Entfernen von von Verunreinigungen Verunreinigungen Aufrauen Aufrauen OberflÇchenvergrÖÜerung OberflÇchenvergrÖÜerung ErhÖhung ErhÖhung der der OberflÇchenenergie OberflÇchenenergie Verbesserung Verbesserung der der Benetzung Benetzung Ein Ein Klebstoff Klebstoff kann kann eine eine Werkstoffoberfläche Werkstoffoberfläche nur nur dann dann gut gut benetzen, benetzen, wenn wenn er er eine eine niedrigere niedrigere Oberflächenspannung Oberflächenspannung hat hat als als der der Werkstoff! Werkstoff! Athmosphärenplasma Gaseinspeisung Funktionsprinzip Blende Elektrode Isolationsschicht Oberflächen chen- vorbehandlung Oberflächen chen- vorbehandlung Spannungsversorgung Brennkammer EdelstahlgehÇuse Entladungskanal Ein Potenzial von bis zu 20 kv in der Brennkammer fçhrt zu einer Entladungsreaktion Ein Gasstrom trégt das in der Entladungszone entstehende Plasma aus der Brennkammer heraus Die PlasmadÇse ist auñen geerdet, so dass ein potenzialfreier Plasmastrahl auf die OberflÉche trifft TrÇger- / Arbeitsgas PlasmadÑse Plasmastrahl Substratstärke Behandlungsbreite Behandlungsgeschwindigkeit unerheblich mm m/min Substrat Quelle: IFAM 5

6 Einteilung der Klebstoffe Klebstoffe können nach verschiedenartigen Kriterien eingeteilt werden Abbindemechanismus physikalisch chemisch Rohstoffbasis Epoxid Polyurethan Silicon Festigkeitsniveau Strukturklebstoff Verarbeitung SprÅhklebstoff Kontaktklebstoff Tiefziehklebstoff Anwendungsbereich Verpackungsklebstoff Automobilklebstoff Elektronikklebstoff chemisch härtend chemisch härtend Polyaddition: Epoxidharze Epoxidharze Polyurethane Polyurethane heißhärtende heißhärtende Kautschukklebstoffe Kautschukklebstoffe Polykondensation: Silikone Silikone MS-Polymere MS-Polymere Phenolharze Phenolharze Polyimide Polyimide Klebstoffe Polymerisation Methylmethacrylate Methylmethacrylate Cyanacrylate Cyanacrylate anaerobe anaerobe Klebstoffe Klebstoffe ungesättigte ungesättigte Polyester Polyester Strahlenhärtbare Strahlenhärtbare Acrylate Acrylate lichtaktivierbare lichtaktivierbare Epoxide Epoxide Haftklebstoffe Haftklebstoffe Einteilung der Klebstoffe physikalisch abbindend physikalisch abbindend Lösemittelhaltige Nassklebstoffe* Dispersionsklebstoffe* Kontaktklebstoffe* Schmelzklebstoffe* Haftklebstoffe* Plastisole *jeweils verschiedene *jeweils verschiedene chemische Basis chemische Basis 6

7 Klebstoff- Verarbeitung Nicht nur ein guter Klebstoff, sondern auch die Applikationsund Aushärtetechnik ist für den Erfolg einer Klebung von ausschlaggebender Bedeutung Klebstoff- Verarbeitung 7

8 Raupenauftrag Quelle: ViscoTec Pumpen- u. Dosiertechnik GmbH Wirbelsprühauftrag LinienfÖrmiger Auftrag mit variablem Raubendurchmesser und querschnitt (Quelle SCA Schucker GmbH & Co) Quelle Robatech AG Quasi-flÇchenmÇÜiger Auftrag ohne SprÑhnebel (Quelle SCA Schucker GmbH & Co) Flächenauftrag Klebstoff- Verarbeitung Klebstoff- Verarbeitung Sprühauftrag Streifenauftrag Quelle: SCA Schucker GmbH & Co) FlÇchenauftrag mittels Walzen oder BreitschlitzdÑse Quelle Robatech AG Scharf begrenzte KlebflÇchen Quelle Robatech AG 8

9 Siebdruck Klebeband/-folie Mikropunkte Quelle: Tapeinfo.com Auftrag definierter Klebmuster Quelle Lohmann GmbH & Co KG Auftrag kleinster Klebpunkte Mengen bis hinunter zu 3 μg können bei Taktzeiten bis hinunter zu 2 ms und bis zu einem Abstand von 10 mm dosiert werden Klebstoff- Verarbeitung Klebstoff- Verarbeitung Bereitstellung des Klebstoffs in der erforderlichen Menge Entnahme aus dem Liefergebinde Transport zum Bauteil ggf. Mischen im korrekten VerhÇltnis mit einer 2. Komponente Auftragen in der richtigen Menge und Form an den richtigen Ort des Bauteils ohne den Klebstoff z. B. durch thermische SchÇdigung Abbau der Standfestigkeit (Scherung) Verunreinigung negative zu beeinflussen Raupe Punkt flçchig 9

10 Spannungsrisskorrosion Spannungsrissbildung Besonderheiten beim Kleben von Kunst- stoffen Unter Spannungsrisskorrosion versteht man die Rissbildung in Werkstoffen unter dem gleichzeitigen Einfluss einer Zug- oder Eigenspannung und eines spezifischen Angriffsmediums. Einige Chemikalien dringen in kleinen Mengen geringfñgig in die OberflÇche ein und fñhren zu einem Konzentrationsgradienten im Kunststoff und somit zu einer Lockerung der zwischenmolekularen BindungskrÇfte. Spannungen relaxieren dann im Kunststoff durch Rissbildung. Quelle: Stepanski Engineering ÄÄKlebtechnik e.k. Spannungsrisskorrosion Spannungsrissbildung Besonderheiten beim Kleben von Kunst- stoffen Kritische Bestandteile in Klebstoffen können z.b. sein: LÖsungsmittel (Rest-)Monomere/Oligomere Emulgatoren/Tenside/Netzmittel niedrig molekulare Bestandteile, z.b. Weichmacher Quelle: Stepanski Engineering ÄÄKlebtechnik e.k. 10

11 Spannungsrisskorrosion Spannungsrissbildung PrÅfmethodik: Besonderheiten beim Kleben von Kunst- stoffen ISO (Entwurf) fasst die in den bisherigen Normen (ISO 6252, 4599, 4600) beschriebenen Methoden, sowie zwei neuere Methoden zusammen Quelle: RÖhm GmbH & Co KG ÄÄKlebtechnik e.k. Beispiel: Kleben von Polycarbonat: Besonderheiten beim Kleben von Kunst- stoffen QuellschweiÜ-Kleben: Einwirken von z.b. Methylenchlorid ggf., einige % PC enthaltend, auf die FÑgeteile und anschlieüendes Verpressen unter Druck Reaktionsklebstoffe 1-k- und 2-k-Polyurethane (lösungsmittelfrei) 2-k-Epoxide (lösungsmittelfrei und frei von niedrigmolekularen aminischen HÇrtern) Silikon-Klebstoffe Cyanacrylat-Klebstoffe (nur fñr spannungsarme Teile) ÄÄKlebtechnik e.k. 11

12 Klebgerechte Konstruktion Das Kleben unterliegt wie auch andere FÑgeverfahren eigenen, speziellen GesetzmÇÜigkeiten, die eine entsprechende konstruktive Formgebung erforderlich machten. Ziel einer klebgerechten Konstruktion ist es eine ausreichende KlebflÇche bereitzustellen Spannungsspitzen in der Klebung bei einer mechanischer Belastung des Bauteils zu vermeiden FÑr das Kleben als flçchiges FÑgeverfahren hat sich die Auslegung der Verbindungen auf Schub- oder Scher-, Torsions-, Zug- oder Druckbeanspruchungen bewçhrt. Klebgerechte Konstruktion SchÇl- und Spaltbeanspruchung: linienförmige hohe Belastung des Klebstoffs, sollte vermieden werden. Schub-, Scher- und Torsionsbeanspruchungen: flçchige, gleichmçüige Belastung des Klebstoffs parallel zur KlebflÇche ohne Spannungsspitzen Zug- und Druckbeanspruchungen: flçchige, gleichmçüige Belastung des Klebstoffs senkrecht zur KlebflÇche ohne Spannungsspitzen 12

13 Beispiele: Klebgerechte Konstruktion ungünstig günstig Substrate Beständigkeit mechanische Klebstoffeigenschaften Klebstoffhärtung Oberflächen- Vorbehandlung Losgröße Kosten Toleranzen Teile Handling Taktzeit Klebstoffform Applikationstechnik Produktsicherheit Alterung Fertigungssystem Kleben Adhäsion Eine erfolgreiche Einführung der Klebtechnik erfordert aufgrund ihres interdisziplinären Charakters eine frühzeitige Abstimmung und einen ständigen Kontakt zwischen allen, an dem Projekt beteiligten Unternehmen sowie eine kompetente Projektleitung. 13

14 Anlagenhersteller Fertigungssystem Kleben Klebstoffhersteller Werkstofflieferant Automobilhersteller Lieferant von Rohteilen Gesetzgeber Teilehersteller/Kleber (Extern. Berater) Nur eine kompetente, erfahrene Projektleitung kann erreichen, dass am Ende nicht doch ein Puzzlestein vergessen wurde Zerstörungsfreie Prüfung: QualitÇt der Klebung Vorhandensein des Klebstoffs LufteinschlÑsse in der Klebraupe grobe AdhÇsionsstÖrungen (Kissing Bonds) Dichtigkeit Prüfung von Kleb- stoffen und Klebverbunden Zerstörende Prüfung: Aussage Ñber die Verbundfestigkeit einer Klebung, einschl. der Versagensart zum Zeitpunkt der PrÑfung, ggf. nach einer bestimmten Alterung 14

15 zerstçrende PrÅfverfahren statisch Zugscherversuch Cross-Peel-Versuch Schubspannungs- Gleitungs- Versuch PrÅfung der Zeitstandfestigkeit Druckscherversuch Torsionsscherfestigkeit Losbrechmoment Cleavage Peel WinkelschÉlversuch RollenschÉlversuch KlettertrommelschÉlversuch FolienschÉlversuch BiegeschÉlversuch 3-Punkt-Biegeversuch Keilspalttest etc. zyklisch - PrÅfung der Schwingfestigkeit schlagartig - PrÅfung bei schlagartiger Beanspruchung Prüfung von Kleb- stoffen und Klebverbunden zerstçrungsfreie PrÅfverfahren ggf. unter Einbeziehung von Umweltbedingungen, wie Temperatur oder nach Alterungen simuliert durch Klimaauslagerung, z.b.: - Schwitzwassertest - SalzsprÅhtest - Kataplasma-Test - BMW PR P-VW-1200-Test) - VDA-Wechseltest Prüfung von Kleb- stoffen und Klebverbunden Zugscherversuch nach DIN EN 1465 F F b l Die Berechnung der Zugscherfestigkeit erfolgt nach folgender Gleichung: FB FB B A l b Ç l Å B = Zugscherfestigkeit F B = Bruchlast in N l Ü = Überlappungslänge in mm b = mittlere Probenbreite in mm A = Klebfläche 15

16 Elektromagnetisches Kleben von Thermoplasten Leichter Druck Schweißhilfskörper Induktionsspule Hochfrequentes Magnetfeld Induktive Erwärmung des Schweißhilfskörpers Strukturelle, hochfeste und dichte Verbindung Bauteil Spule Elektromagnetisches Kleben von Thermoplasten Bauteil Reflektor 16

17 Elektromagnetisches Kleben von Thermoplasten Geeignete Kunststoffe: PE, PP, TPO (auch gefüllt) PC, ABS, PBT und Blends PA, PPO Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen? KLEBTECHNIK e.k. Fraunhoferstr. 3 D Itzehoe Tel. +49 (0) Fax +49 (0) hlohse@hdyg.de Do-You You-Glue.de 17