Kleben als F†geverfahren f†r das Verbinden von Kunststoffen · • ABS 35 – 42 • PC 34 – 37 • ... Primer Beschichten Haftvermittler Haftreiniger Ziel der Oberflächenvorbehandlung:

1

��Klebtechnik Dr. Hartwig Lohse e.K.Klebtechnik Dr. Hartwig Lohse e.K.www.Howwww.How--DoDo--YouYou--Glue.deGlue.de

Kunststofftechnologien in der Fahrzeugbeleuchtung

2. bis 3. Dezember 2009

Dr. Hartwig Lohse

Kleben als F�geverfahren f�r das Verbinden von Kunststoffen


KLEBTECHNIKDr. Hartwig Lohse e.K.Fraunhoferstr. 3D 25524 ItzehoeTel. +49 (0)4822 95180Fax +49 (0)4822 95181E-Mail [email protected]


Dr. Hartwig Lohse


• Grundlagen des Klebens

• Methoden zur Oberfl�chenvorbehandlung

• Arten von Klebstoffen – Einteilung der Klebstoffe

• Klebstoffverarbeitung

• Klebtechnische Besonderheiten von Kunststoffen

• Klebgerechte Konstruktion (Grundlagen)

• Fertigungssystem Kleben

• Pr�fung von Klebstoffen und Klebverbunden

• Elektromagnetisches Kleben von Thermoplasten

InhaltInhalt


2

©©Klebtechnik Dr. Hartwig Lohse e.K.Klebtechnik Dr. Hartwig Lohse e.K.www.Howwww.How--DoDo--YouYou--Glue.deGlue.de

Dr. Hartwig Lohse

Kleben als Fügeverfahren für das Verbinden von Kunststoffen

Zukunftstechnologie Zukunftstechnologie KlebenKleben

Werkstoff:

Kombinationen verschiedener Werkstoffe (z.B. Duroplast/Thermoplast, Kunststoff/Metall, …)

Verarbeitung:

Erhalt der Werkstoffeigen-schaften (z.B. Oberfl�che, Vermeidung therm. Sch�digung …)

Integration zusätzlicher Funktionen:z.B. Dichtigkeit, therm/elektr. Leitf�higkeit, D�mpfung, Dichtigkeit, …)

Konstruktion:

Verbesserte Bauteileigen-schaften (z.B. Leichtbau, Steifigkeit, Design, …)


Dr. Hartwig Lohse


Qualität einer Klebverbindung

Klebstoff

• -auswahl• -transport• -lagerung• -dosierung und ggf. –mischung• -auftrag• -h�rtung

F�geteil

• -konstruktion• -design• -werkstoff• -transport• -lagerung• -vorbehandlung• -toleranzen• -herstellungs-

bedingungen

Anlagentechnik

• Teilehandling (F�gen, Fixieren)• Klebstoffdosierung, ggf. –mischung

und -auftrag• Klebstoffh�rtung• Nachgeschaltete Fertigungsschritte

Mitarbeiter

• Qualifikation

Grundlagen des Grundlagen des KlebensKlebens

3


Dr. Hartwig Lohse


Grundlagen des Grundlagen des KlebensKlebensKleben bezeichnet ein

Fertigungsverfahren aus der Hauptgruppe F�gen. Wie Schwei�en und L�ten geh�rt auch das Kleben zu den stoffschl�ssigen F�geverfahren. Durch Kleben werden F�geteile mittels Klebstoffen stoffschl�ssig verbunden. (www.wikipedia.org)

Oberfl�che des F�geteilsAdh�sionszone

�bergangszone

Koh�sionszone


Dr. Hartwig Lohse


Grundlagen des Grundlagen des KlebensKlebensAdh�sion:

Anhaften gleicher oder verschiedenartiger Stoffe aneinander

Koh�sion:

Die innere Festigkeit eines Werkstoffen, hier des Klebstoffes

Adh�sionskr�fteArt Bindungsl�ngen Bindungsenergien

[mm] [kJ/mol]

Chemische Bindungen:• kovalente 0,1 – 0,2 150 – 950• metallische 0,3 – 0,5 100 – 400• ionische 0,2 – 0,3 400 – 800

ZwischenmolekulareWechselwirkungen• van-der-Waals-Kr�fte 0,4 – 0,5 2 – 15• Wasserstoffbr�cken- 0,2 20 – 30

bindungen

4


Dr. Hartwig Lohse



Eine gute Benetzung der Oberfl�che durch den Klebstoff ist eine notwendige, allein jedoch nicht hinreichende Voraussetzung f�r eine dauerhafte gute Klebung


Dr. Hartwig Lohse



F�r eine gute Benetzung muss die Oberfl�chenspannung des Klebstoffs geringer sein als die des zu benetzenden Substrates

Oberfl�chenenergien [mJ/m�] einiger Kunststoffe:Nach: Habenicht, Kleben Springer Verlag 2002

• Polyimid: 49 – 51• Epoxydharz: 47 • Polyamid 6.6: 46 • PET 43• PVC (hart) 40• ABS 35 – 42• PC 34 – 37•

• PS 33 – 35 • PMMA 33 – 44• PE 31• PP 29 • Naturkautschuk 24• Silicone 24• PTFE 18

5


Dr. Hartwig Lohse


OberflOberfläächenchen--vorbehandlungvorbehandlung

Reinigen, Entfetten

Lösungsmittel,wässrig

mechanische,physikalische,

chemische Methoden

KonditionierungPrimer

BeschichtenHaftvermittlerHaftreiniger

Ziel der Oberflächenvorbehandlung:

• Entfernen von Verunreinigungen• Aufrauen Oberfl�chenvergr��erung

• Erh�hung der Oberfl�chenenergie Verbesserung der Benetzung

Ein Klebstoff kann eine Werkstoffoberfläche nur dann gut benetzen, wenn er eine niedrigere Oberflächenspannung hat als der Werkstoff!

Ziel der Oberflächenvorbehandlung:

• Entfernen von Verunreinigungen• Aufrauen Oberfl�chenvergr��erung

• Erh�hung der Oberfl�chenenergie Verbesserung der Benetzung

Ein Klebstoff kann eine Werkstoffoberfläche nur dann gut benetzen, wenn er eine niedrigere Oberflächenspannung hat als der Werkstoff!


Dr. Hartwig Lohse


OberflOberfläächenchen--vorbehandlungvorbehandlung

Gaseinspeisung

Elektrode

Spannungs-versorgung

Brenn-kammer

Substrat

Plasmastrahl

Isolationsschicht

Edelstahl-geh�use

Entladungs-kanal

Tr�ger- / Arbeitsgas

Plasmad�se

Blende

Athmosphärenplasma

• Substratstärke unerheblich

• Behandlungsbreite 10 -20 mm

• Behandlungs-geschwindigkeit 0 - 400 m/min

Funktionsprinzip

– Ein Potenzial von bis zu 20 kV in der Brennkammer f�hrt zu einer Entladungsreaktion

– Ein Gasstrom tr�gt das in der Entladungszone entstehende Plasma aus der Brennkammer heraus

– Die Plasmad�se ist au�en geerdet, so dass ein potenzialfreier Plasmastrahl auf die Oberfl�che trifft

Quelle: IFAM

6


Dr. Hartwig Lohse


Einteilung der Einteilung der KlebstoffeKlebstoffe

Klebstoffe können nach verschieden-artigen Kriterien eingeteilt werden

• Abbindemechanismus• physikalisch• chemisch

• Rohstoffbasis• Epoxid• Polyurethan• Silicon• …

•Festigkeitsniveau• Strukturklebstoff• …

• Verarbeitung• Spr�hklebstoff• Kontaktklebstoff• Tiefziehklebstoff• …

• Anwendungsbereich• Verpackungsklebstoff• Automobilklebstoff• Elektronikklebstoff

• …


Dr. Hartwig Lohse


Einteilung der Einteilung der KlebstoffeKlebstoffe

physikalisch abbindendphysikalisch abbindend

LösemittelhaltigeNassklebstoffe*Dispersionsklebstoffe*Kontaktklebstoffe*Schmelzklebstoffe*Haftklebstoffe*Plastisole*jeweils verschiedene

chemische Basis

LösemittelhaltigeNassklebstoffe*Dispersionsklebstoffe*Kontaktklebstoffe*Schmelzklebstoffe*Haftklebstoffe*Plastisole*jeweils verschiedene

chemische Basis

chemisch härtendchemisch härtend

Polyaddition:EpoxidharzePolyurethaneheißhärtendeKautschukklebstoffe

Polyaddition:EpoxidharzePolyurethaneheißhärtendeKautschukklebstoffe

Polykondensation:SilikoneMS-PolymerePhenolharzePolyimide

Polykondensation:SilikoneMS-PolymerePhenolharzePolyimide

PolymerisationMethylmethacrylateCyanacrylate anaerobe Klebstoffeungesättigte PolyesterStrahlenhärtbare Acrylatelichtaktivierbare EpoxideHaftklebstoffe

PolymerisationMethylmethacrylateCyanacrylate anaerobe Klebstoffeungesättigte PolyesterStrahlenhärtbare Acrylatelichtaktivierbare EpoxideHaftklebstoffe

KlebstoffeKlebstoffe

7


Dr. Hartwig Lohse


KlebstoffKlebstoff--VerarbeitungVerarbeitung

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


Dr. Hartwig Lohse



8


Dr. Hartwig Lohse


KlebstoffKlebstoff--VerarbeitungVerarbeitungRaupenauftrag

WirbelsprühauftragLinienf�rmiger Auftrag mit variablem Raubendurchmesser und –querschnitt

(Quelle SCA Schucker GmbH & Co)

Quasi-fl�chenm��iger Auftrag ohne Spr�hnebel (Quelle SCA Schucker GmbH & Co)

Quelle Robatech AG

Quelle: ViscoTec Pumpen- u. Dosiertechnik GmbH


Dr. Hartwig Lohse



Streifenauftrag

Sprühauftrag

Flächenauftrag

Fl�chenauftrag mittels Walzen oder Breitschlitzd�se

Scharf begrenzte Klebfl�chenQuelle Robatech AG

Quelle Robatech AG

Quelle: SCA Schucker GmbH & Co)

9


Dr. Hartwig Lohse



Siebdruck

Klebeband/-folie

Mikropunkte

Auftrag definierter Klebmuster

Auftrag kleinster Klebpunkte

Mengen bis hinunter zu 3 μg k�nnen bei Taktzeiten bis hinunter zu 2 ms und bis zu einem Abstand von 10 mm dosiert werden

Quelle Lohmann GmbH & Co KG

Quelle: Tapeinfo.com


Dr. Hartwig Lohse



Bereitstellung des Klebstoffs in der erforderlichen Menge

• Entnahme aus dem Liefergebinde• Transport zum Bauteil • ggf. Mischen im korrekten Verh�ltnis mit einer 2. Komponente• Auftragen in der richtigen Menge und Form an den richtigen Ort des Bauteils

ohne den Klebstoff z. B. durch

• thermische Sch�digung• Abbau der Standfestigkeit (Scherung)• Verunreinigung

negative zu beeinflussen

• Raupe• Punkt• fl�chig

10


Dr. Hartwig Lohse


Besonderheiten beim Besonderheiten beim Kleben von KunstKleben von Kunst--stoffenstoffen

Spannungsrisskorrosion –Spannungsrissbildung

Unter Spannungsrisskorrosion versteht man die Rissbildung in Werkstoffen unter dem gleichzeitigen Einfluss einer Zug- oder Eigenspannung und eines spezifischen Angriffsmediums.

Quelle: Stepanski Engineering

Einige Chemikalien dringen in kleinen Mengen geringf�gig in die Oberfl�che ein und f�hren zu einem Konzentra-tionsgradienten im Kunststoff und somit zu einer Lockerung der zwischenmolekularen Bindungskr�fte. Spannungen relaxieren dann im Kunststoff durch Rissbildung.


Dr. Hartwig Lohse




Kritische Bestandteile in Klebstoffen k�nnen z.B. sein:

• L�sungsmittel

• (Rest-)Monomere/Oligomere

• Emulgatoren/Tenside/Netzmittel

• niedrig molekulare Bestandteile, z.B.

•Weichmacher

• …

Quelle: Stepanski Engineering

11


Dr. Hartwig Lohse




Pr�fmethodik:

ISO 22088 (Entwurf) fasst die in den bisherigen Normen (ISO 6252, 4599, 4600) beschriebenen Methoden, sowie zwei neuere Methoden zusammen

Quelle: R�hm GmbH & Co KG


Dr. Hartwig Lohse


Besonderheiten beim Besonderheiten beim Kleben von KunstKleben von Kunst--stoffenstoffenBeispiel:

Kleben von Polycarbonat:

• Quellschwei�-Kleben: Einwirken von z.B. Methylenchlorid ggf., einige % PC enthaltend, auf die F�geteile und anschlie�endes Verpressen unter Druck

• Reaktionsklebstoffe

• 1-k- und 2-k-Polyurethane (l�sungsmittelfrei)

• 2-k-Epoxide (l�sungsmittelfrei und frei von niedrigmolekularen aminischen H�rtern)

• Silikon-Klebstoffe

• Cyanacrylat-Klebstoffe (nur f�r spannungsarme Teile)

12


Dr. Hartwig Lohse


Klebgerechte Klebgerechte KonstruktionKonstruktionDas Kleben unterliegt wie auch

andere F�geverfahren eigenen, speziellen Gesetzm��igkeiten, die eine entsprechende konstruktive Formgebung erforderlich machten.

Ziel einer klebgerechten Konstruktion ist es

• eine ausreichende Klebfl�che bereitzustellen• Spannungsspitzen in der Klebung bei einer mechanischer Belastung des Bauteils zu vermeiden

F�r das Kleben als fl�chiges F�geverfahren hat sich die Auslegung der Verbindungen auf Schub- oder Scher-, Torsions-, Zug- oder Druckbeanspruchungen bew�hrt.


Dr. Hartwig Lohse


Klebgerechte Klebgerechte KonstruktionKonstruktion

Sch�l- und Spaltbeanspruchung: linienf�rmige hohe Belastung des Klebstoffs, sollte vermieden werden.

Schub-, Scher- und Torsionsbeanspruchungen: fl�chige, gleichm��ige Belastung des Klebstoffs parallel zur Klebfl�che ohne Spannungsspitzen

Zug- und Druckbeanspruchungen: fl�chige, gleichm��ige Belastung des Klebstoffs senkrecht zur Klebfl�che ohne Spannungsspitzen

13


Dr. Hartwig Lohse


Klebgerechte Klebgerechte KonstruktionKonstruktion

Beispiele:

ungünstig günstig


Dr. Hartwig Lohse


Fertigungssystem Fertigungssystem KlebenKleben

Adhäs

ion

mechanische

Alterung

Takt

zeit

Klebstoff-härtung

Oberflächen-Vorbehandlung

Losgröße

Kosten

Toleranzen

Klebstoff-

form

Applikations-technik

Teile

Handli

ng

Produkt-

sicherheit

Beständig-keit

Subs

trate

Klebstoff-eigenschaften

Eine erfolgreiche Einführung der Klebtechnik erfordert aufgrund ihres interdisziplinären Charakters eine frühzeitige Abstim-mung und einen ständigen Kontakt zwischen allen, an dem Projekt betei-ligten Unternehmen sowie eine kompe-tente Projektleitung.

14


Dr. Hartwig Lohse


Werkstofflieferant

Automobilhersteller

Anlagenhersteller

Teilehersteller/Kleber

Klebstoffhersteller

(Extern. Berater)

Lieferant von Rohteilen

‚Gesetzgeber‘

Nur eine kompetente, erfahrene Projektleitung kann erreichen, dass am Ende nicht doch ein Puzzlestein vergessen wurde

Fertigungssystem Fertigungssystem KlebenKleben


Dr. Hartwig Lohse


PrPrüüfung von Klebfung von Kleb--stoffen und stoffen und KlebverbundenKlebverbunden

Zerstörungsfreie Prüfung:

Qualit�t der Klebung• Vorhandensein des Klebstoffs• Lufteinschl�sse in der Klebraupe• grobe Adh�sionsst�rungen (Kissing Bonds)• Dichtigkeit

Zerstörende Prüfung:

Aussage �ber die Verbundfestigkeit einer Klebung, einschl. der Versagensart zum Zeitpunkt der Pr�fung, ggf. nach einer bestimmten Alterung

15


Dr. Hartwig Lohse


zerst�rende Pr�fverfahren

statisch• Zugscherversuch• Cross-Peel-Versuch• Schubspannungs- Gleitungs-

Versuch• Pr�fung der Zeitstandfestigkeit• Druckscherversuch• Torsionsscherfestigkeit • Losbrechmoment• Cleavage Peel• Winkelsch�lversuch • Rollensch�lversuch• Klettertrommelsch�lversuch• Foliensch�lversuch• Biegesch�lversuch• 3-Punkt-Biegeversuch• Keilspalttest• etc.

zyklisch- Pr�fung derSchwingfestigkeit

schlagartig- Pr�fung beischlagartigerBean-spruchung

ggf. unter Einbeziehungvon Umweltbedingungen, wie Temperatur oder nachAlterungen simuliert durch Klimaauslagerung, z.B.:- Schwitzwassertest- Salzspr�htest- „Kataplasma-Test“- BMW PR 308.1- P-VW-1200-Test)- VDA-Wechseltest

zerst�rungsfreie Pr�fverfahren



Dr. Hartwig Lohse



F

F

ll�

b

blF

AF

�

BBB

Die Berechnung der Zugscherfestigkeit erfolgt nach folgender Gleichung: B= Zugscherfestigkeit

FB= Bruchlast in NlÜ= Überlappungslänge in mmb = mittlere Probenbreite in mmA = Klebfläche

Zugscherversuch nach DIN EN 1465

16


Dr. Hartwig Lohse


Elektromagnetisches Elektromagnetisches Kleben von Kleben von ThermoplastenThermoplasten

Induktive Erwärmung des

Schweißhilfskörpers

Schweißhilfs-körper

Strukturelle, hochfeste und

dichte Verbindung

Leichter Druck

Induktions-spule

Hochfrequentes Magnetfeld


Dr. Hartwig Lohse



Bauteil

Spule

Reflektor

Bauteil

17


Dr. Hartwig Lohse



Geeignete Kunststoffe:

• PE, PP, TPO (auch gefüllt)

• PC, ABS, PBT und Blends

• PA,

• PPO


Dr. Hartwig Lohse



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Fragen?

KLEBTECHNIKDr. Hartwig Lohse e.K.Fraunhoferstr. 3D 25524 ItzehoeTel. +49 (0)4822 95180Fax +49 (0)4822 95181E-Mail [email protected]

Documents

Kleben als F†geverfahren f†r das Verbinden von Kunststoffen · • ABS 35 – 42 • PC 34 – 37 • ... Primer Beschichten Haftvermittler Haftreiniger Ziel der Oberflächenvorbehandlung: