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Posts Tagged ‘Klebtechnik’

Politische Vorgaben zur Erreichung von Klimazielen, Energieeffizienz, Elektromobilität und ein gesteigertes Umweltbewusstsein spiegeln sich auch in der industriellen Fertigung wider. Leichtbauelemente spielen deshalb in der Fahrzeugproduktion und überall dort, wo Gewicht und Energie eingespart werden sollen, eine zentrale Rolle. Faserverstärkte Kunststoffe haben sich hier bewährt. In Kombination mit Stahlverbindungen werden sie in der Automobilindustrie sowie beim Bau von Nutz- und  Schienenfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen eingesetzt. Damit gewähmonorail-1636401_1920rleistet ist, dass die Klebeverbindungen nicht versagen und allen Anforderungen an Sicherheit und Belastbarkeit genügen, sind umfangreiche und kostspielige Testreihen notwendig.

In einem aktuellen Forschungsprojekt der industriellen Gemeinschaftsforschung entwickeln Wissenschaftler der Universitäten Paderborn und Kassel ein Simulationsmodell, um das Versagen der Klebschicht bzw. der Faserstrukturen zuverlässig vorherzusagen. Damit können Gestaltungs- und Auslegungsrichtlinien erstellt werden. Davon profitieren vor allem kleine und mittelständische Unternehmen. Sie können künftig aufwändige Testreihen reduzieren und wirtschaftlicher produzieren.

Ob der Klebstoff optimal auf dem Substrat haftet, hängt von der geometrischen Struktur der Oberfläche und der Ausrichtung der Fasern in den Kunstoffen ab. Die Klebverbindung kann entweder an der Grenzschicht oder im Innern der faserverstärkten Kunststoffe versagen. Solche Szenarien können mit Finite-Elemente-Analysen berechnet werden. Dabei wird der zu untersuchende Bereich in kleine Teilregionen, die Finiten Elemente aufgeteilt. Die Finite-Elemente-Analyse beruht auf dem Lehrsatz, dass belastete Strukturen sich so verformen, dass die potentielle Energie des Systems minimiert wird. Um das Deformationsverhalten zu beschreiben, gibt es eine Vielzahl von Elementtypen, die in Datenbanken hinterlegt sind. Damit künftig eine virtuelle Produktentwicklung und –prüfung auch für faserverstärkte Kunststoffe möglich ist, erarbeiten die Wissenschaftler in diesem Projekt entsprechende Simulationsmodelle.

Weitere Informationen zum Projekt Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Versagensverhalten von kalt ausgehärteten Stahl-FVK-Klebverbindungen unter schlagartiger Belastung 18337 N

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Kunststoffe sind mittlerweile nicht nur in „Alltagsanwendungen“ von der Shampooflasche bis zur Brotdose im Einsatz. Es gibt sie mittlerweile auch in Hochleistungsvarianten mit hoher chemischer, thermischer oder tribologischer Beständigkeit in vielen Industriezweigen vom Fahrzeugbau bis zur Biomedizin. Dabei werden auch unterschiedliche Kunststoffe kombiniert – jedes einzelne Bauteil wird aus dem optimalen Material gefertigt. Das stellt jedoch besondere Anforderungen an die Fügetechnik, denn viele der modernen Fluor- und Hochleistungskunststoffe lassen sich bisher nur schlecht kleben und verlangen teils eine aufwändige Vorbehandlung, die bisher meist nasschemisch erfolgt. Mit dem industriell interessantesten Vorbehandlungsverfahren, der Aktivierung mittel Atmosphärenplasma an Luft, die bei anderen Kunststoffen eingesetzt, weben bisher noch keine guten Ergebnisse erzielt. Es gibt jedoch erste Hinweise aus dem Labor, dass eine Oberflächenbehandlung unter Verwendung von Schutzgasen zu deutlich besseren Klebe-Ergebnissen führt.

In einem Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung werden an der TU Braunschweig und am Fraunhofer IST Vorbehandlungsverfahren erforscht, die die gezielte Funktionalisierung der Oberflächen von schlecht verklebbaren Fluor- und Hochleistungskunststoffen durch Atmosphärendruckplasmen in definierter Gasatmosphäre ermöglichen. Mit stickstoffhaltigen Prozesssgasen oder  plasmaunterstützen chemischen Gasphasenabscheidungen (PECVD) werden die Oberflächen mit Aminogruppen funktionalisiert, an die der Klebstoff alterungsbeständig kovalent bindet. Die ADP-Vorbehandlung lässt sich in der Serienfertigung einsetzen und lokal begrenzen.

Produkte, in denen Fluor- und Hochleitungskunststoffe Einsatz finden, werden aufgrund ihres hohen Spezialisierungsgrades häufig in kmUs hergestellt. Für sie ergibt sich aus dem geplanten Vorhaben daher eine sehr hohe wirtschaftliche Bedeutung. Zudem kommen die Ergebnisse den mittelständischen Plasmaanlagenherstellern zu Gute, die ihre Produkte technische weiterentwickeln und in neue Anwendungsbereiche vordringen können. Daher werden die Untersuchungen so ausgerichtet, dass ein einfacher Transfer der Ergebnisse in spezifische Anwendungen und in neue Plasmaanlagen ermöglicht wird.

Mehr zum IGF-Projekt 18117 N Hochfeste und dauerhafte Kunststoffklebungen durch Aminofunktionalisierung der Oberflächen mittels Atmosphärendruckplasma:

IGF-Projekt 18117 bei DECHEMA und IGF-Projekt 18117 – Material der TU Braunschweig

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100hgxeDas Verbinden von unterschiedlichen Materialien hat eine lange Tradition: Schon die Neandertaler verwendeten Birkenpech aus der Birkenrinde, um Werkzeuge herzustellen. Über die Jahrtausende hinweg kam eine breite Palette von Klebstoffen für die unterschiedlichsten Anwendungsgebiete dazu. Das Kleben hat sich zu einer unverzichtbaren Fügemethode entwickelt. Es ist sowohl aus unserem täglichen Leben als auch bei industriellen Prozessen nicht mehr wegzudenken.

Werden Polymere miteinander verbunden, muss zunächst die Oberfläche aktiviert werden, damit der eigentliche Klebprozess erfolgreich ist. In einem Forschungsprojekt des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen wird zurzeit untersucht, wie Silikonelastomere optimal für den Klebeprozess vorbereitet werden können. Diese vulkanisierten Elastomere bestehen aus einem vernetzten Polymer auf Silikonbasis. Sie eignen sich für viele Anwendungen – von Backformen bis hin zu Turboladerschläuchen.

Für die Verarbeitung vulkanisierter Silikone kommen wegen der inerten Oberfläche nur wenige Klebstoffe in Frage. Häufig muss zusätzlich noch ein Haftvermittler aufgetragen werden. Für die industrielle Verarbeitung wäre es hilfreich, wenn durch eine effektive Vorbehandlung eine größere Palette von Klebstoffen eingesetzt und auf Haftvermittler verzichtet werden könnte.

Auf Silikonmaterialien kann durch die Bestrahlung mit Licht von einer Wellenlänge < 200 nm im Vakuum-ultravioletten Bereich (VUV) oberflächennah eine dünne silikatähnliche Schicht erzeugt werden. Sie besitzt im Gegensatz zum unbehandelten Silikon klebfreudige Eigenschaften. Damit vergrößert sich auch die Auswahl an geeigneten Klebstoffen. Die sehr kurzwellige VUV-Strahlung dringt mehrere Mikrometer in die Oberfläche der Silikone ein. Das ist ein großer Vorteil gegenüber den gängigen Aktivierungsverfahren, bei denen die Eindringtiefe nur wenige Nanometer beträgt. Durch diese Tiefenmodifikation bleibt die Aktivierung der Oberfläche über längere Zeit stabil und man kann auf Haftvermittler verzichten.

Als VUV-Strahlungsquellen werden kommerziell erhältliche Lampen (Hg-Niederdrucklampe und Xe2*-Excimerlampe) verwendet. Sie zeichnen sich durch geringe Investitions- und Betriebskosten aus und können leicht in bestehende Produktionsprozesse integriert werden.

Mehr zum Projekt: VUV-Klebvorbehandlung von Silikonelastomeren, IGF-Nr. 17551 N

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