Nd:YAG-Laser - schematische Darstellung 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Faserlaser Wellenlänge: max. mittlere Leistung: Pulsfrequenz: Pulsdauer: hohe Strahlqualität 1060-1070 nm 50 W (CW) 20 khz F 100 khz 120 ns Laseranlage CL 120 mit Faserlaser CL 50 der Fa. Clean Lasersysteme Faser: Quarzglas, Ytterbium dotiert diodengepumpt, gütegeschaltet (Q- Switch) 1D- und 2-D Scannerköpfe ~25% Steckdoseneffizienz Strahlprofil: 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
REM-Aufnahmen Nd:YAG-Laser Beizen Faserlaser PAA EN AW-5754 (AlMg3) 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Härchenstruktur (REM) EN AW-5754 (AlMg3) Faserlaser 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Oxidschichtdicke (TEM) EN AW-5754 (AlMg3) Al alkalisch gebeizt Al-oxid Phosphorsäureanodisierung Laserbehandlung 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Oberflächentopografie (Weißlichtsensor) EN AW-5754 (AlMg3) Nd:YAG-Laser R a =2,59 μm Faserlaser R a =4,11 μm Beizen, R a =0,79 μm PAA, R a =0,45 μm Vergleich 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Oberflächentopografie (Lasertriangulation) Stahl: X5CrNi18-10 zunehmende Energiedichte Aceton / US gebeizt SACO 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) Kohlenstoffanteil nach Laservorbehandlung zunehmende Energiedichte Aluminiumlegierung: AW 6016 Laser: Nd:YAG, fasergekoppelt weitere Analysemöglichkeiten: GDOES, FTIR 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Klebfestigkeit 30 ungealtert 1000h Salzsprühtest 25 Zugscherfestigkeit / MPa 20 15 10 5 0 Referenz (mit Ti-Zr-Oxid beschichtet) AW 6016 1K-Klebstoff: Betamate 1496 LP1 LP2 LP3 LP4 LP5 10 zunehmende Energiedichte R. Rechner, I. Jansen, E. Beyer, Internat. J. Adh. Adh. 2010, 30 (7), 595-601 Zugscherfestigkeit / MPa 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik 25 20 15 5 0 2K-Epilox Beizen LP1 LP2 LP3
Packaging von Li-Ionenzellen Hannovermesse 2011 Smart ab 2012 als E-Auto 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Ableitervorbehandlung (Aluminium) konventionell Benchmark neues Verfahren Zirkon-Fluorid Gelbchromatierung Laservorbehandlung nasschemische Behandlung in Fremdfirmen integriert in Fertigungslinie 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Ableitervorbehandlung (Aluminium) konventionell Benchmark neues Verfahren Zirkon-Fluorid Gelbchromatierung toxisch Laservorbehandlung nach dem Siegeln und 7-tägiger Alterung im Elektrolyten mech. Prüfung (180 Schältest nach DIN EN ISO 8510): schlechte Haftung Schälkraft < 1N sehr gute Haftung Schälkraft > 10N 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Lasereinsatz in der Klebtechnik Qualitätskontrolle 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Kombination von Remotelaserschweißen und Kleben in der Produktion ist das Widerstandspunktschweißkleben etabliert Vorteile bei der Verwendung eines Remote-Faserlasers: Schädigung der Klebung geringer Zugänglichkeit nur von einer Seite notwendig hohe Geschwindigkeit Strahlquelle weit von Bearbeitungsfläche entfernt besonders für komplizierte Geometrien geeignet im Vordergrund steht die Fixierung Laser kann auch zur Härtung des Klebstoffs zwischen den Fixierpunkten verwendet werden Druckbeauflagung der Fügeteile durch mitlaufende Rollen 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Kombination von Remotelaserschweißen und Kleben 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Lasergestützte Kantenleimung schematische Darstellung des lasergestützten Kantenanleimprozesses Holzwerkstoffplatten Schmalflächenbeschichtungsmaterial 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Lasergestützte Kantenanleimung konventioneller Prozess der Kantenanleimung ist energie- und zeitintensiv durch Aufschmelzen des Schmelzklebstoffes mittels Laserstrahl (cw-diodenlaser) Energieeintrag direkt an der Fügestelle hohe Geschwindigkeiten möglich, schnelles Abkühlen besonders für dünne Materialien geeignet hohe Variabilität (verschiedene Plattenmaterialien und Klebstoffe) für 3-D-Bauteile geeignet Erreichen der»0-fuge«5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Lasergestützte Kantenanleimung Verleihung des Wilhelm-Klauditz-Preises 2009 zusammen mit dem IHP der TU Dresden 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Zusammenfassung - Lasereinsatz trockenes, berührungsloses Verfahren selektives Verfahren und in Produktionslinien integrierbar gute Reproduzierbarkeit gute Umweltverträglichkeit Lasertechnik für verschiedene Anwendungen in der Klebtechnik einsetzbar gute Ergebnisse vor allem bei der Vorbehandlung von Al zur Fixierung geeignet (Bsp. Preformfertigung und Kombination von Laserschweißen und Kleben) punktgenaues Aufschmelzen von Hotmelts (Bsp. Kantenleimung) Nachteile relativ hohe Investitionskosten Laserschutz 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik
Inhalt 1 Vorstellung der Institute 2 Gruppe Kleben 3 Klebtechnik allgemein 4 Oberflächenvorbehandlung 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik 6 Kleben von Kunststoffen 7 Modifizierung von Klebstoffen 8 Zusammenfassung
Kleben von Kunststoffen niedrigerer Elastizitätsmodul als Metall, unter Belastung große Dehnungen und auch plastische Verformung elastischer Klebstoff, um Spannungsspitzen abzubauen Klebbarkeit und Löslichkeit unpolar und unlöslich schwer klebbar (PE, PP, PTFE) unpolar und löslich gut klebbar (PS, Polyisobutylen) polar und löslich gut klebbar (PVC, PMMA) polar und schwer oder nicht löslich schwer klebbar ( PET, PA) in teilkristallinen Bereichen eines Thermoplasten Kettenbeweglichkeit und sterische Zugänglichkeit aktiver Gruppen sehr stark eingeschränkt, nahezu alle polaren und polarisierbaren Gruppen in kristalline Struktur eingebunden und somit blockiert, kaum WW mit Klebstoffmolekülen bei amorphen Thermoplasten im Glaszustand und bei vernetzten Duromeren Kettenbeweglichkeit stark eingeschränkt, aber sterische Zugänglichkeit aktiver Gruppen noch gegeben, WW möglich Spannungsrisskorrosion anfällige Kunststoffe (Polycarbonat, Polystyrol, PMMA) haben innere Spannungen (Orientierungsspannungen), beim Eindiffundieren von LM, Tensiden, Monomeren oder Gasen (z.b. Fluor) werden Spannungen abgebaut und führen zu Rissen (Crazes), durch Tempern vermindern 6 Kleben von Kunststoffen
Prinzipielle Möglichkeiten zur Haftungsverbesserung unpolarer Kunststoffe Oberflächenvorbehandlung Bildung funktioneller Gruppen durch physikalische Oberflächenvorbehandlung (Beflammung, Corona, ND-Plasma, AD- Plasma) Strukturierung durch Abreißgewebe (peel ply) Abtrag, Strukturierung und/oder Bildung funktioneller Gruppen durch Laserstrahlung Modifizierung des Klebstoffs durch geeignete Zusatzstoffe (LESA = low energy surface adhesives) Primer-Vorbehandlung Modifizierung des Kunststoffes Zusatz von polaren Polymeren (z.b. Ethylenvinylacetat) funktionelle Gruppen durch Pfropfreaktion (z.b. Maleinsäureanhydrid) 6 Kleben von Kunststoffen
Herstellung textilverstärkter Verbunde SFB 639»Textilverstärkte Verbundkomponenten für funktionsintegrierende Mischbauweisen bei komplexen Leichtbauanwendungen«Durchgängige SFB-Prozesskette 6 Kleben von Kunststoffen
Sonderforschungsbereich 639 (DFG) SFB 639 Textile Halbzeuge (PP/Glasfaser) Multiverstärktes Hybridgarn Mehrlagen- Biaxialgestrick (Intern. Patent EP 0 873 440 B1) gewebtes spacer fabric genähte spacer preform (Offenlegungsschrift DE 10 2004 062 895 A1) 6 Kleben von Kunststoffen
Herstellung textilverstärkter Verbunde SFB 639 generischer SFB-Demonstrator: funktionsintegrativer Fahrzeugsystemträger (FIF) textilverstärkter Verbund: Hybridgarn-Textil-Thermoplast (HGTT ) Materialkombination: Glasfaser / Polypropylen 6 Kleben von Kunststoffen
Herstellung textilverstärkter Verbunde SFB 639 stoffschlüssiges Fügen von spacer-fabrics-platten Fügen stegparalleler Ränder im Überlapp Fügen stegparalleler Ränder unter Verwendung eines Aluminiumprofils 6 Kleben von Kunststoffen
Plasmavorbehandlung von glasfaserverstärktem PP SFB 639 Prinzipielle Möglichkeiten zur Haftungsverbesserung von Klebstoffen auf Polypropylen (Twintex) LESA-Klebstoff»normaler«Klebstoff Legende: AF(W) - wechselseitig adhäsives Versagen, SCF - substratnahes kohäsives Versagen, CF - kohäsives Versagen, * -Abriss der obersten Matrixdecklage 6 Kleben von Kunststoffen
Probleme SFB 639 schlechtes Absorptionsverhalten des weißen HGTT Zerstörung der Glasfaser während des Laserprozesses Entstehung von PP-Schmelze schlägt sich auf Fasern nieder FTIR Spektrum im NIR-Bereich 1,0 Nd:YAG-Laser Hochleistungsdiodenlaser 0,8 FTIR-Spektrum weißes GF/PP schwarzs GF/PP Glasfaser Querschliff - weißes HGTT diffuse Reflexion R 0,6 0,4 0,2 0,0 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 Wellenlänge [µm] 6 Kleben von Kunststoffen weißes HGTT laserbearbeitet
CFK - REM-Aufnahme für CFK vergleichbare Festigkeiten nach Nd:YAG-Laserbestrahlung wie für Peel Ply verbesserte Reproduzierbarkeit der Klebung durch Laservorbehandlung Steigerung der Klebfestigkeit bei CFK durch Zunahme des Faseranteils in der Klebfuge gute Alterungsbeständigkeit der Klebung nach Laserbestrahlung 6 Kleben von Kunststoffen REM-Aufnahme der freiliegenden Fasern von CFK nach Laserbestrahlung
Vergleich GFK und CFK (REM) teilweise Zerstörung der CFK-Fasern Zerstörung der GFK-Fasern 6 Kleben von Kunststoffen
Vergleich GFK und CFK (Lichtmikroskopie) Querschliffe einer laserbehandelten GFK- (links) und CFK-Probe (rechts) 6 Kleben von Kunststoffen
Vergleich GFK und CFK (Klebfestigkeiten) Schubspannung / MPa 30 25 20 15 10 5 GFK CFK v Scan = 3000 mms -1 0 Peel Ply LP1 LP2 LP3 zunehmende Energiedichte Klebfestigkeiten von faserverstärkten Kunststoffen (GFK und CFK, Klebstoff: DP 490) in Abhängigkeit von der Energiedichte der Laserstrahlung (CSF - cohesive substrate failure, AF adhesive failure, CF - cohesive failure) 6 Kleben von Kunststoffen
Reproduzierbare Preformfertigung Twintex Bereiche mit geringen Verschiebungen (blau) werden lokal fixiert Glasfaser-Polypropylen-Gewebe Köperbindung Flächengewicht: 745g/m² 35% Vol. GF, 65% Vol. PP 3D-Halbkugel Formwerkzeug 2D-Zuschnitt mit Fixierungslinien 6 Kleben von Kunststoffen
Laserfixierung nicht verzerrt verzerrt 6 Kleben von Kunststoffen
Inhalt 1 Vorstellung der Institute 2 Gruppe Kleben 3 Klebtechnik allgemein 4 Oberflächenvorbehandlung 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik 6 Kleben von Kunststoffen 7 Modifizierung von Klebstoffen 8 Zusammenfassung
Füllstoffe SiO 2 CaCO 3 Al 2 O 3 Ag, Au, Ni, Cu, Fe, C Superparamagnetische Partikel z.b. Fe-oxide TiO 2 verstärkende Füllstoffe pyrogene Kieselsäure, weitere Silikate, Silsesquioxan (POSS) mechanische Festigkeit u.a. inaktiver Füllstoff Haftungsoptimierung Wärmeleitfähigkeit elektrische Leitfähigkeit Klebstoffaushärtung (Induktion, MW) und Debonding, Farbe (Ruß) Härtung mit hochfrequenten Wechselfeldern (MagSilica ) Korrosionsschutz, Weißpigment 7 Modifizierung von Klebstoffen
Allotrope C-Modifikationen (sp 2 -hybridisiert) Graphen Fullerene Carbon Nanotubes Graphit Geim, A. K.; Novoselov, K. S., Nat. Mater., (2007) 6, 183 7 Modifizierung von Klebstoffen
Modifizierung der Klebstoffe Integration von Carbon Nanotubes (CNTs) in Klebstoffe Beeinflussung: Mechanische Parameter (Rissfortschritt, Risszähigkeit, Dämpfung, Festigkeit) Elektrische Leitfähigkeit/ Wärmeleitfähigkeit, Wärmestabilität Multifunktionsschichten Bilder: Modelle von CNTs 7 Modifizierung von Klebstoffen TEM-Aufnahme von MWCNTs (Baytubes )
Geräte zum Einbringen von CNTs geringe bis mittlere Viskositäten: Hochdruckdispergator Ultraschallbad Sonotrode Ultraturrax geringe bis hohe Viskositäten: sehr hohe Viskositäten, Thermoplasten: zum Vormischen: Dreiwalzwerk Zweischneckenextruder 7 Modifizierung von Klebstoffen Speedmixer
Zugfestigkeit 80 70 Zugspannung / MPa 60 50 40 30 20 10 0 Epoxidharze: ungefüllt 0,5 Gew.-% Carbon Black 1,0 Gew.-% Carbon Black 0,5 Gew.-% MWCNT 1,0 Gew.-% MWCNT 0,5 Gew.-% MWCNT-COOH 1,0 Gew.-% MWCNT-COOH 0,5 Gew.-% MWCNT-NH 2 0 1 2 3 4 Dehnung / % MWCNT: Baytubes C150P (Bayer MaterialScience) Nachweis funktionelle Gruppen mittels XPS 7 Modifizierung von Klebstoffen
Elektrische Leitfähigkeit spezifischer Widerstand / cm] 10 12 10 11 10 10 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 13 Epoxidharze: nichtleitend antistatisch leitend Carbon Black MWCNT C150P MWCNT C70P MWCNT NC7000 10 1 0 1 2 3 C-Gehalt / Gew.-% C150P/C70P: Baytubes, Bayer MaterialScience NC7000: Nanocyl 7 Modifizierung von Klebstoffen
Inhalt 1 Vorstellung der Institute 2 Gruppe Kleben 3 Klebtechnik allgemein 4 Oberflächenvorbehandlung 5 Lasereinsatz in der Klebtechnik 6 Kleben von Kunststoffen 7 Modifizierung von Klebstoffen 8 Zusammenfassung
Zusammenfassung Kleben bei richtiger Anwendung gutes stoffschlüssiges Fügeverfahren besonders im Leichtbau und bei Materialmix Laservorbehandlung geeignetes Vorbehandlungsverfahren für viele Materialien, lohnend bei großen Stückzahlen Nachteil der Laserbehandlung: hohe Investitionskosten und Laserschutz Modifizierung der Klebstoffe durch Integration von Füllstoffen möglich Carbon-Nanotubes verändern vor allem elektrische Eigenschaften, aber auch mechanische sowie die Wärmeleitfähigkeit 8 Zusammenfassung
19. Jh. Jh. des Lötens 20. Jh. Jh. des Schweißens 21. Jh. Jh. des Klebens Kleben ist eine sanfte Fügetechnik Schraubst du noch oder klebst du schon Lebst du noch oder klebst du schon Kleben ist ein Mysterium Schweißen ist Handwerk Löten ist Kunst Kleben ist unberechenbar Kleben ist Glückssache Vielen Dank! Gott gebe, dass es klebe Kleben statt Klotzen Kleben ist Glauben Kleben ist zurück (war nie weg) Wenn`s klebt und pappt, dann hat`s geklappt Kleben kann jeder
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Dresdner Umgebung Schloss Moritzburg Burg Stolpen Folie 99
Dresdner Umgebung Schloss Pillnitz Hochwasser 2002
Dresdner Umgebung Sächsische Schweiz Barbarine Barbarine Bastei Festung Königstein