DE102012004385A1

DE102012004385A1 - Verfahren zum Schweißen artungleicher Thermoplaste mithilfe vorheriger Funktionalisierung der Fügeflächen durch schichtbildende oder nicht schichtbildende Plasmaprozesse

Info

Publication number: DE102012004385A1
Application number: DE201210004385
Authority: DE
Inventors: Mathias Weber; Friederike von Fragstein und Niemsdorff; Andreas Hegenbart; Wolf-Martin Hoffmann
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2012-03-03
Filing date: 2012-03-03
Publication date: 2013-09-05

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Möglichkeit, zwei artungleiche thermoplastische Kunststoffe mithilfe eines Schweißverfahrens zu verbinden, sodass ein gut haftender Verbund entsteht. Erfindungsgemäß werden die Fügeflächen von einem und/oder beiden Fügepartner vor dem Schweißprozess mittels eines Niederdruckplasmaprozesses behandelt und/oder beschichtet, wodurch es zu einer chemischen Aktivierung und somit Funktionalisierung der Fügeflächen kommt.

Description

Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden zweier artungleicher thermoplastischer Kunststoffe A und B mit guter Haftung zwischen den Fügepartnern, insbesondere mittels Laserstrahlung, aber auch mittels anderer physikalischer Prinzipien, wie Reibung, Wärmeleitung, Konvektion und Induktion, mithilfe einer vorherigen Niederdruckplasmaoberflächenbehandlung und/oder -beschichtung der Fügeflächen von einem oder beiden Formteilen.
Anwendungsgebiet
Formteile aus Kunststoffen werden heutzutage in den vielfältigsten Anwendungsgebieten eingesetzt. Zu nennen seien hier exemplarisch Gebrauchsgegenstände im Haushaltsbereich oder der Unterhaltungselektronik, Anwendungen im Automobilbau, der Medizintechnik oder der Luftfahrtindustrie. Eines der verbreitetsten Verfahren zur Herstellung von Kunststoffformteilen ist der Spritzgießprozess. Hierbei ermöglicht z. B. der Einsatz des Mehrkomponenten-Spritzgießens die Herstellung multifunktioneller Formteile aus zwei oder mehreren Kunststoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften und/oder Farben. Wenn urformende Verfahren jedoch an ihre Grenzen stoßen, z. B. in Bezug auf Formteilkomplexität, kommen Fügeverfahren zum Einsatz. Zu nennen sind hier beispielsweise Anwendungen, bei denen Hohlkörper aus zwei Fügepartnern verbunden werden sollen, wie medienführende Behältnisse oder Gehäuse im Bereich der Sensorik. Industriell stehen hierzu eine große Anzahl an verschiedenen Fügetechnologien zur Verfügung, die sich durch Anwendung, Vor- und Nachteile unterscheiden.
Die Verbindungstechnologien zum Fügen spritzgegossener Formteile lassen sich nach EHRENSTEIN, Handbuch Kunststoff-Verbindungstechnik, wie folgt unterteilen:

• Mechanische Verbindungstechnik
– Schrauben
– Gewindeeinsätze aus Metall und Kunststoff
– Schnappverbindungen
– Angeformte Verbindungselemente
• Schweißen
– Erwärmung durch Leitung
– Erwärmung durch Konvektion
– Erwärmung durch Strahlung
– Erwärmung durch Reibung
– Erwärmung durch Induktion
• Kleben
• Fügen durch Umformen
– Pressverbindungen
– Nieten und Bördeln

Durch die stetig zunehmende Komplexität von Kunststoffformteilen und die ebenfalls wachsende Funktionsintegration in einzelnen Baugruppen ist die Kombination verschiedener Kunststofftypen oftmals unumgänglich, um unterschiedlichste Anforderungen, wie z. B. Temperaturbeständigkeit, mechanische Anforderungen oder Medienbeständigkeit, zu erfüllen. Auch die lokale Substitution teurer technischer Thermoplaste oder Hochleistungsthermoplaste durch kostengünstigere Massenkunststoffe in komplexen Baugruppen an Positionen, wo die herausragenden Eigenschaften solcher teurer Werkstoffe nicht zwingend erforderlich sind, rückt Fügetechnologien für derartige Anwendungen zunehmend in den Fokus industriellen Interesses.
Stand der Technik
Zum Verbinden von Formteilen aus artungleichen Thermoplasten, d. h. unterschiedlicher teilkristalliner Thermoplaste untereinander, unterschiedlicher amorpher Thermoplaste untereinander oder auch teilkristalliner Thermoplaste mit amorphen Thermoplasten, können verschiedene Fügeverfahren eingesetzt werden.
Im Speziellen können Formteile aus artungleichen Thermoplasten mithilfe von allen unter „1.1. Anwendungsgebiete” aufgeführten mechanischen Fügeverfahren verbunden werden. Bei der Direktverschraubung von Kunststoffformteilen wird eine gewindeformende Metallschraube mit speziellen Flankengeometrien in vorgeformte, zylindrische Aufnahmelöcher des so genannten Anbauteils eingedreht. Diese Metallschraube formt dabei ihr Muttergewinde während der Montage selbst. Die Direktverschraubung bietet den Vorteil, dass prinzipiell alle thermoplastischen Kunststoffe miteinander verbunden werden können. Diese Verbindungstechnik ist eines der am häufigsten eingesetzten Verfahren, vor allem bei lösbar miteinander verbundenen artfremden Werkstoffen. Ein wesentlicher Nachteil der Direktverschraubung ist, dass eine umlaufende und somit dauerhaft dichte Verbindung nur durch Zuhilfenahme von Dichtelementen realisiert werden kann. Vor allem die Abnahme der Vorspann-/Klemmkraft mit zunehmender Beanspruchungsdauer, verstärkt teilweise durch Temperatureinflüsse, Medienbeanspruchungen oder dynamische Belastungen, erschwert die Gewährleistung einer dauerhaft dichten Verbindung, was ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist.
Schnappverbindungen bezeichnen Befestigungselemente, die durch elastische Verformung kraft- und/oder formschlüssige Verbindungen ermöglichen. Schnappverbindungen werden des Weiteren in verschiedene Untergruppen (Schnapparmverbindungen (Biegebalken-Prinzip), Torsionsschnappverbindungen (Torsionsstab-Prinzip), etc.) unterteilt. Hierbei bestehen die Verbindungselemente jeweils aus einem federnden Element und aus einer Rastvorrichtung (Hinterschnitt), welche die Verbindung herstellt. Das Erzeugen einer dichten Verbindung mithilfe von Schnappverbindungen erfordert ebenso wie bei der Direktverschraubung den nachteiligen Einsatz von Dichtelementen.
Im Gegensatz dazu werden durch die Fügeverfahren Nieten und Bördeln unlösbare, formschlüssige und teilweise kraftschlüssige Verbindungen realisiert. Die Verbindung wird in der Regel segmentiert durch Um- oder Urformen mehrerer Verbindungselemente erzeugt. Wie bei den vorherigen Fügeverfahren sind für dichte Verbindungen zusätzliche Dichtelemente erforderlich.
Pressverbindungen werden hauptsächlich für Welle-Nabe-Verbindungen von Zahnrädern, Stellelementen und Kupplungen verwendet. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Befestigung von Kunststofflagerbuchsen. Häufig wird ein Element der Verbindung aus einem metallischen Werkstoff ausgeführt. Die Kombination von zwei unterschiedlichen Thermoplasten ist jedoch auch möglich. Eine dauerhaft dichte Verbindung kann durch Pressverbindungen nicht gewährleistet werden.
Das am häufigsten zur Erzeugung einer dauerhaft dichten Verbindung aus artungleichen thermoplastischen Kunststoffen eingesetzte Verfahren ist die Klebtechnik. Die Verbundfestigkeit wird durch die Mechanismen Kohäsion und Adhäsion hervorgerufen. Kohäsionskräfte gewährleisten hierbei den inneren Zusammenhalt des chemisch oder physikalisch abbindenden Klebstoffs sowie der zu klebenden Substrate. Für den Zusammenhalt zwischen Klebstoff und Substrat sind hingegen die Adhäsionskräfte verantwortlich. Neben den Vorteilen von Klebverbindungen, wie der Kombination nahezu beliebiger Materialien, der Verbindungsdichtheit oder der geringen thermischen Belastung der Substrate, dürfen jedoch einige entscheidende Nachteile nicht ignoriert werden. Häufig ist eine chemische Vorbehandlung unumgänglich, um schlecht klebbare Kunststoffe verbinden zu können. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang beispielsweise Polypropylen (PP) und Polyoxymethylen (POM). Die Oberflächen dieser Kunststoffe werden oft durch eine Behandlung mit Plasmen aktiviert, wodurch die Affinität zu Klebstoffen gefördert wird. Weitere Nachteile sind die langen Aushärtezeiten von duroplastischen Klebstoffen sowie die aufwendige Dosierung kleinster Klebstoffvolumina.
Das Schweißen von Kunststoffen als übergeordnete Verbindungstechnologie ist industriell eines der am weitesten verbreiteten Verfahren. Schweißverfahren für die Serienfertigung zeichnen sich teilweise durch extrem kurze Zykluszeiten, einen hohen Automatisierungsgrad und diverse Methoden der Prozesskontrolle aus. Zum Fügen unterschiedlicher Thermoplasttypen kommt jedoch nur in Ausnahmefällen ein Schweißprozess in Frage. Das Verbinden von artungleichen thermoplastischen Kunststoffen mittels konventioneller Schweißverfahren wird im Wesentlichen durch drei Einschränkungen erschwert. Zunächst müssen die zu schweißenden Materialien ähnliche Schmelztemperaturen aufweisen. Im Bereich der gemeinsamen Schmelztemperatur dürfen sich die Kunststoffe außerdem nicht zu stark in ihrer Viskosität unterscheiden, da sich sonst die erforderliche Interdiffusion der Schmelzen nicht einstellt. Vor allem aber müssen die Fügepartner miteinander chemisch verträglich sein, damit es zu einer Diffusion der Schmelzen kommen kann. Die meisten Polymere sind jedoch miteinander chemisch unverträglich. Voraussetzung für eine Verträglichkeit ist, dass die verschiedenen Kunststoffe ähnliche molekulare Strukturen besitzen. Die Schmelzen unverträglicher Kunststoffe sind nicht mischbar, sodass die Molekülketten sich auch im aufgeschmolzenen Zustand nicht gegenseitig durchdringen und stattdessen separate Phasen ausbilden. Ausnahmen sind fast ausschließlich im Bereich der amorphen Thermoplaste zu finden (z. B. PC/PMMA).
Um das Problem der Unverträglichkeit der meisten Thermoplastkombinationen zu umgehen, sind im Bereich des Kunststoffschweißens einige Konzepte bekannt und dokumentiert. In GHAHARY, Verfahrensoptimierte Werkstoffpaarungen zum Kunststoffschweißen mit Laserstrahlung, wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem die Schweißbarkeit mittels Laserstrahlung durch Additivierung eines der beiden Fügepartner gewährleistet werden soll. Entsprechend dem vorgestellten Ansatz werden hierzu spezielle Block- und Pfropfcopolymere verwendet, die sich als Phasenvermittler in die Grenzflächen einlagern, um dort die zu fügenden Thermoplasten miteinander zu verbinden. Dies war jedoch laut GHAHARY nur in einigen wenigen Fällen erfolgreich. Als Ursache wird hierfür angeführt, dass die Diffusion der Copolymere in die Fügezone zu langsam vonstattengeht. Ein weiterer verfolgter Ansatz sieht vor, dem unteren Fügepartner noch vor der Herstellung beim Compoundieren einen gewissen Anteil des Thermoplasten des oberen Fügepartners beizumischen. Hierdurch soll sich der Thermoplast des oberen Fügepartners partiell mit dem gleichen Material im unteren Fügepartner verbinden. Die Problematik der Unverträglichkeit wird hierdurch nicht komplett aufgehoben, jedoch auf einen anderen Prozessschritt verlagert. Während des Compoundierens stehen nicht nur Sekunden, sondern immerhin Minuten zur Verfügung, in denen die beiden artungleichen Thermoplasten mithilfe von Phasenvermittlern aneinander gebunden werden können. Die zusätzliche aktive Mischung beim Compoundieren, die beim Schweißen nicht stattfindet, unterstützt die Verbindung der beiden Phasen. Nachteilig ist bei diesem Ansatz, dass der untere Fügepartner nicht mehr aus einem reinen Kunststoff besteht, sondern aus einem Blend. Laut GHAHARY konnte durch das zuletzt vorgestellte Verfahren bei einigen Kombinationen eine Schweißbarkeit erzielt werden. Explizit wird jedoch nur die Kombination aus Polyamid und Polypropylen genannt, bei der Schweißungen der nicht modifizierten Kunststoffe zu überhaupt keiner Haftung führen.
Ein weiterer Ansatz zum Schweißen artungleicher Thermoplaste wird in HABERSTROH u. a., Fügespektrum erweitert, vorgestellt. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Weiterentwicklung des so genannten Zwischenfolienverfahrens zum Laserdurchstrahlschweißen unpigmentierter Fügepartner. Statt einschichtiger, rußpigmentierter Folien werden coextrudierte, mehrschichtig aufgebaute Folien verwendet. Diese Folien setzen sich aus jeweils einer Schicht der Materialien der zu fügenden Formteile zusammen (Schicht A, Schicht B). Dazwischen befindet sich eine Haftvermittlerschicht (Schicht HV). In dem vorgestellten Konzept basiert die Haftvermittlerschicht auf dem Thermoplast eines der Fügepartner und stellt eine chemische Verbindung zu dem anderen Thermoplast her. Die verwendeten Zwischenfolien können transparent oder mit einem absorbierenden Pigment versehen sein. Daraus folgt, dass auch unpigmentierte Formteile aus unterschiedlichen Thermoplasten auf diese Weise geschweißt werden können. Allerdings ist in jedem Fall ein zusätzlicher zeit- und kostenintensiver Prozessschritt in Form der Coextrusion von Mehrschichtfolien erforderlich.
Die Erfindung DE 4242059 C1 beschreibt ein Verfahren zum thermischen Verbinden von Kunststoff-Formkörpern mit weiteren Kunststoffkomponenten, insbesondere einer Kunststofffolie, einem Partikelschaum oder einem weiteren Formkörper, mittels einer durch Plasmapolymerisation aufgetragenen Zwischenschicht. Die aufgetragene Zwischenschicht ist dem zu verbindenden Thermoplast chemisch ähnlich, wobei jedoch durch geeignete Abstimmung der Plasmabedingungen, so insbesondere von Prozessgas, Prozessparametern, Prozessdauer und/oder Anregungsleistung, eine andersartige Molekülkettenlänge oder Vernetzungsstruktur eingestellt wird. Die Zwischenschicht zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine gegenüber den Fügepartnern niedrigere Schmelztemperatur besitzt. Hierdurch wird beim anschließenden Fügeprozess lediglich eine geringere Wärmezufuhr benötigt, um eine flächige Verklebung oder Schweißung zu erzielen. Es wird im Wesentlichen lediglich die Zwischenschicht erweicht, während die Fügepartner nicht angeschmolzen werden. Durch diese Besonderheit ist ein Verzug der Fügepartner als Folge des Schweißprozesses in jedem Fall ausgeschlossen. Die Erfindung zielt aus recyclingtechnischen Gründen explizit auf die Verbindung gleicher Thermoplaste ab. Durch die geringe Wärmezufuhr fungiert die Zwischenschicht eher als Klebeverbindung mit den verfahrensspezifischen Nachteilen.
Ein Verfahren zur Verbindung von Thermoplasten mit Elastomeren wird in der Erfindung EP 1663621 B1 beschrieben. Hierzu ist eine offenporige Oberfläche des Elastomers erforderlich. Die Oberfläche des offenporigen Elastomers besitzt eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, sodass bei Wärmezufuhr lediglich der Thermoplast aufgeschmolzen wird. Die gebildete Schmelze im Bereich der Kontaktfläche kann dann in die Poren der Elastomeroberfläche eindringen, sodass eine formschlüssige Verbindung entsteht. Das Verbinden unterschiedlicher Thermoplaste ist mit dem vorgestellten Verfahren nicht möglich.
In der DE 101025 A1 wird ein Verfahren zum dauerhaften Verbinden von chemisch inkompatiblen Polymeren ohne Wärmezufuhr beschrieben. Hierzu ist zunächst eine Plasmabehandlung der Fügepartner erforderlich. Anschließend werden die Formteile ohne Wärmezufuhr zusammengedrückt. Demnach sollen hohe Verbundfestigkeiten erzielt werden. Das Verfahren kann auf beliebig geformte Oberflächen bzw. Geometrien angewandt werden. Das Zusammendrücken erfordert jedoch je nach Werkstoffkombination bis zu einige Stunden. Dieser Nachteil macht eine wirtschaftliche Umsetzung praktisch unmöglich.
Ein weiteres Verfahren zum dauerhaften Verbinden zweier Bauteile aus chemisch inkompatiblen Polymeren, insbesondere Thermoplasten, Elastomeren und/oder Duromeren, wird in DE 102009026945 A1 dargelegt. Hierzu wird eine chemisch aktive Schicht zwischen die Bauteile eingebracht. Diese Zwischenschicht wird dabei als Beschichtung, Paste oder Dotierung ausgebildet, explizit nicht durch einen Plasmaprozess. Als chemische Bestandteile können vorzugsweise peroxidische Verbindungen und/oder Präpolymere und/oder Oligomere eingesetzt werden. Die chemische Reaktion läuft entsprechend des Verfahrens selbstständig nach einem einmaligen, kurzen Einbringen von Energie ab, bspw. durch Laserenergie. Für die Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Laserdurchstrahlschweißen kann die Zwischenschicht oder eines der Bauteile laserabsorbierend ausgestattet werden. Die Auftragung der Zwischenschicht stellt hierbei einen zusätzlichen Zeit- und Kostenfaktor dar. Außerdem ist der Einsatz der erwähnten Schichtsysteme bspw. für Anwendungen im Bereich der Medizintechnik als kritisch zu betrachten.
Der Einsatz einer Modifizierung von Kunststoffoberflächen zur Verbindung ursprünglich nicht schweißbarer Thermoplastkombinationen wird in DE 10042566 A1 offengelegt. Das erfundene Verfahren zielt zunächst darauf ab, Kunststoffoberflächen mit einer besseren Haftung oder Antihaftung auszustatten. Hierzu werden während oder nach der Formgebung eine oder mehrere Modifikationssubstanz(en) mit der Oberfläche in Kontakt gebracht. Die Temperatur der Oberfläche muss dabei wenigstens der on-set-Temperatur des Reaktionspeaks des beschichteten Polymers in dessen DSC-Kurve entsprechen. Die eingesetzten Substanzen gehen dabei mit der Oberfläche eine Reaktion ein und/oder diffundieren in die Oberfläche ein und/oder schmelzen auf der Oberfläche auf. Durch die Erfindung wird eine bessere Haftung bei nachfolgenden technologischen Schritten, wie dem Schweißen, Lackieren oder Mehrkomponentenspritzgießen erzielt. Darüber hinaus soll die erreichte Modifizierung im Vergleich zu Plasmabehandlungen zeitlich stabil sein. Die Modifikatorsubstanzen werden in fester, flüssiger oder gasförmiger Form, durch elektrostatische Verfahren, in reiner Form oder verdünnt in Form von Lösungen auf die Oberfläche gebracht. Beispiele für einsetzbare Modifikatorsubstanzen sind bspw. Polyethylenimin in Wasser, Diaminododekan in Methanol oder Stearinsäureanhydrid in Benzinfraktion. Die vorgestellte Erfindung weist jedoch die Nachteile auf, dass ein zusätzliches Handling-System für die Aufbringung der Modifikatorsubstanz benötigt wird und die Formteile vor dem Fügeprozess zusätzlich auf die erwähnte on-set-Temperatur aufgewärmt werden müssen.
Ein Verfahren zum Fügen von höheren Polyamiden mit artungleichen Thermoplasten unter Verwendung einer Atmosphärendruck-Plasmaaktivierung stellt DE 102005004280 A1 dar. Voraussetzung hierfür ist, dass ein Fügepartner des Verbunds ganz oder teilweise aus einer Formmasse besteht, die zumindest 40 Gew.-% eines Polyamids enthält, dessen Monomereinheit im Durchschnitt mindestens 8 C-Atome enthält. Dies trifft für die Polyamide der Gruppe PA610, PA612, PA613, PA6,3T, PA810, PA1010, PA1012, PA11, PA12, PA1212, PA PACM12 zu. Der zweite, zu verbindende Fügepartner besteht aus einer Formmasse auf Basis eines beliebigen thermoplastischen Polymers (z. B. PA 6, PA 66, PE, PP, POM oder PC) oder alternativ aus einem vulkanisierten Kautschukcompound, sodass beide Fügepartner ohne Vorbehandlung nicht ausreichend haften würden. Vor dem Schweißprozess wird mindestens eine der Komponenten an der Kontaktfläche mithilfe eines Atmosphärendruckplasmas behandelt. Entsprechend der Offenlegungsschrift wird der Plasmastrom mithilfe einer Düse und einem Trägerstrom (z. B. Druckluftstrom) in einer geschlossenen Plasmakammer als nicht thermisches, potentialfreies Plasma auf die Oberfläche des Bauteils geführt. Nach der Plasmabehandlung wird der Verbund durch Anformen mittels Anspritzen, Hinterspritzen, Hinterschäumen, Aufextrudieren, Schweißen, Beschichten und dergleichen hergestellt. Neben den offensichtlichen Vorteilen der patentierten Erfindung weist das Verfahren jedoch auch wichtige Nachteile auf. Durch die Beschränkung auf Verbunde bestehend aus mindestens einem der Formteile aus einem höheren Polyamid ist das Materialspektrum erheblich eingeschränkt. Des Weiteren sind Atmosphärendruck-Plasmaanlagen zwar einfach aufgebaut und ermöglichen in gewissen Grenzen eine gezielt lokale Einbringung des Plasmastroms, jedoch weist dieses Verfahren ab einer gewissen Größe der zu behandelnden Formteile Limitationen auf. Auch ist keine gleichzeitige Behandlung beider Formteile des Verbunds möglich.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, das die Nachteile der Lösungen, die den Stand der Technik darstellen, nicht aufweist und die Aufgabe erfüllt, Formteile aus zwei artungleichen Thermoplasten A und B dauerhaft dicht mittels industriell etablierter Schweißverfahren stoffschlüssig zu verbinden. Hierzu können Werkstoffe ohne vorherige Additivierung mit teuren und ggf. umweltschädlichen Haftvermittlern verwendet werden.
Das entwickelte Verfahren ist im industriellen Umfeld durch Kombination bekannter und industriell etablierter Verfahren bei typischen Zykluszeiten für Schweißverfahren einsetzbar.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 16 gelöst. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum stoffschlüssigen, dauerhaft dichten Verbinden artungleicher Thermoplaste bereitzustellen, mit dem unterschiedliche Thermoplasttypen gefügt werden Können, die mittels konventioneller Schweißverfahren nicht gefügt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in der Kombination einer Plasmabehandlung und/oder -beschichtung der Fügeflächen der zu schweißenden Thermoplaste im Niederdruckplasmaverfahren (ND-Plasmaverfahren) mit einem nachgeschalteten Schweißverfahren. Mit ND-Plasmaverfahren wird hierbei ein Plasmaverfahren bezeichnet, bei dem Prozessdrücke unterhalb von 1 mbar (1 hPa) verwendet werden. Erfindungsgemäß sei hier bspw. das Laserdurchstrahlschweißen genannt. Gegenstand der Erfindung ist jedoch auch die Kombination einer ND-Plasmabehandlung und/oder -beschichtung der Fügepartner mit weiteren Schweißverfahren, welche auf den physikalischer Prinzipien der Reibung, Wärmeleitung, Konvektion und/oder Induktion basieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass die Fügeflächen der zu schweißenden Formteile aus den unterschiedlichen Thermoplasten A und B zunächst mittels Plasmaprozessen behandelt und/oder beschichtet werden. Erfindungsgemäß werden die funktionalisierten Formteile anschließend einem geeigneten Schweißprozess zugeführt, in welchem die Formteile durch Wärmezufuhr im Bereich der funktionalisierten Fügeflächen plastifiziert und dauerhaft dicht verbunden werden. Gegenstand der Erfindung sind sowohl die Kombination schichtbildender Plasmaprozesse mit einem nachgeschalteten Schweißverfahren, z. B. dem Laserdurchstrahlschweißen, als auch die Kombination nicht schichtbildender Plasmaprozesse mit einem nachgeschalteten Schweißverfahren, z. B. dem Laserdurchstrahlschweißen.
Ein Plasma bezeichnet eine Materie, deren Eigenschaften im Wesentlichen durch die Existenz elektrisch geladener Teilchen bestimmt sind. Da sich Materie bei Temperaturen von einigen tausend Grad Kelvin grundsätzlich im Plasmazustand befindet, werden Plasmen auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet. Ein Gas lässt sich unter geeigneten Bedingungen durch elektromagnetische Strahlung zu einem Plasma anregen. Die Energie aus der Strahlung wird von den geladenen Teilchen des Gases absorbiert.
Werden schichtbildende Monomere als Prozessgase in einem Plasma eingesetzt, wird von der Plasmapolymerisation gesprochen (1). Die eingesetzten Monomere werden im Plasma fragmentiert, angeregt und scheiden sich auf der Fügefläche ab. Erfindungsgemäß wird mittels Plasmapolymerisation im Niederdruckplasma beispielsweise durch Mikrowellenanregung insbesondere die zu fügende Oberfläche eines oder beider Fügepartner mithilfe silizium-(HMDSO, Hexamethyldisiloxan) und/oder kohlenwasserstoffhaltiger (C2H2, Acetylen) Monomere beschichtet, sodass eine festhaftende, dünne polymere Schicht entsteht. Gegenstand der Erfindung sind hierbei anorganische Schichten und/oder Schichten mit organischem Anteil unter Einsatz organischer Prozessgase oder -dämpfe.
Plasmaprozesse, bei denen keine Schichten gebildet werden, werden unter dem Begriff Plasmabehandlung zusammengefasst. Diese Bezeichnung umfasst im Wesentlichen die in 2 dargestellten Prozesse. Diese Prozesse treten immer gleichzeitig, aber unterschiedlich stark bei der Plasmabehandlung einer Oberfläche auf und tragen erfindungsgemäß ebenso gleichermaßen zur erfolgreichen Schweißbarkeit der artungleichen Thermoplaste A und B bei. Als beeinflussende Faktoren für diese Prozesse sind hier das Substratmaterial, die Gaschemie im Plasma, das Reaktordesign sowie die Prozessparameter zu nennen. Eine Schichtabscheidung steht bei den genannten Prozessen nicht im Vordergrund. Vielmehr werden durch die Vorgänge „Reinigen” und „Ätzen” Verunreinigungen und niedermolekulare Verbindungen an der Oberfläche abgetragen. Durch die Reaktion von erzeugten Radikalen mit anderen Radikalen und Polymerketten an der Oberfläche werden durch die „Vernetzung” sehr stabile Verbindungen erzeugt. Zusätzlich werden durch die Plasmabehandlung neue chemisch funktionale Gruppen an der Oberfläche erzeugt („chemisches Modifizieren”). Das Ziel der Plasmavorbehandlung ist die Aktivierung der Fügepartner, um die Wechselwirkungskräfte zwischen den Fügepartnern zu erhöhen.
Gegenstand der Erfindung ist die Plasmabehandlung der Fügeflächen mit Sauerstoffplasmen sowie mit Inertplasmen, wie z. B. Argon, Helium oder Stickstoff. Die Plasmabehandlung zur Gewährleistung der Schweißbarkeit zweier artungleicher Thermoplaste A und B erfolgt erfindungsgemäß im Niederdruckplasmaverfahren. Erfindungsgemäß wird bei den Niederdruckplasmaverfahren zwischen Gleichstrom(DC)-Glimmentladungen, Wechselstrom(AC)-Plasmen, Niederfrequenz NF)-Plasmen, Hochfrequenz(HF/RF)-Plasmen sowie Mikrowellen(MW)-Plasmen unterschieden.
Beim anschließenden Fügeprozess werden die behandelten und/oder beschichteten Fügepartner durch Wärmezufuhr plastifiziert und unter Druck miteinander verbunden. Die Wärmezufuhr kann erfindungsgemäß durch Wärmeleitung (Heizelementschweißen), Reibung (Ultraschall-, Reib-/Vibrations-, Hochfrequenzschweißen), Konvektion (Warmgas-, Heißgasschweißen) oder Strahlung (Infrarot-, Laserstumpf-, Laserdurchstrahlschweißen) sowie durch Kombination dieser physikalischen Prinzipien erfolgen. Die notwendige Verfahrens- und Anlagentechnik zur plasmagestützten Behandlung und Beschichtung von Kunststoffbauteilen ist am Markt verfügbar bzw. wird oftmals auch schon in anderem Zusammenhang in kunststoffverarbeitenden Betrieben eingesetzt.
Im Gegensatz zu dem in DE 4242059 C1 beschriebenen Verfahren zum Verbinden von thermoplastischen Formteilen durch vorheriges Aufbringen einer Zwischenschicht mittels Plasmapolymerisation, wobei die Zwischenschicht mit den zu fügenden Formteilen chemisch ähnlich sein und eine niedrigere Schmelztemperatur haben sollte, erfolgt bei dem hier beschriebenen Verfahren eine nachweisliche Plastifizierung der Formteile selber. Vor demselben Hintergrund unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren von dem in DE 101025 A1 dargestellten Verfahren. Im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt hierbei keine Erwärmung der Fügezone. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Zwischenschicht erforderlich ist, ist eine klare Abgrenzung zu den in DE 102009026945 A1 und DE 10042566 A1 beschriebenen Verfahren gegeben. Im Gegensatz zu dem in DE 102005004280 A1 dargestellten Verfahren setzt das erfindungsgemäße Verfahren eine Aktivierung einer oder beider Fügeflächen in einem Niederdruckplasma voraus.
Vorteile der Erfindung
Durch das skizzierte Verfahren werden die Nachteile des Standes der Technik gelöst und die Aufgaben der Erfindung erfüllt, was die Vorteile der Erfindung darstellt.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Im Folgenden sollen verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schweißen artungleicher Thermoplaste erläutert werden. Hierbei handelt es sich in den beiden ersten Beispielen um die Kombination einer Niederdruckplasmabehandlung unterschiedlicher thermoplastischer Fügepartner mit dem Laserdurchstrahlschweißen. Im dritten Beispiel wird erfindungsgemäß die Kombination einer Niederdruckplasmabeschichtung artungleicher Thermoplaste mit dem Laserdurchstrahlschweißen vorgestellt.
Das Laserdurchstrahlschweißen liefert optisch und qualitativ hochwertige Schweißnähte und birgt zahlreiche verfahrensspezifische Vorteile, wie z. B. das berührungslose Einbringen der Fügeenergie, die Vermeidung von prozessinduzierten Schwingungen sowie die geringe thermische Belastung der Fügeumgebung. Beim Laserdurchstrahlschweißen werden die zu fügenden Halbzeuge direkt in der Fügezone durch Strahlung erwärmt und aufgeschmolzen. Es handelt sich um einen einstufigen Prozess, bei dem die Erwärmung des Kunststoffes und der Fügevorgang simultan ablaufen. Der Laserstrahl durchstrahlt zunächst den ihm zugewandten Fügepartner (transparenter Fügepartner), ohne dass dieser sich dabei nennenswert erwärmt (3). In der Fügezone wird der Laserstrahl in einer oberflächennahen Schicht des zweiten Fügepartners (pigmentierter Fügepartner) absorbiert. Durch die Umwandlung der Laserenergie in Wärme schmilzt der Kunststoff auf. Der erste Fügepartner wird durch Wärmeleitung indirekt im Bereich der Fügezone aufgeschmolzen.
Im konventionellen Laserdurchstrahlschweißen sind in folgender Matrix jeweils nur die jeweils artgleichen Thermoplaste miteinander schweißbar:
Tabelle 0.1: Schweißbare Kombinationen (X) im konventionellen Laserdurchstrahlschweißen

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nicht schweißbare Kombinationen aus Tabelle 0.1 ausgewählt. Hierbei handelt es sich um folgende Kombinationen artungleicher Thermoplaste:

Nr.	transparenter Fügepartner	absorbierender Fügepartner	Kombination
1	PA 6	PP	teilkristallin/teilkristallin
2	PBT	PP	teilkristallin/teilkristallin
3	POM	PP	teilkristallin/teilkristallin
4	PC	PP	amorph/teilkristallin
5	POM	PA 6	teilkristallin/teilkristallin
6	PP	PA 6	teilkristallin/teilkristallin
7	PC	PA 6	amorph/teilkristallin

Tabelle 0.2: Mithilfe Sauerstoffplasma behandelte Thermoplastkombinationen

Zur systematischen Untersuchung der Schweißbarkeit und der Verbundfestigkeit werden Probekörper in Form eines Doppel-T-Stoßes eingesetzt (4). Bei dem lasertransparenten Fügepartner handelt es sich um eine Platte mit einem Steg im Fügebereich. Dieser Steg hat eine Dicke von 2 mm und eine Länge von 25 mm. Der laserabsorbierende Fügepartner ist ein T-Stoß, dessen Steg die gleichen Maße aufweist wie der Fügebereich des lasertransparenten Fügepartners. Es ergibt sich nach dem Schweißvorgang ein doppelter T-Stoß. Diese Geometrie erlaubt mithilfe einer passenden Zugprüfvorrichtung die Belastung der Schweißnaht und Bestimmung der Bruchkraft. Die Bruchkraft der Schweißnaht kann in diesem Fall als Maß für die Güte der Schweißnaht betrachtet werden.
Beispiel 1
Im ersten Bespiel werden die Oberflächen jeweils beider Fügepartner vor den Schweißungen durch Plasmabehandlung mit Sauerstoff als Prozessgas funktionalisiert. Zur Bestimmung geeigneter Schweißparameter werden zunächst Vorversuche durchgeführt. Basierend auf den Vorversuchen werden die Kombination lasertransparentes PA 6 und rußpigmentiertes PP (PA 6/PP) sowie lasertransparentes PP und rußpigmentiertes PA 6 (PP/PA 6) detailliert untersucht.
Bereits durch die Vorversuche kann gezeigt werden, dass mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens artungleiche, ursprünglich nicht schweißbare Thermoplaste geschweißt werden können. 5 zeigt die erreichbaren Bruchkräfte der Kombinationen PA 6/PP und PP/PA 6 im Laserdurchstrahlschweißverfahren durch vorherige Plasmabehandlung der Fügeflächen mit Sauerstoff als Prozessgas. Für die Kombination aus transparentem PA 6 mit rußpigmentiertem PP können hohe Bruchkräfte über 300 N erreicht werden. Ohne vorherige Vorbehandlung ist diese Kombination nicht schweißbar. Außerdem können über einem breiteren Geschwindigkeitsbereich als bei der Kombinationen aus transparentem PP mit rußpigmentiertem PA 6 erfolgreiche Schweißungen durchgeführt werden. Bei der letzteren Kombination werden immerhin noch Bruchkräfte von ca. 250 N erreicht.
Die maximal erreichbaren Bruchkräfte in den durchgeführten Versuchen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren für die in Tabelle 0.2 aufgeführten Kombinationen sind in 6 dargestellt. Demnach sind die höchsten Bruchkräfte mit absorbierenden Fügepartnern aus rußpigmentiertem PP erreichbar. Es können mithilfe der vorherigen Plasmabehandlung sowohl artungleiche teilkristalline Thermoplaste als auch amorphe Thermoplaste (PC) mit PP durch Laserstrahlung verbunden werden. Wird der absorbierende Fügepartner stattdessen aus rußpigmentiertem PA 6 hergestellt, sind die Bruchkräfte bei Schweißungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Fügepartner aus POM, PC und PP niedriger. Es können trotzdem auch hier dichte Verbindungen aus artungleichen Thermoplasten sowie aus einem teilkristallinen und einem amorphen Thermoplasten hergestellt werden.
Aus diesem Beispiel folgt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren das schweißbare Spektrum unterschiedlicher Thermoplastkombinationen erheblich verbreitert wird (Tabelle 0.3), ohne hierauf beschränkt zu sein.
Tabelle 0.3: Vergrößerung des schweißbaren Materialspektrums ((-) zu untersuchen)
Beispiel 2
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zum Schweißen artungleicher Thermoplaste nicht nur auf die Behandlung der Fügeflächen mit einem Sauerstoffplasma beschränkt. Versuche mit den Kombinationen 1 und 6 aus Tabelle 0.2 mit einer Plasmabehandlung mit Argon und Stickstoff als zeigen, dass auch mit diesen Vorbehandlungen eine Schweißbarkeit dieser Thermoplaste im Laserdurchstrahlschweißprozess erzielt werden kann.
Anhand 7 ist der Einfluss verschiedener Prozessgase deutlich zu erkennen. Bei beiden Materialkombinationen (Nr. 1 und 6, Tabelle 0.2) stellt sich Sauerstoff als bester Aktivator heraus, wobei auch durch eine Vorbehandlung mit Stickstoff und Argon die Schweißbarkeit der ursprünglich nicht schweißbaren Thermoplasten erzielt wird. Die Schweißnahtfestigkeit der mit Stickstoffplasma behandelten Probekörper erreicht maximal 70% der mit Vorbehandlung durch Sauerstoff erreichbaren Schweißnahtfestigkeit. Mit Argon als Prozessgas werden maximal 58% erreicht.
Beim Vergleich der maximal erreichbaren Schweißnahtfestigkeiten erzielt die Kombination PA_natur/PP_schwarz im Vergleich zur Kombination PP_natur/PA_schwarz wesentlich höhere Werte. Bei der Vorbehandlung mit Sauerstoff ist die Schweißnahtfestigkeit der Kombination PA_natur/PP_schwarz ca. 28% höher als bei der Kombination PP_natur/PA_schwarz.
Beispiel 3
Abschließend soll in diesem Beispiel die Realisierung der Schweißbarkeit artungleicher Thermoplaste durch eine ND-Plasmabeschichtung der Fügeflächen erläutert werden. Dies ist ebenso wie die Konzepte in Beispiel 1 und Beispiel 2 Gegenstand der Erfindung. Hierzu wird die Schweißbarkeit von Polyamid 6 und Polypropylen durch eine Plasmabeschichtung mit Acetylen (Ar/C₂H₂) untersucht. Zunächst werden die Probekörper mittels Sauerstoffplasma behandelt und gereinigt. Anschließend erfolgt die Beschichtung.
Im Folgenden werden Ergebnisse der Versuche mit der Kombination PA_natur/PP_pigmentiert präsentiert. In einer Versuchsreihe werden die Fügeflächen beider Fügepartner beschichtet. In einer weiteren Versuchsreihe wird lediglich die Fügefläche des oberen, transparenten Fügepartners aus PA 6 beschichtet. Erfindungsgemäß ist jedoch auch lediglich die Beschichtung der Fügefläche des unteren, absorbierenden Fügepartners möglich.
Die Kombinationen beschichtetes, transparentes PA und beschichtetes, absorbierendes PP bzw. beschichtetes, transparentes PA und unbehandeltes, absorbierendes PP sind beide schweißbar (8). Die Versuche zeigen, dass die Beschichtung mittels ND-Plasmapolymerisation sogar höhere Schweißnahtfestigkeiten ermöglicht als eine vorherige Plasmabehandlung mit Sauerstoff.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4242059 C1 [0014, 0029]
EP 1663621 B1 [0015]
DE 101025 A1 [0016, 0029]
DE 102009026945 A1 [0017, 0029]
DE 10042566 A1 [0018, 0029]
DE 102005004280 A1 [0019, 0029]

Claims

Verfahren zur Verbesserung und/oder Ermöglichung des stoffschlüssigen Verbindens zweier thermoplastischer Formteile, dadurch gekennzeichnet, dass dem eigentlichen Fügeprozess eine Oberflächenbehandlung mittels Nieder- oder Atmosphärendruckplasmaprozessen vorgeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile des Verbunds aus jeweils einer Formmasse mit weniger als 40 Gew.-% aus einem höheren Polyamid bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem eingesetzten Plasma um ein Niederdruckplasma (Prozessdruck unterhalb von 1 mbar) oder um ein nicht potentialfreies Atmosphärendruckplasma handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem eingesetzten Plasma um ein nicht schichtbildendes (Plasmabehandlung) und/oder ein schichtbildendes Plasma (Plasmabeschichtung) handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet das der eingesetzte Fügeprozess ein Schweißprozess ist und auf den Erwärmungsprinzipien Strahlung (Laserdurchstrahlschweißen), Reibung (Ultraschall-/Vibrationsschweißen), Wärmeleitung (Heizelementschweißen u. ä.), Konvektion und/oder Induktion (Induktionsschweißen) basiert.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeflächen von einem oder von beiden Fügepartnern mittels Plasma vorbehandelt und/oder beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabehandlung der Fügeflächen mit Sauerstoffplasmen sowie mit Inertplasmen, wie z. B. Argon, Helium oder Stickstoff, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabeschichtung der Fügeflächen mittels Kohlenwasserstoffen, Siloxanen, Silanen und/oder Fluorcarbonen als Präkursoren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 und 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeflächen von einem oder von beiden Fügepartnern mittels einer Kombination aus Plasmabehandlung und Plasmabeschichtung funktionalisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißbarkeit von zwei artungleichen, nicht schweißbaren, teilkristallinen Thermoplasten mit unterschiedlicher chemischer Struktur ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißbarkeit von zwei artungleichen teilkristallinen Thermoplasten mit unterschiedlicher chemischer Struktur verbessert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißbarkeit von zwei artungleichen, nicht schweißbaren, amorphen Thermoplasten mit unterschiedlicher chemischer Struktur ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißbarkeit von zwei artungleichen amorphen Thermoplasten mit unterschiedlicher chemischer Struktur verbessert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißbarkeit eines amorphen mit einem teilkristallinen Thermoplasten ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißbarkeit eines amorphen mit einem teilkristallinen Thermoplasten verbessert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißbarkeit von zwei artgleichen teilkristallinen Thermoplasten verbessert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißbarkeit von zwei artgleichen amorphen Thermoplasten verbessert wird.