, Hannover, Suppliers Convention

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1 , Hannover, Suppliers Convention PAGE 1 Oberflächenvorbehandlung mittels Laserstrahlung für das Verkleben von Multi-Material-Strukturen aus FVK und Leichtmetall - aktuelle Forschungsergebnisse aus dem BMBF Projekt ProPhoMuLA U. Reisgen, B. Marx

2 PAGE 2 1 Einleitung 2 Ausgangslage und Forschungsziel 3 Stand der Technik - Defizite bisheriger Lösungsansätze 4 Lösungsstrategie - Material und Methoden 5 Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick

3 PAGE 3 Projektkonsortium 2 Hochschulinstitute Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen Institut für Kraftfahrzeuge der RWTH Aachen 2 KMU SLCR Lasertechnik GmbH, Düren AiMess Services GmbH, Burg 3 OEM Adam Opel AG, Rüsselsheim ZF Friedrichshafen AG, Friedrichshafen Wisco Tailored Blanks GmbH, Duisburg Forschungseinrichtung BMBF Laufzeit Zielsetzung Untersuchung des Potentials von klebtechnischen Verbindungen von FVK und Metall im Automobilbau mit vorheriger Oberflächenbehandlung mittels Laserstrahlung Einleitung

4 PAGE 4 1 Einleitung 2 Ausgangslage und Forschungsziel 3 Stand der Technik - Defizite bisheriger Lösungsansätze 4 Lösungsstrategie - Material und Methoden 5 Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick

5 PAGE 5 Multi-Material-Strukturen aus FVK und Metall gewinnen durch hohes Leichtbaupotential vor allem im Fahrzeugbau zunehmend stärker an Bedeutung Kleben gilt als bedeutendste Fügetechnik für Multi-Material-Verbindungen Oberflächenvorbehandlungen für FVK-Metall-Verbunde sind mit hohem Prozessaufwand verbunden und für die automobile Großserienanwendung nicht ausreichend weit entwickelt Ausgangslage

6 PAGE 6 Notwendigkeit der Oberflächenvorbehandlung für das Kleben Qualität der Klebverbindung stark von der Oberflächenvorbehandlung abhängig Herstellung von klebbaren Flächen Verbesserung und Reproduzierbarkeit der Adhäsionsbedingungen Verunreinigungen Staub, Schmutz, Öl, etc. Adsorptionsschicht Aufnahme artfremder Moleküle, z.b. Wasser, Gase - i.d.r. reversibel Reaktionsschicht chemische Veränderung der Grenzschicht Grenzschicht aus verändertem Grundgefüge Kaltverformung, Härten, etc. Grundgefüge Warum Oberflächenvorbehandlung?

7 PAGE 7 Allgemein Vorbehandeln oder Aktivieren ohne Chemikalien, Strahlmittel, Prozessgase oder sonstige Hilfsmittel Reduzierte Beeinträchtigung der Arbeitsumgebung bzw. des Werkstückes durch Staub oder andere Arbeitsmittel Vorteile bei Umwelt- und Arbeitsschutz (u.a. geräuscharm) Präziser, lokal begrenzter Lasereinsatz gut implementierbar Schonendes Reinigen möglich Hervorragend automatisierbar Gute Reproduzierbarkeit Kurze Prozesszeiten Niedrige Betriebskosten, wartungsarm Quelle: SLCR Lasertechnik GmbH Motivation zum Einsatz der Lasertechnologie

8 PAGE 8 FVK Entfernung von Trennmittelrückständen aus Formgebungsprozessen Kontamination und Beschädigung des Laminates durch Vorbehandlung wie Schleifen wird vermieden FVK-Schichten lassen sich gezielt abtragen Freigelegte Fasern und Matrix können durch Einsatz hoher Intensitäten aktiviert werden Nicht vorbehandelt Vorbehandelt Motivation zum Einsatz der Lasertechnologie

9 PAGE 9 Metall Konditionierung metallischer Oberflächen für die Klebvorbereitung Oxidschichten absorbieren Laserstrahlung und lassen sich wirkungsvoll entfernen Gesteigerte Korrosionsfestigkeit bei Leichtmetallen Verbesserte Alterungsbeständigkeit der Verklebung In-Line-Anwendungen direkt vor dem Klebprozess Lückenlose Prozessüberwachung durch optionale Sensortechnologie Strukturierung zur Oberflächenvergrößerung möglich Laservorbehandelter Bereich Quelle: SLCR Lasertechnik GmbH Motivation zum Einsatz der Lasertechnologie

10 PAGE 10 Erschließung des Potentials einer Laservorbehandlung für die klebtechnische Verbindung von FVK und Metall Entwicklung einer robusten klebtechnischen Prozesskette, die die Randbedingungen einer automobilen Fertigung ganzheitlich berücksichtigt Überführung der neu gewonnenen Ergebnisse in einen Anwendungskatalog Erschließung des Potentials für Laservorbehandlung Entwicklung einer großserientauglichen und robusten klebtechnischen Prozesskette Überführung der Ergebnisse in einen Anwendungskatalog Quelle: Cleanlaser-Systeme GmbH Forschungsziel

11 PAGE 11 1 Einleitung 2 Ausgangslage und Forschungsziel 3 Stand der Technik - Defizite bisheriger Lösungsansätze 4 Lösungsstrategie - Material und Methoden 5 Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick

12 PAGE 12 Leichtbauweisen durch Einsatz von FVK und Klebtechnik im Multi- Materialverbund sind nicht serientauglich Hohe Fertigungskosten Geringe Prozesssicherheit - schmales Prozessfenster Mangelnde Großserientauglichkeit Fehlende Inline-Überwachung des Prozesses Defizite bisheriger Leichtbauweisen durch Einsatz von FVK und Klebtechnik im Multi- Materialverbund Ansätze sind nur Einzelproblemorientiert, keine breite Wissensbasis Das Potential, das der Einsatz unterschiedlicher Lasertypen verschiedener Wellenlängen bietet, wird nicht übergreifend betrachtet und genutzt Stand der Technik

13 PAGE 13 1 Einleitung 2 Ausgangslage und Forschungsziel 3 Stand der Technik - Defizite bisheriger Lösungsansätze 4 Lösungsstrategie - Material und Methoden 5 Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick

14 PAGE 14 Grundlegende Erforschung eines geeigneten Laserprozesses für die Vorbehandlung von FVK Übertrag der Erkenntnisse der Laservorbehandlung auf neue Konstruktionskonzepte und der geometrischen Randbedingungen Qualifizierung von Dosierung, Applikation und Aushärtung auf automobile Fertigungsrandbedingungen (Taktrate, Klima, Platzbedarf) Realisierung dieser modellhaften Prozesskette in einem Laboraufbau Verwendung einer auf Infrarotlasern basierender Inline-Messtechnik Erforschung einer prozessgerechten Produktgestaltung sowie einer Integration des Prozesses in den automobilen Rohbau Lösungsstrategie

15 PAGE 15 C-Faser Duroplast FVK C-Faser Thermoplast CO 2 Nd:YAG G-Faser Thermoplast G-Faser Duroplast Laser 1K-Polyurethan 2K-Polyurethan Excimer UKP Klebstoff Infrarot- Aluminium Metall laser Inline- Messtechnik 2K-Epoxidharz 1K-Epoxidharz Tiefziehstahl Material und Methoden

16 PAGE 17 Metall Laseroberflächenvorbehandlung FVK Screening zur Bestimmung geeigneter Parameter Klebstoff Material und Methoden

17 PAGE 19 Kraft Kraft Weg Stahlblech-PK Klebspalt Substrat Bereich für Bestimmung der mittleren Schälkraft Durchführung eines anwendungsgerechten Zug-/Schälversuches Abgewinkelte Stahlblechstreifen (Dicke 0,5 mm, Klebfläche: 50 mm lang, 10 mm breit) werden auf laservorbehandelte Flächen verklebt Schälbeanspruchung des Klebverbundes Adhäsionseigenschaften lassen sich gezielt charakterisieren Auswertung der Proben: Bestimmung der mittleren Schälkraft [N/mm] von 8 Proben (Mittelwert, Standardabweichung) Analyse der Bruchbilder (adhäsives/kohäsives/teilkohäsives Versagen) Weg Material und Methode

18 PAGE 20 1 Einleitung 2 Ausgangslage und Forschungsziel 3 Stand der Technik - Defizite bisheriger Lösungsansätze 4 Lösungsstrategie - Material und Methoden 5 Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick

19 PAGE 21 FVK: C-Faser Duroplast Klebstoff: 2K-Epoxidharz Laservorbehandlung: TEA-CO 2 FVK: C-Faser Thermoplast Klebstoff: 2K-Epoxidharz Laservorbehandlung: TEA-CO 2 FVK nach Laseroberflächenvorbehandlung Matrix wird durch Energieeintrag des Laserstrahls abgesprengt Freilegen frischer Matrix (Reinigung) Vergrößerung der wahren Oberfläche Matrix wird durch Energieeintrag des Laserstrahls aufgeschmolzen Freilegen frischer Matrix (Reinigung) Keine deutliche Vergrößerung der wahren Oberfläche Ergebnisse

20 Mittlere Schälkraft [N/mm] Schälbeanspruchung RWTH Aachen University PAGE C-Faser Duroplast C-Faser Thermoplast C-Faser Duroplast C-Faser Thermoplast Teilkohäsiv, Teilweise Faserausbruch adhäsiv Ergebnisse

21 PAGE 23 1 Einleitung 2 Ausgangslage und Forschungsziel 3 Stand der Technik - Defizite bisheriger Lösungsansätze 4 Lösungsstrategie - Material und Methoden 5 Ergebnisse 6 Zusammenfassung und Ausblick

22 PAGE 24 Zusammenfassung Erste Ergebnisse auf C-Faser Duroplast vielversprechend Erste Ergebnisse auf C-Faser Thermoplast verbesserungswürdig Versuchsaufbau für das Finden der Parameter qualifiziert sich als geeignet Ausblick Durchführung der Parameterstudie Umfangreiches Prüfprogramm und Analytik für ausgewählte Parameter Iterative Adaption der Inline-Messtechnik Simulative Abbildung exemplarischer Multimaterial-Bauteile Konzeptionierung der modellhaften Prozesskette im Labormaßstab Implementieren der Inline-Messtechnik Zusammenfassung und Ausblick

23 PAGE 25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Förderhinweis und Danksagung In diesem Vortrag wurden Ergebnisse aus dem öffentlich geförderten Forschungsprojekt ProPhoMuLA vorgestellt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmes des Programms Photonik Forschung Deutschland gefördert wird. Für die organisatorische und finanzielle Unterstützung danken wir dem BMBF, dem VDI als Projektträger sowie allen Projektpartnern des ProPhoMuLA Projektes. Danksagung