Haftungsmechanismen beim Vibrationsfügen faserverstärkter Duroplaste
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel der im Rahmen dieses Forschungsvorhabens durchgeführten Untersuchungen war es, die Zusammenhänge zwischen den Auswirkungen der Prozessparameter und der Werkstoffeigenschaften auf die Verbindungsqualität einer Schmelzklebeverbindung aus dem Vibrationsfügen zu analysieren. Durch geeignete Modellierung und Simulation sowie durch entsprechende experimentelle Analyse sollten die wesentlichen Einflussgrößen und die maßgeblichen Haftungsmechanismen identifiziert werden. Unter dem Aspekt der Gebrauchstauglichkeit sollten die Einflüsse der Werkstoff- und Fertigungsparameter auf die Struktur der hergestellten Klebverbindungen untersucht, qualitätssichernde Prüfungen (Scherfestigkeit) durchgeführt und mit Prozessgrößenverläufen wie z.B. dem Fügeweg, Fügegeschwindigkeit und Temperaturverlauf korreliert werden. Die Ergebnisse der Vibrationsfügeversuche lassen in Anlehnung an das Vibrationsschweißen technisch eine Einteilung des Prozesses in die vier zeitlichen Phasen, trockene Reibung (V1), instationäre Schmelzereibung (V2), quasistationäre Schmelzereibung (V3) und Erstarrung (V4) der Fügeschicht zu. Abhängig von den Fertigungsparametern Druck und Amplitude werden unterschiedliche Zeiten zum Durchlaufen der ersten beiden Phasen benötigt. Mit steigendem Fügedruck und höherer Arbeitsamplitude verkürzen sich diese Zeiten erheblich. Zur besseren wissenschaftlichen Analyse und Herstellung reproduzierbarer Eigenschaften wurde der Vibrationsfügeversuch in zwei Teilschritte unterteilt, dem Applizieren des thermoplastischen Klebematerials auf den duroplastischen Fügepartner (Teilschritt 1) und das anschließende Fügen des benetzten Fügepartners mit dem zweiten Fügepartner (Teilschritt 2). Die für die Haftung der beiden Fügepartner maßgeblich verantwortlichen Strukturen sind Mikro-Verkrallungen des Klebematerials in der Oberfläche bzw. den oberflächennahen Verstärkungsstrukturen des Grundmaterials. Die Zugabe von abrasiven Füll-/Verstärkungsstoffen (Glasfasern, Aluminiumoxid) im Klebematerial bewirkt ein Aufrauen der Fügefläche des duroplastischen Grundmaterials und ein partielles Freilegen der unter der Oberfläche befindlichen Verstärkungslagen. Die freigelegten Verstärkungslagen des Grundmaterials werden durch die Thermoplastschmelze benetzt und können diese teilweise infiltrieren. Die dabei entstehenden Mikroverkrallungen führen zu deutlich erhöhten Scherfestigkeitswerten gegenüber Verbindungen an unverstärkten Substraten. Bei der Wahl der Verstärkung des Substrates ist darauf zu achten, dass mit einer Gewebeverstärkung gegenüber einer regellosen Verstärkung deutlich höhere Scherfestigkeiten übertragen werden können. Dies gilt allerdings nur bei ausreichender Faser-Matrix- Haftung und struktureller Integrität des Substrates. Die im Vibrationsfügeprozess hergestellten Verbindungen auf Basis PA6-GF50 Schmelzkleber und EP-Basislaminat erreichten Scherfestigkeiten bis zu 30 N/mm² und sind somit durchaus mit den ebenfalls getesteten Reaktionsklebungen vergleichbar. Ein Klima-Wechseltest von -40 auf 80°C über 50 Zyklen zeigte keine Minderung der Scherfestigkeit. Durch zusätzliches Aufrauen der Oberfläche übertreffen die Scherfestigkeitswerte der Vibrationsfügeverbindung vielfach die der geprüften Reaktionsklebungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Vibrationsfügen faserverstärkter Duroplaste, Composites in Automotive und Aerospace am 17. + 18. Okt. 2007
Beiss, T; Dallner, C; Schmachtenberg, E.
- Vibrationsfügen faserverstärkter Duroplaste, DVS Fügen von Kunststoffen 2 (2007), S. 180-186
Beiss, T.; Dallner, C.; Schmachtenberg, E.; Wacker, M.
- Vibrationsschmelzkleben duroplastischer Faserverbundwerkstoffe - Prozess, Struktur, Eigenschaften, Dissertation, Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Erlangen 2007
Wacker, M.
- Kleben von duroplastischen Verbundwerkstoffen: Kurzer Prozess dank Vibrationsschweißtechnik, adhäsion, Kleben & Dichten 10 (2008) 52, S. 22-27
Beiss, T.; Menacher, M.; Feulner, R.; Hülder, G.; Osswald, T.A.
- Schnelles Kleben mittels Vibrationstechnologie, 11. Internationale AVK-Tagung, 22./23.09.2008, Essen
Beiss, T.; Feulner, R.; Menacher, M.; Schmidt, A.; Schmachtenberg, E.
- Vibration Joining of Filament Reinforced Thermosets, in: Proceedings ANTEC 2008, Milwaukee (USA), 2008, S. 831-835
Beiss, T.; Dallner, C.; Schmachtenberg, E.
- Vibrationsfügen faserverstärkter Duroplaste, 14. Nationales Symposium SAMPE Deutschland e.V., 27./28.02.2008, München
Beiss, T.; Menacher, M.; Feulner, R.; Schmachtenberg, E.
- Vibration Joining of Fiber Reinforced Thermosets, Polymer Composites, 2008
Beiss, T.; Menacher, M.; Feulner, R.; Hülder, G.; Osswald, T.A.
