Kleben von schwierigen Oberflächen Winterthurer Klebstofftagung 2015, Dr. Andreas Lutz Inhalt Warum verschiedene Oberflächen: Beispiel Automobilbau Zusammenfassung relevanter Oberflächen Klebstoffauswahl Stahl Aluminium Low energy Oberflächen Glas 2 Es gibt keine schwierigen Oberflächen, sondern nur ungeeignete Klebstoffsysteme oder ineffiziente Vorbehandlungen. Marktrend: Verbrauchs- und Emissionsreduktion - katalysiert durch gesetzliche Auflagen Source: ICCT (updated 2015) Material Mix Beispiel AUDI A3 Source Bad Nauheim Euro Car Body 2012 BMW 3 series Material Mix Beispiel Ältere C-Klasse 3% 3% 9% hot-stamped ultra-high-strength steel ultra-high-strength steel steel 85% aluminium (rolled and cast) aluminum hot-stamped steel ultra-high-strength steel other Neue C-Klasse 2014 40% 48% Automobil Produktion 2014, Die neue C-klasse 4% 8% DOW CONFIDENTIAL - Do not share without permission Zusammenfassung Oberflächen Für Anwendungen im Fahrzeugbau Kunstoffe Metallisch Leichtmetalle Stahl Beschichtung ratsam zwecks Verhinderung von Korrosion Aluminium Vorbehandlung nötig zwecks Verhinderung unkontrollierte m Oxidaufbau Magnesium Vorbehandlung nötig zwecks Verhinderung unkontrolliertem Oxidaufbau Polare Polymer Faserverbundwerkstoffe auf Weniger polare Polymere Faserverbundwerkstoffe auf duroplastischer Polymerbasis (z.B. Epoxidharz oder Polyamid) thermoplastischer Polymerbasis (z.B. PP, PC oder Blends) Vorbehandlungs frei falls keine Trennmittel präsent Aktivierung der Oberfläche z.B. Plasmabehandlung Anschleifen zum Entfernen von Trennmitteln Zusätzliche Aufbringung eines Primers Evtl. zusätzliche Aufbringung eines Primers 7 Standardpotentiale und Wärmeleitfähigkeiten Wärmeleitfähigkeit [W/m x K] Standardpotential E° [V] Fe3+/Fe -0.04 Eisen 80.2 Al3+/Al -1.66 Aluminium 236 Ti3+/Ti -1,37 (-1,21) Zink Zn2+/Zn -0.76 Magnesium 156 O2/H2O 1.23 Epoxidharz 0.2 Cu2+/Cu 0.35 Graphit Graphit -0.14 116 119-165 Korrosionsrisiko bei Mischbau erfordert klare Konzepte hinsichtlich Design und Versiegelung Rohbauanwendungen erfordern Design- und neue Klebstoffkonzepte Klebstoffauswahl In Abhängigkeit von der Oberflächenpolarität Oberfläche Beispiel Klebstoff Stark polar Metale KTL Beschichtung Polymere Oberflächen wie Epoxidharze (Pulverbeschichtungen) 1 oder 2K EP, PU oder ACR Weniger polar Duroplastische Verbundwerkstoffe Wie GFK oder CFK Glas 2K EP, PU oder ACR Unpolar Thermoplastische Werkstoffe wie PE, PP 2K PU oder ACR 9 Beschichtung von Stahl Beschichtung zwecks Verhinderung Dauerbeständigkeit der Verklebung von Korrosion und besserer Gängige Beschichtungsarten in der Fahrzeugindustrie: Feuerverzinkung Elektrolytische Verzinkung Zink-Eisen Beschichtung (Galvaneal) im Nachgang nach Feuerverzinkung Aluminium-silicium für höherfeste Stähle Beispiel: 3 Lagenaufbau Galvaneal: Spröde Gamma layer (20-28% Fe) Delta layer (7-11% Fe) Zeta layer (5-6% Fe) Typische Weiterverarbeitung an einer Fahrzeuglinie Stanzen und Umformen der angelieferten Bleche Entfetten Phosphati eren KTL Beschichtung für Korrosion und Lackhaftung 10 Stahlbandherstellung Chemische Vorbehandlung Dickenkontrolle Band Kühlung Inspektion Schneiden Induktion Ofen Vertikaler Ofen mit schneller Kühlung Reinigung 1/2 Beispiel Herstellung von DP Stahl: Heizen auf ca. 900°C im Vertikalofen Erzeugung einer Martensit-Phase durch schnelles abkühlen Aufheizen auf Zink Badtemperatur im Induktionsofen 11 Stahlsorten 70 Elongation (%) 60 Baustähle: Unlegierte Baustähle Feinkornbaustähle Feuerverzinkte Baustähle Hochfeste Feinkornbaustähle 50 Rohrgüten: CMn-Stähle MnB-Stähle CrMo-Stähle Vergütungsstähle Luft- / Wasserhärter API-Leitungsrohrstähle 40 30 20 Automotive use: IF-Steel Weiche Tiefziehgüten Higher strength IF-Steel BH-Steel Isotrop Steel CMn-Steel Higher strength Mikro alloy Steel DP-Steel TRIP-Steel Martensit phase steel Press hardening steel 10 0 0 200 400 600 800 Yield point (MPa) 1000 1200 1400 12 Applikationsarten und Beispiele Raupenauftrag Wirbelsprühen Dünnstrahlspritzen Niedrige Klebstoffviskositäten erlauben schnelle Auftragsverfahren Dünnstrahlspritzen Überkopf 500 mm/2 Seitenrahmen Türeinstieg Rohbauklebstoff Performance-Übersicht Ausgezeichnete Haftung auf verzinkten Oberflächen, inklusive hoher Korrosionsbeständigkeit Hohe statische und dynamische Festigkeiten garantieren hohe Dauerschwingfestigkeit und Crashsicherheit Zugscherfestigkeiten vor und nach alterung Exzellentes Bruchverhalten verzinkten Oberflächen auf Links nach rechts Electrolytisch verzinkter Stahl – feuerverzinkter Stahl Dynamische Schälfestigkeit in Abhängigkeit von T Nach 10 Runden VDA initial Nach 10 Runden VDA Wechseltest initial 14 Vorbehandlung von Aluminium Zwecks Aufbringung einer definierten Oxidschicht und Stabilisierung dieser, ist eine chemische Vorbehandlung (Konversionsschicht) notwendig: Chemische Oberflächenmodifikation: Ti und Zr Hexafluoride Applikation Homogene Oberflächenbeschaffenheit Verbesserte Haftung für Klebstoffe oder Lacke 20nm Zr H O O Al O Ti O Al O Al O Al O H O O Al Al Konversionsschicht Idealisierte Strukturformel Al Substrat TEM Aufnahme 15 Dauerbeständigkeit von Aluminium-Verklebungen Dauerbeständigkeit von Aluminium im Vergleich zu Stahl (schematisch) Festigkeit X X Bewertungskriterien: - %-Abfall der Festigkeit oder Energieaufnahme - Bruchbild X X Steel i.O. Aluminium Wechseltest (KKT) Aussenlagerung als Vorhersage Realfall n.i.O. (ungeeignetes Klebsystem / OFV) 1/4 Freigabe Stahl 1/2 1 2 Freigabe Aluminium 5 10 Jahre 16 Applikationsbeispiele Aluminium-Verklebungen BMW 5 series aluminum front end bonding Aluminum Aluminum Steel Steel Steel Aluminum Aluminum Steel Source: Eurocarbody 2003 – BMW – Udu Hänle/Kurt Lief Vorbehandlung von low energy Oberflächen Unterscheidung zwischen thermoplastischen und duroplastischen Oberflächen Duroplastisch: vernetzend z.B. Epoxid, Polyester oder Phenolharze Thermoplastisch: z.B. PE, PP, PC, PA Polare Funktionen wie Oxide oder Hydroxide sind an den Oberflächen praktisch nicht vorhanden. Oberflächen Vorbehandlung zwingend Gründe für Vorbehandlung: Entfernung von Verunreinigungen oder Rückständen wie Öl oder Trennmittel Erhöhung der Oberflächenenergie durch Aufbringen von funktionellen Gruppen Aufbringen eine Oberflächentextur, welche freie Oberfläche entsprechend vergrössert 18 Vorbehandlung von low energy Oberflächen 1 2 3 4 Reinigung der Oberfläche: Über Lösungsmittel oder speziellen Reinigungs pasten Entfernen von Verunreinigungen wie Trennmitteln. Aufrauen der Oberfläche: Entfernen von Verunreinigungen und Bereitstellung einer texturierten Oberfläche mit definierter Rauigkeit. Flamm Behandlung: z.B. Plasma Erzeugung polarer funktioneller Gruppen an der unpolaren Oberfläche. Applikation Primer oder Aktivator: Applikation von reaktiven Molekülen und Polymeren zwecks verbessertem Haftaufbau und Dauerfestigkeit der Verklebung. angeschliffen oder gewaschen zwecks Entfernung externer Trennmittel oder Corona Behandlung Nasschemische Behandlung nicht-, oder filmbildend optional 19 Maximaler Leichtbau Massiver Einsatz von Faserverbundwerkstoffen Beispiel BMW i-Serie Oder neuer 7er (Quelle youtube) Rohbau und trim shop Anwendung CFK-Aluminium Leichtbau CFK Fahrgastzelle Schwellerbereich https://www.youtube.com/watch?v=62xdxhnBrXE&feature=youtu.be Heckklappe anderes Fahrzeug DOW CONFIDENTIAL - Do not share without permission Gründe für den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen Maximale Gewichtseinsparung kombiniert mit exzellenten mechanischen Eigenschaften. Performance Vergleich CFK-Metalvs. Metals Specific Performance of Composites Masseneinheit • Dow entwickelt Klebstoff und Komposite Technologien 500 10 450 9 Specific Stiffness 400 350 8 Specific Strength Bis zu 60% Gewichtsreduktion 7 Density 6 300 Bis zu 40% 250 200 5 4 Bis zu 25% Gewichtsreduktion 3 150 ~40% 100 2 1 50 0 CFRP (0-90 Fabric 50vol%) GFRP (0-90 Fabric 50vol%) GF40 PA6 (dry) Steel Al Alloy IHS GlobalSpec Online Events (Oct 13, 2013) “Automotive Lightweighting: Mass Reduction for Mass Production. Tonja Sutton Mg Alloy 0 Density und Steifigkeiten bei gleicher Specific Strength and Stiffness Values • CFK bietet höchste Festig- Zweikomponenten PU-Strukturklebstoffe Flexibel und hochfest Vorbehandlungsfreie Haftung möglich Hohe Temperatur Toleranz Hohe Feuchteresistenz Schneller Festigkeitsaufbau auch unter thermischer Vorhärtung Schweller Klebeprozess CFK Substrat Vorbereitung: 1 angeschliffen oder gewaschen zwecks Entfernung externer Trennmittel Neuere Klebstoffgeneration 1 Applikation Nasschemie: 2 3 4 Primer oder Aktivator für Beschleunigung Haftaufbau und generellen Haftung Applikation Klebstoff: CFK Substrat Vorbereitung Applikation Nasschemie 2 Applikation Klebstoff 3 Fügen der Bauteile Dynamisch oder statisch gemischt Fügen der Bauteile: Evtl. themische Vorhärtung für Bauteilfixierung Vorbehandlungsfreie Adhäsion: BETAFORCE™ 9050S SMC, CFK und Lack Applikation ohne chemische Vorbehandlung möglich Eliminierung eines Prozessschrittes und Anwendung von Nasschemie in der Produktion Haftung zu SMC mit Plasma-Vorbehandlung Sehr gute Adhäsion zu gereinigten CFK-Oberflächen Heckklappenanwendung: Hitze beschleunigter Prozess an gewaschenen CFK Bauteilen innerhalb von 5 Minuten Prozesszeit. BETAFORCETM 9050 vorbehandlungsfrei BETAFORCETM 9050 vorbehandlungsfrei DOW CFRP angeschliffen DOW CFRP Nicht geschliffen Verkleben von Glas Glas Primer BETASEALTM PU-Klebstoff Primer KTL oder Lack NCO NH- Lackiertes Bauteil BETASEALTM NH- NCO NCO OH Glas Primer OH Si OH O HO Si Glas oder Keramik OH Si OH OH Feuchte härtender PU klebstoff oder 2K Haftvermittler auf Silanbasis zwischen Primer (filmbildend) und Aktivator Silan modifizierte PU Präpolymer Technologie als intrinsische Haftvermittler
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