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 Mehr Funktionalitäten: Mikrostrukturierung großer Flächen mit UV-Lasersystem
05.07.2018 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Neue Fräskinematik – individuell und hochpräzise fertigen
02.07.2018 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Im Focus: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vernetzte Beleuchtung: Weg mit dem blinden Fleck

18.07.2018 | Energie und Elektrotechnik

BIAS erhält Bremens größten 3D-Drucker für metallische Luffahrtkomponenten

18.07.2018 | Verfahrenstechnologie

Verminderte Hirnleistung bei schwachem Herz

18.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics