DE102007010540A1

DE102007010540A1 - Verfahren zum hochfesten Kleben von Bauteilen

Info

Publication number: DE102007010540A1
Application number: DE102007010540A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Prof. Beyer; Irene Dr. Jansen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-03-06
Also published as: DE102007010540B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hochfesten Kleben von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen. Sie ist überall dort einsetzbar, wo derartige Bauteile mittels der Fügetechnik Kleben verbunden werden. Insbesondere ist die Erfindung vorteilhaft im Automobil-, Flugzeug- und Maschinenbau sowie dazu verwandten Industrien einsetzbar. Das Verfahren zum hochfesten Kleben von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeflächen für den eigentlichen Klebvorgang mit dem jeweils zum Einsatz kommenden Klebstoff beschichtet werden und davor oder danach durch die beiden Klebflächen der jeweils zu fügenden Bauteile eingebracht werden und dass diese Löcher, Fugen und/oder Schlitze mit einem Klebstoff oder niedrig schmelzendem Metall ausgefüllt und gehärtet werden. Bei dickeren Klebfugen können auch zunächst in beide Fügeteile Löcher, Fugen und/oder Schlitze eingebracht werden. Beim Fügen der mit Klebstoff beschichteten Bauteile dringt der Klebstoff dann auch in die Löcher, Fugen und/oder Schlitze.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hochfesten Kleben von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen. Sie ist überall dort einsetzbar, wo derartige Bauteile mittels der Fügetechnik Kleben verbunden werden. Dabei können diese Bauteile beispielsweise Bleche und Platten, eben oder gewölbt, sowie Profile und weitere Teile, die nur von einer Seite erreichbar sind, sein. Ohne Einschränkung des gesamten Anwendungsgebietes der Erfindung ist sie besonders vorteilhaft im Automobil-, Flugzeug- und Maschinenbau sowie verwandten Industrien einsetzbar.
In den verschiedenen Industriezweigen kommen unterschiedlichste Fügeverfahren, wie beispielsweise Schweißen, Schrauben, Nieten, Clinchen usw. zum Einsatz. Beim Schweißen wird Wärme eingebracht, was beispielsweise zum Verzug des Bauteils führen kann. Die weiteren Verfahren können durch auftretende Spannungsspitzen nachteilig sein. Aus diesen Gründen findet das Kleben eine immer breitere Anwendung. Die verschiedensten Verfahrensvarianten des Fügens mittels der Klebtechnik sind in der Literatur umfassend beschrieben (Gerd Habenicht, Kleben-Grundlagen, Technologien, Anwendung, 4. Auflage, Springer-Verlag).
H. A. Flegel beschreibt in "Die Zukunft des Klebens als Fügetechnik im Automobilbau" (Fachtagung Fertigungssystem Kleben, 2001, Bremen, S. 1–21) Entwicklungstendenzen des Klebens als Fügetechnik im Automobilbau. Vor allem das Multimaterial Design bedingt, dass Kleben teilweise als einzigstes Fügeverfahren in Frage kommt.
Alle diese bekannten Klebverfahren haben allerdings den großen Nachteil, dass die eingesetzten Klebstoffe aushärten müssen, um eine ausreichende Festigkeit der Klebstelle/Klebfläche zu gewährleisten, was zwangsweise bedeutet, dass die zu fügenden Bauteile während des Aushärtungsprozesses des Klebstoffes fixiert werden müssen, um ein Verrutschen dieser Teile zueinander zu verhindern. Diese Fixierung wird meist mittels Zangen und Zwingen oder bei einer Großfertigung (beispielsweise in der Autoindustrie) mittels passgenauer Formen realisiert.
Fixierungen können auch durch Schweißen, Schrauben, Nieten, Clinchen und so weiter erfolgen. Das Schweißen ist aber schwierig bei organisch beschichteten Blechen beziehungsweise bei geklebten Blechen. Nieten und Schrauben sind demgegenüber sehr aufwendige Verfahren und das Clinchen ist nur dann einsetzbar, wenn die Rückseite zugänglich ist. Die Notwendigkeit der Fixierung führt dazu, dass der Gesamtklebprozess unterbrochen werden muss, was diesen Gesamtprozess hemmt und behindert und somit Aufwand und Kosten des Gesamtprozesses stark erhöht.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Klebtechniken besteht darin, dass die Klebfläche oder -stelle meist nicht die gewünschte Festigkeit erreicht, so dass die Klebtechnik als Fügeverfahren für Bauteile mit einer bestimmten Festigkeitsvoraussetzung an der Fügestelle oder -fläche nicht anwendbar ist.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu finden, die es gestattet, unterschiedlichste Bauteile mittels des Klebverfahrens zu fügen, wobei die Nachteile des Fixierens und der noch zu geringen Festigkeit der geklebten Stellen und Flächen beseitigt sind.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb, ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen aus gleichen oder verschiedenen Werkstoffen mittels Kleben vorzuschlagen, das wenig aufwendig ist, bei dem auf das separate Fixieren während der Aushärtephase verzichtet und die Festigkeit der Klebstellen und -flächen deutlich erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 32 gelöst.
Das Verfahren zum hochfesten Kleben von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen eignet sich besonders für Bauteile aus Metall, aber auch für Bauteile aus anderen Werkstoffen, wie beispielsweise verstärkten und nicht verstärkten Kunststoffen (zum Beispiel Epoxidharze, PEEK, PP) sowie Glas oder Keramik. Dabei können diese Bauteile beispielsweise Bleche, Platten, Profile und ähnliches sein, wobei auch Bauteile mit unterschiedlichen und auch komplizierten Geometrien gefügt werden können.
Erfindungsgemäß werden bei dem Verfahren zum hochfesten Kleben die Klebflächen der beiden zu fügenden Bauteile für den eigentlichen Klebvorgang mit dem jeweils zum Einsatz kommenden Klebstoff beschichtet. Davor oder danach (vorzugsweise danach) werden durch die beiden Klebflächen der jeweils zu fügenden Bauteile Löcher, Fugen und/oder Schlitze eingebracht, wobei diese Löcher, Fugen und/oder Schlitze vorzugsweise nicht durchgängig sein müssen und vorteilhafterweise bei Zugbeanspruchung des geklebten Bauteils schräg zur Oberfläche und bei Scherbeanspruchung des geklebten Bauteils senkrecht zur Oberfläche eingebracht sein sollten. Darüber hinaus können die Löcher, Fugen und/oder Schlitze auch konisch sein. Die Anordnung der Löcher, Fugen oder Schlitze kann, insbesondere bei der schrägen Anordnung, in vorteilhafter Weise für bestimmte Anwendungsfälle auch in wechselnden Richtungen ausgeführt werden. Vorteilhafterweise, auch insbesondere dann, wenn Bauteile mit komplizierten Geometrien gefügt werden sollen, werden diese Löcher, Fugen und/oder Schlitze mittels Laser (vorzugsweise mittels Faserlaser oder Festkörperlaser, wobei der Festkörperlaser ein Nd:YAG-Laser sein kann) eingebracht.
Um Lufteinschlüsse nach dem Einbringen des Klebstoffes zu vermeiden, können die Löcher auch durchgängig ausgeführt werden. Wurden Schlitze eingebracht, kann die Luft im Gegensatz zu Löchern besser entweichen. Schrägbohren, und -schneiden der Löcher, Fugen und/oder Schlitze ist vorteilhafterweise nach dem Trepanning-Verfahren möglich. Es können anstelle der Löcher, Fugen und/oder Schlitze auch Konturen, z. B. S-förmige Schlitze mit schrägen Schnitten, hergestellt werden, was sich für bestimmte Anwendungsfälle als günstig erwiesen hat.
Die eingebrachten Löcher, Fugen und/oder Schlitze werden danach erfindungsgemäß mit einem Klebstoff, wobei vorteilhafterweise schnell aushärtende Klebstoffe (beispielsweise Cyanacrylat und/oder niederviskose schnellhärtende 2-K-Epoxidharze bzw. UV-aktivierbare oder -härtbare Klebstoffsysteme) verwendet werden, gefüllt, was vorzugsweise durch Einspritzen erfolgen kann. Durch diesen so erzeugten „Klebniet", der durch beide Fügeteile und die Klebfuge gehen kann, wird eine Fixierung der Klebung erreicht. Die Aushärtung der eigentlichen Klebflächen, die bereits mit dem jeweils zum Einsatz kommenden Klebstoff beschichtet sind, sollte vorzugsweise möglichst reibungslos und kontinuierlich in den Gesamtprozess integriert sein. In der Automobilindustrie könnte das vorteilhafterweise dadurch realisiert werden, dass diese eben beschriebene Aushärtung der eigentlichen Klebflächen beispielsweise während des KTL-Prozesses (KTL = Katoden-Tauch-Lackierung) erfolgt. Vorzugsweise werden für den eigentlichen Klebvorgang handelsübliche, für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Klebstoffe verwendet, was vom jeweiligen Werkstoff des Bauteiles, das geklebt werden soll, abhängt.
Für den Fall, dass der konkrete Anwendungsfall dies zulässt, hat es sich als günstig erwiesen, wenn für das Füllen der Löcher, Fugen und/oder Schlitze und für den eigentlichen Klebvorgang zum Fügen die gleichen Klebstoffe verwendet werden.
Es kann allerdings in speziellen konkreten Anwendungsfällen auch vorteilhaft sein, wenn auf das flächige Kleben ganz verzichtet wird. In diesen Fällen wird durch den Klebstoff in den Löchern, Fugen und/oder Schlitzen und das beim Einfüllvorgang geringfügige Breitlaufen des Klebstoffes auf der eigentlichen Klebfläche nach dem Fügen und Aushärten bereits eine für den entsprechenden Anwendungsfall ausreichende Festigkeit der Klebstelle erreicht. Bei diesem Verfahren kann auch die Luft besser entweichen.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass es von Vorteil ist, wenn die entsprechenden Klebstoffe auch kurzzeitig erwärmt werden können, damit sie besser in die Löcher, Fugen und/oder Schlitze einfließen können. Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung kurz vor dem eigentlichen Zusammenfügen der Bauteile Dieses Verfahren bietet sich besonders bei höherviskosen Klebstoffen an, da diese durch die Erwärmung wesentlich besser in die Löcher, Fugen und/oder Schlitze fließen und diese dadurch besser gefüllt werden. Wichtig ist aber, dass unbedingt darauf geachtet wird, dass die Erwärmungstemperatur unterhalb der Aushärtungstemperatur liegt. "Hotmelts", also physikalisch aushärtende Systeme, können bis zur Schmelze erwärmt werden und sind für das erfindungsgemäße Verfahren bei größeren Lochdurchmessern besonders geeignet.
In die Löcher, Fugen und/oder Schlitze können für bestimmte Anwendungsfälle vorteilhafterweise auch niedrig schmelzende Metalle eingebracht werden.
Vor allem wenn dickere Klebfugen aus höhermoduligen Klebstoffen vorgesehen sind, kommt eine weitere erfindungsgemäße Verfahrensvariante zur Anwendung. Hierbei werden zunächst in beide Fügeteile Löcher, Fugen und/oder Schlitze wie beschrieben eingebracht. Danach wird die Fügefläche mit Klebstoff bestrichen. Beim Fügen der Teile dringt der Klebstoff dann auch in die Löcher, Fugen und/oder Schlitze auf beiden Seiten ein. Auch in diesem Fall kann es in bestimmten Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft sein, wenn auf das flächige Kleben ganz verzichtet wird.
Bei beiden erfindungsgemäßen Verfahren wird eine dübelartige Verzahnung der zu verklebenden Fügeteile hergestellt, d. h. die stoffschlüssige Verbindung wird mit einem Formschluss kombiniert. Durch die schräge Lage der Löcher und das ineinander Verhaken oder bei Scherbeanspruchung auch die geraden Löcher spielt nur die bulk-Festigkeit des Klebstoffes eine Rolle und nicht die adhäsive Festigkeit zwischen Klebstoff und Fügeteil. Deshalb ist es sinnvoll die Festigkeit des Klebstoffes in den Löchern, Fugen und/oder Schlitzen weiter zu erhöhen. Vorzugsweise werden dem Klebstoff Füllstoffe zugesetzt. Als vorteilhaft für bestimmte Anwendungszwecke hat sich dabei erwiesen, wenn diese Klebstoffe in den Löchern, Fugen und/oder Schlitzen faserverstärkt sind, wofür Kohlefasern, Glasfasern und/oder textile Fasern vorzugsweise eingesetzt werden können. Für andere Anwendungsfälle kann es aber auch von Vorteil sein, wenn als Füllstoffe Carbon-Nanotubes und/oder Partikel in Mikro- oder Nanogröße eingesetzt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren konnten die Mängel des Standes der Technik beseitigt werden. Bei den immer größer werdenden Einsatzfeldern des Fügeverfahrens Kleben konnten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren entscheidende Nachteile, wie beispielsweise die aufwendige separate Fixierung, vollkommen beseitigt werden, was die Einsatzbreite des Klebens deutlich erhöht und zudem Verfahrenskosten spart. Darüber hinaus konnte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Festigkeit der geklebten Fügestellen und -flächen deutlich erhöht werden.
Die beiden 1 und 2 skizzieren mögliche Verfahrensvarianten der erfindungsgemäßen Lösung. Bei 1 wurde der Klebstoff nur in die Löcher eingebracht. In der Fügezone kann der Klebstoff etwas breitlaufen und die Luft kann entweichen. Bei 2 wurde die Klebfläche zunächst mit einem Klebstoff beschichtet. Nach Einbringen der Löcher wurde dann in diese der gleiche oder ein anderer Klebstoff eingebracht.
An nachfolgenden Ausführungsbeispielen soll die erfindungsgemäße Lösung noch näher erläutert werden.
Ausführungsbeispiel 1:
Bleche aus Stahl St 12 mit einer Dicke von 1,5 mm (Länge 100 mm, Breite: 25 mm) werden mit Aceton im Ultraschallbad gereinigt und anschließend mit einem heißhärtenden Epoxidharz (z. B. Betamate 1496) einschnittig überlappend gefügt. Die Überlappungslänge beträgt 12,5 mm. Mit einem Nd:YAG-Festkörperlaser werden schräg zur Oberfläche Löcher durch die Fügezone beider Teile gebohrt und in die Löcher Cyanacrylat eingebracht. Ohne zusätzliche Aushärtung des flächig aufgebrachten Klebstoffes wird eine für die Fixierung ausreichende Klebfestigkeit erreicht.
Ausführungsbeispiel 2:
Die Versuchsdurchführung wird hier analog Beispiel 1 gestaltet. Allerdings werden hier in diesem Beispiel die Löcher gerade gebohrt. Es werden die gleichen vorteilhaften Ergebnisse, wie in Beispiel 1 erzielt.
Ausführungsbeispiel 3:
Die Versuchsdurchführung ist hier analog der Beispiele 1 und 2 gestaltet. Allerdings werden in diesem Beispiel die geraden oder schrägen Löcher durchgängig gebohrt. Auch hier konnten ähnlich vorteilhafte Ergebnisse, wie in den Beispielen 1 und 2 erzielt werden.
Ausführungsbeispiel 4:
Im Beispiel 4 sind die Versuche analog der Beispiele 1 bis 3 durchgeführt worden. Allerdings wurden hier die Löcher mit hochfestem kohlefaserverstärkten Epoxidharz-Klebstoff ausgefüllt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- H. A. Flegel beschreibt in "Die Zukunft des Klebens als Fügetechnik im Automobilbau" (Fachtagung Fertigungssystem Kleben, 2001, Bremen, S. 1–21) [0003]

Claims

Verfahren zum hochfesten Kleben von Bauteilen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen, insbesondere aus Metall, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeflächen der beiden oder mehreren zu fügenden Bauteile für den eigentlichen Klebvorgang mit dem jeweils zum Einsatz kommenden Klebstoff beschichtet werden, wobei davor oder danach durch die beiden Klebflächen der jeweils zu fügenden Bauteile Löcher, Fugen und/oder Schlitze eingebracht werden und diese Löcher, Fugen und/oder Schlitze mit einem Klebstoff ausgefüllt und gehärtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher, Fugen und/oder Schlitze nach dem Beschichten der Klebflächen mit Kleber eingebracht, mit Klebstoff gefüllt und gehärtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher, Fugen und/oder Schlitze, die in die Klebflächen der zu fügenden Bauteile eingebracht werden, nicht durchgängig sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher, Fugen und/oder Schlitze, die in die Klebflächen der zu fügenden Bauteile eingebracht werden durchgängig sind
Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Löcher, Fugen und/oder Schlitze bei Zugbeanspruchung des geklebten Bauteils schräg zur Oberfläche eingebracht sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Löcher, Fugen und oder Schlitze bei Scherbeanspruchung des geklebten Bauteils senkrecht zur Oberfläche eingebracht sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese Löcher, Fugen und/oder Schlitze konisch sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Löcher, Fugen und/oder Schlitze Konturen geschnitten werden, beispielsweise S-förmige Schlitze mit schrägen Schnitten.
Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher, Fugen und/oder Schlitze wechselnde Richtungen aufweisen.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche von 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schrägbohren und -schneiden zur Herstellung der Löcher, Fugen und/oder Schlitze nach dem Trepanning-Verfahren erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher, Fugen und/oder Schlitze mittels Laser eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Festkörperlaser oder ein Faserlaser eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser ein Nd:YAG-Laser ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff in die Löcher, Fugen und/oder Schlitze eingespritzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher, Fugen und/oder Schlitze mit einem schnell aushärtenden Klebstoff gefüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als schnell aushärtende Klebstoffe Cyanacrylat und/oder niederviskose 2-K-Epoxidharze bzw. UV-aktivierbare oder -härtbare Klebstoffsysteme verwendet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den eigentlichen Klebvorgang handelsübliche, für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Klebstoff eingesetzt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Füllen der Löcher, Fugen und/oder Schlitze und für den eigentlichen Klebevorgang der gleiche Klebstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder mindestens einem der Ansprüche von 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst in beide Fügeteile Löcher, Fugen und/oder Schlitze eingebracht werden und danach die Klebflächen der zu fügenden Bauteile mit Klebstoff bestrichen werden, wobei der Klebstoff beim Fügen der Teile dann auch in die Löcher, Fugen und/oder Schlitze dringt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in bestimmten Anwendungsfällen auch auf das flächige Kleben ganz verzichtet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Klebstoffe verwendet werden, die kurzzeitig erwärmt werden können, und dann besser in die Löcher, Fugen und/oder Schlitze einfließen, wobei die Temperatur unter der Aushärtungstemperatur liegen muss.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Klebstoffe Hotmelts verwendet werden, die bis zur Schmelze erwärmt werden und dann in die Löcher einfließen.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen und Abkühlen des Klebstoffs in den Löchern, Fugen und/oder Schlitzen vor dem Härten der Klebeflächen der Bauteile erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Löcher, Fugen und/oder Schlitze niedrig schmelzende Metalle eingebracht werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten der Klebflächen in einen kontinuierlichen Gesamtprozess integriert ist.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einsatz im Automobilbau das Aushärten der Klebflächen beim KTL-Prozeß (KTL = Katoden-Tauch-Lakierung) erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch bereits ausgehärtete Klebungen mit den beschriebenen „Klebnieten" versetzt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff für die Löcher, Fugen und/oder Schlitze verstärkt wird, um deren Festigkeit zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass diese Verstärkung mittels Füllstoffen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass diese Klebstoffe in den Löchern, Fugen und Schlitzen faserverstärkt sind.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass diese Faserverstärkung des Klebstoffs mittels Kohlefasern, Glasfasern und/oder textile Fasern erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoffe Carbon-Nanotubes und/oder Partikel in Mikro- oder Nanogröße eingesetzt werden.