Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Montagespritzgießen verbindet Metall und Thermoplast

04.03.2010
Das Einspritzen einer Zwischenschicht aus TPE ermöglicht, eigentlich nicht stoffschlüssig zu fügende Komponenten zu verbinden. Dazu eignet sich das Montagespritzgießen, das aus Metallblechen und thermoplastischen Grundkörpern in einem Prozessschritt einen Werkstoffverbund herstellt.

Funktionsintegrierte Mehrschichtbauteile aus Kunststoff und Metall sind Stand der Technik und finden in vielfältiger Weise Anwendung. Jedoch ist ein direktes stoffschlüssiges Fügen dieser Werkstoffkomponenten – zum Beispiel durch Hinterspritzen – oft nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich.

Kunststoff und Metall haften ohne Vorbehandlung schlecht

Grund dafür ist eine fehlende oder nicht ausreichende Haftfestigkeit oder ein unterschiedlich thermisch-mechanisches Verhalten der Komponenten. Eine Fügeflächen-Vorbehandlung, die beispielsweise die Schritte Reinigen, Entfetten und Aufbringen von Haftvermittlern umfasst, kann die Verbindung verbessern und teilweise zu einer höheren Haftfestigkeit führen.

Gemeinsam mit den beiden Projektpartnern HBW Gubesch Kunststoff-Engineering GmbH, Wilhelmsdorf, und Elastogran GmbH, Lemförde, hat der Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT) eine vereinfachte Möglichkeit zur Applikation eines Metallblechs auf eine thermoplastische Hartkomponente untersucht. Dieser Fügeprozess soll in einem Prozessschritt erfolgen.

TPE-Zwischenschicht verbessert Haftung von Aluminium und PC/ABS

So ermöglicht das Einspritzen einer Zwischen- oder Medienschicht aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) auf Polyurethanbasis, eine Aluminiumdeckschicht und einen Grundträger aus PC/ABS stoffschlüssig zu einem Metall-Kunststoff-Kunststoff-Verbund (MK2-Verbund) zu fügen. Die thermoplastische Polyurethan-Zwischenschicht verbessert die Haftung der Komponenten und gleicht thermisch oder mechanisch induzierte Verformungsunterschiede aus.

Weil das Hauptaugenmerk dabei auf Anwendungen im Automobil-Interieurbereich liegt, wurden anhand eines Demonstrators in Form einer Zierleiste (430 mm × 40 mm × 5,6 mm) die Möglichkeiten dieses Verfahrens aufgezeigt. Ziel ist die signifikante Verkürzung der Prozesskette durch integrative Kombination einzelner Prozessschritte bei gleichzeitiger funktioneller Verbesserung des Bauteils.

Neben der Bewertung der Verbundhaftung und der Beurteilung anwendungstypischer Belastungen lag ein Schwerpunkt der Arbeiten in der prozesstechnischen Umsetzung der Verbundherstellung.

Open-Air-Plasmatechnik verbessert Verbundhaftung zwischen TPE und Metallblech

Um die Verbundhaftung zwischen der TPE-Zwischenschicht und dem Metallblech oder einer Hartkomponente zu optimieren, wird die am LKT erforschte Open-Air-Plasmatechnik angewendet. Sie ermöglicht, unmittelbar vor dem Einspritzen der Zwischenschicht die zu fügenden Oberflächen für den Verbund zu reinigen und eine Grenzflächenaktivierung durchzuführen.

Aufgrund der in die Spritzgießanlage integrierten Plasmabehandlung lassen sich die bereitgestellten Halbzeuge direkt ohne externe Behandlung in das Werkzeug einlegen. Die Plasmadüse wird von einem Sechs-Achs-Knickarmroboter gezielt im geöffneten Werkzeug über die Fügeflächen geführt. Die Oberflächenbehandlung findet ohne weitere Handhabungsschritte – also inline – statt.

Dieser integrierte Prozessschritt ermöglicht ein wirtschaftliches, prozesssicheres Fügen der drei einzelnen Komponenten und spart so vorgelagerte Bearbeitungs- und Handhabungsschritte der Halbzeuge ein. In der Verkürzung der Prozesskette – im Vergleich zur konventionellen klebtechnischen Applikation – und in der Möglichkeit zur Steigerung des Automatisierungsgrads steckt das Potenzial für einen stabilen Herstellprozess.

Vorwärmen des Metallblechs erhöht die Haftfestigkeit

Die einzelnen Schichten des Verbunds erfüllen verschiedene Aufgaben: Während die metallische Decklage optischen Ansprüchen genügen und einen Cool-Touch-Effekt erzeugen soll, wird mit der thermoplastischen Grundschicht ein leichter, formstabiler und einfach herzustellender oder zu montierender Träger erzeugt. Die Zwischenschicht stellt das stoffschlusserzeugende Medium für die originär inkompatiblen Werkstoffe dar.

Damit der Verbund aus einer optimal haftenden Werkstoffkombination besteht, wurden die Teilsysteme Metall–TPE sowie TPE–Grundträger separat geprüft. So fand am LKT eine angepasste Prüfung durch Stirnabzug statt. Als Schwachstelle des Verbunds stellte sich die Anbindung des TPE am Metall heraus. Dagegen wurde zwischen TPE und Grundträger eine ausreichend gute Verbundhaftung erreicht. Durch Vorwärmen der Metalleinleger ist eine Verbesserung der Haftfestigkeit möglich.

Beste haftung mit weicherem TPE und unbehandeltem Aluminiumblech

Bei Anwendung als Zwischenschicht im MK2-Demonstrator zeigte sich, dass zwischen einem weicheren TPE (Elastollan C65A HPM der Elastogran GmbH, Härte Shore A 65) und einem unbehandelten Aluminiumblech (EN AW-1050A) die beste Haftung erreicht werden kann. Zur Herstellung des Grundträgers wurde PC/ABS mit 20 Gew.-% Glasfaseranteil (Bayblend T88-4N der Bayer AG) verarbeitet.

Eingehende Untersuchungen am LKT zur Belastbarkeit eines solchen Verbunds verdeutlichen das Leistungspotenzial der Zwischenschicht: Aufgrund der elastischen Eigenschaften der TPE-Schicht kann eine mechanisch oder thermisch induzierte Deformation oder Dehnung kompensiert werden.

Werkstoff und Dicke der Zwischenschicht beeinflussen Ergebnis erheblich

Jedoch hat in diesem Fall die Schichtgestaltung einen erheblichen Einfluss auf das Ergebnis. Sowohl Werkstoffauswahl als auch Schichtdickengestaltung müssen entsprechend der Anwendung gerecht ausgelegt werden. Insbesondere Änderungen der Zwischenschichtdicke ermöglichen, die Eigenschaften des Verbunds anzupassen.

Der Demonstrator „Zierleiste“ wurde aus diesem Grund gezielt mit variierten Schichtdicken hergestellt und unterschiedlicher Belastung ausgesetzt. So führten die Prüfung „Wasserlagerung“ und der für die automobile Anwendung notwendige Klimawechseltest zu einer deutlich stärkeren Belastung der Prüfkörper mit dünnen TPE-Zwischenschichten.

Ergebnis: Die Kraft zur Durchbiegung im Drei-Punkt-Biegeversuch fällt deutlich ab. Dickere Zwischenschichten bieten dagegen mehr elastisches Potenzial. Sie können die Belastung einwirkender Medien und Temperaturwechsel besser ertragen und kompensieren unterschiedliche Dehnungswerte der einzelnen Schichten. Die Minderung der mechanischen Belastbarkeit ist gering.

Potenzielle Anwendungen der TPE-Zwischenschicht reichen über Automobilindustrie hinaus

Grundsätzlich wurde anhand des Forschungsprojekts gezeigt, dass sich durch Einspritzen einer TPE-Zwischenschicht die Belastbarkeit von Verbundteilen aus Metall und Thermoplast steigern lässt. Die beiden industriellen Projektpartner sehen noch eine weitere Steigerungsfähigkeit, indem man die konstruktive Bauteilgestaltung verbessert und weitere Werkstoffkomponenten testet. Auch eine weitere Verkürzung des Herstellprozesses ist denkbar sowie die Übertragung der Ergebnisse in Anwendungsbereiche außerhalb der Automobilindustrie – insbesondere dort, wo ein Stoffschluss durch Spritzgießen noch nicht möglich ist.

Für die Bereitstellung der im Rahmen der Untersuchungen benötigten Werkstoffe danken die Autoren der Elastogran GmbH und der Novem Car Interieur Design GmbH, Vorbach, außerdem der Neue Materialien Fürth GmbH für die Unterstützung bei den Versuchen und der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 396 „Robuste verkürzte Prozessketten für flächige Leichtbauteile“.

Prof. Dr.-Ing. Dietmar Drummer ist Inhaber des Lehrstuhls für Kunststofftechnik (LKT) der Universität Erlangen-Nürnberg. Dipl.-Ing. Marc Reichart leitet die Entwicklung bei der HBW Gubesch Kunststoff Engineering GmbH in Wilhelmsdorf. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Steve Meister ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am LKT.

Dietmar Drummer, Marc Reichart u | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/kunststoffverarbeitung_gummiverarbeitung/articles/253395/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht Sturmfeder bekämpft Orkanschäden
23.10.2017 | Westfälische Hochschule

nachricht rollFEED® Turning auf EMAG Maschinen: Tempomacher für die Drehbearbeitung
17.10.2017 | EMAG GmbH & Co. KG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Salmonellen als Medikament gegen Tumore

HZI-Forscher entwickeln Bakterienstamm, der in der Krebstherapie eingesetzt werden kann

Salmonellen sind gefährliche Krankheitserreger, die über verdorbene Lebensmittel in den Körper gelangen und schwere Infektionen verursachen können. Jedoch ist...

Im Focus: Salmonella as a tumour medication

HZI researchers developed a bacterial strain that can be used in cancer therapy

Salmonellae are dangerous pathogens that enter the body via contaminated food and can cause severe infections. But these bacteria are also known to target...

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Konferenz IT-Security Community Xchange (IT-SECX) am 10. November 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Luftfracht

23.10.2017 | Veranstaltungen

Ehrung des Autors Herbert W. Franke mit dem Kurd-Laßwitz-Sonderpreis 2017

23.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Magma sucht sich nach Flankenkollaps neue Wege

23.10.2017 | Geowissenschaften

Neues Sensorsystem sorgt für sichere Ernte

23.10.2017 | Informationstechnologie

Salmonellen als Medikament gegen Tumore

23.10.2017 | Biowissenschaften Chemie