DE102015217731A1

DE102015217731A1 - Fügeverfahren und über das Verfahren erhältliches Verbundwerkstück

Info

Publication number: DE102015217731A1
Application number: DE102015217731.9A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Süllentrop
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2035-09-17
Also published as: DE102015217731B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren für Verbundwerkstücke sowie ein mittels des Verfahrens erhältliches Verbundwerkstück. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
(i) Bereitstellen von wenigstens zwei Fügeteilen;
(ii) Bereitstellen einer Klebstoffeinlage aus einem (teil)gehärteten polymeren Klebstoff;
(iii) Auftragen einer ersten Komponente eines 2K-Klebstoffs auf die vorgegebenen Klebeflächen der Fügeteile und Auftragen einer zweiten Komponente des 2K-Klebstoffs auf die vorgegeben Klebeflächen der Klebstoffeinlage;
(iv) Positionieren der Klebstoffeinlage zwischen den Fügeteilen, Inkontaktbringen der komplementären Klebeflächen und Aushärten des 2K-Klebstoffs; und
(v) Aushärten der Klebstoffeinlage durch Erhitzen, sofern die Klebstoffeinlage teilgehärtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren für Verbundwerkstücke sowie ein mittels des Verfahrens erhältliches Verbundwerkstück.
Technologischer Hintergrund
Auf vielen Gebieten der Technik rückt zunehmend der Leichtbau durch Mischbau in den Fokus. Im Kraftfahrzeugbau führt beispielsweise der Einsatz von unterschiedlichen Leichtbauwerkstoffen in der Regel zu erheblichen Gewichtseinsparungen, ohne dass eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften in Kauf genommen werden muss. Zur Herstellung von Mischbaukonstuktionen stehen dem Fachmann eine Vielzahl unterschiedlicher Fügeverfahren zur Verfügung. Die vorliegende Erfindung beschränkt sich auf Fügeverfahren, in denen Klebstoffe verwendet werden. Ein Klebstoff ist ein nichtmetallischer Werkstoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung und innere Festigkeit verbinden kann.
Bei chemisch härtenden Klebstoffen, oft auch Reaktionsklebstoffe genannt, werden die einzelnen chemischen Bausteine für den Klebstoff im richtigen Verhältnis in die Klebefuge eingebracht. Die Verfestigung wird durch chemische Reaktion der Bausteine miteinander erreicht. Grundsätzlich unterscheidet man bei den Reaktionsklebstoffen zwischen 2-Komponenten-Klebstoffen (kurz 2K-Klebstoffe) und 1-Komponenten-Klebstoffen (kurz 1K-Klebstoffen). Bei 2K-Klebstoffen werden zwei räumlich getrennte Zubereitungen eingesetzt, die manchmal mit A und B bezeichnet sind. Eine der beiden Zubereitungen enthält Monomere (oder auch Binder), während die andere Härter enthält. Als weitere Inhaltsstoffe der Zubereitungen können Stabilisatoren, Thixotropiermittel, Beschleuniger, weitere Additive sowie Farb- oder Füllstoffe zum Einsatz kommen. Mit dem Kontakt von Monomer und Härter startet die chemische Reaktion zum Klebstoffpolymer. Durch die fortschreitende Reaktion nimmt die Viskosität der Mischung stetig zu. Nach dem Einbringen des Klebstoffs in die Fuge folgt die Aushärtezeit, in der sich die Endfestigkeit der Verklebung aufbaut. Diese Aushärtezeit wird stark von äußeren Einflüssen, besonders der Temperatur, beeinflusst. Temperaturerhöhung führt zu einer beschleunigten Aushärtung, während niedrigere Temperaturen die Aushärtezeit verlängern.
DE 100 24 695 A1 beschreibt exemplarisch ein Verfahren zum Verkleben zweier Werkstücke unter Verwendung eines 2K-Klebstoffs im Karosseriebau.
Ein Beispiel die Verwendung eines 1K-Klebstoffs zur Herstellung einer kombinierten Falz- und Klebeverbindung lässt sich DE 10 2008 060 930 A1 entnehmen.
Das Kleben gilt als Schlüsseltechnologie für heutige und zukünftige Fügeaufgaben im Kraftfahrzeugbau. Der Fügeprozess sollte dabei möglichst effizient gestaltet werden, ohne die Verbindungsqualität zu mindern. Insbesondere sollte der Klebstoff eine möglichst schnelle Kraftübertragung ermöglichen, denn durch eine kurze Aushärtezeit können Bauteile schnell miteinander fixiert werden und sich die weiteren Fertigungsschritte zügig anschließen. Klebstoffsysteme und Prozesse für den Strukturbau, die eine derartig schnelle Aushärtung gewährleisten, sind jedoch derzeit in der praktischen Anwendung in der Fertigungslinie zeitaufwendig und damit kostenintensiv.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein oder mehrere der geschilderten Nachteile des Standes der Technik lassen sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens beheben oder zumindest mindern. Das Verfahren umfasst die Schritte:

(i) Bereitstellen von wenigstens zwei Fügeteilen;
(ii) Bereitstellen einer Klebstoffeinlage aus einem (teil)gehärteten polymeren Klebstoff;
(iii) Auftragen einer ersten Komponente eines 2K-Klebstoffs auf die vorgegebenen Klebeflächen der Fügeteile und Auftragen einer zweiten Komponente des 2K-Klebstoffs auf die vorgegebenen Klebeflächen der Klebstoffeinlage;
(iv) Positionieren der Klebstoffeinlage zwischen den Fügeteilen, Inkontaktbringen der komplementären Klebeflächen und Aushärten des 2K-Klebstoffs; und
(v) Aushärten der Klebstoffeinlage durch Erhitzen, sofern die Klebstoffeinlage teilgehärtet ist.

Die Erfindung offenbart demnach ein klebtechnisches Fügekonzept zur Realisierung einer Schnellhärteverbindung. Eine vorpolymerisierte Klebstoffeinlage wird unter Verwendung eines schnellhärtenden 2-K-Systems als Zwischenlage in die Fügestelle eingebracht. Hierzu wird nach Aufbringung der Komponente A des 2K-Klebstoffs auf der vorpolymerisierten Klebstoffeinlage und der Komponente B des 2K-Klebstoffs auf den Fügeteilen durch Verpressen der Fügeteile und der Klebstoffeinlage die Komponenten A und B in Kontakt gebracht. Die startende Schnellhärtereaktion (Aushärtung im Sekundenbereich) zwischen Komponente A und B erstellt die Gesamtverbindung. Bei teilgehärteten Polymerlagen erfolgt anschließend eine vollständige (thermische) Aushärtung. Besonders vorteilhaft an diesem Vorgehen ist, dass die späteren Eigenschaften der Klebstoffverbindung, wie Klebschichtdicke, E-Modul, und Glasübergangstemperatur, vorab über die Materialwahl, Dimensionierung und gegebenenfalls Vorbehandlung der Klebstoffeinlage einstellbar sind und somit unabhängig vom Fügeprozess gestaltet werden können.
Im Schritt (i) des Verfahrens werden demnach die zu verklebenden Teile des zu fertigenden Verbundstücks in für das Verkleben geeigneter Weise bereitgestellt. Dies kann eine Vorbehandlung der einzelnen Fügeteile beinhalten, um beispielsweise die Oberfläche zu reinigen, zu trocken oder für die Anbindung zu aktivieren. Ebenso kann der Schritt (i) eine Positionierung der zu verbindenden Fügeteile zueinander einschließen.
Das Verbundwerkstück enthält wenigstens zwei Fügeteile (Fügepartner) aus gleichen oder verschiedenen Werkstoffen, die miteinander verbunden werden sollen. In der Praxis werden die Fügeteile zumeist aus im Kraftfahrzeugbau üblicherweise verwendetem Werkstoff bestehen. Diese Werkstoffe umfassen insbesondere:

a) Metalle, insbesondere Aluminium, Magnesium und Eisen und deren Legierungen;
b) Kunststoffe; und
c) Mischwerkstoffverbunde mit Polymermatrix, insbesondere Faserverbundkunststoffen (FVK), wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK).

Im Schritt (ii) des Verfahrens wird eine Klebstoffeinlage aus einem (teil)gehärteten polymeren Klebstoff bereitgestellt. Die Klebstoffeinlage wird entsprechend der vorgesehenen Verwendung in ihrer Kontur dimensioniert sein. Es kann sich also beispielsweise um eine Folie handeln. Denkbar ist jedoch auch ein komplexerer Volumenkörper, der gegebenenfalls in einem gesonderten, vorgelagerten Prozessschritt modelliert wird. Die Klebstoffeinlage wird im Wesentlichen aus einem polymeren Klebstoff geformt.
Bevorzugt ist der Klebstoff ein Reaktionsklebstoff. Der Reaktionsklebstoff kann insbesondere als Basis Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidenchlorid (PVDC), chloriertes Polypropylen (PP-C), Polyvinylacetat (PVAC), Polyvinylalkohol (PVAL), Polyvinylether (PVME), Polyvinylbutyral (PVB), Polyvinylformal (PVFM), Polyacrylat (PAA), Polymethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS), ungesättigte Polyester-Harze (UP), Phenol-Formaldehyd-Harze (PF), Harnstoff-Formaldehyd-Harze (UF), Melamin-Formaldehyd-Harze (MF), Keton-Harze, Polyamide (PA), Polyamidimide (PAI), Polyurethan-Harze (PUR), Silicon-Harze (SI) oder Epoxid-Harze (EP) enthalten.
Besonders bevorzugt sind Klebstoffe auf Basis von Epoxid-Harzen, da sich diese aufgrund ihres thermischen Aushärteverhaltens besonders für den Einsatz in einem KTL-Prozess eignen und hochfeste Klebeschichten bilden. Epoxid-Harz-Klebstoffe sind prinzipiell zweikomponentig aus Harz und Härter aufgebaut. Das dem Epoxid-Harz zugrunde liegende Polymer weist terminale Epoxidgruppen auf. Die Herstellung kann zum Beispiel auf Basis von Bisphenol-A und Epichlorhydrin erfolgen. Nach dem Vermischen mit einem Härter bilden sich stabile Duroplasten. Die Aushärtereaktion kann bei Raumtemperatur als auch bei höherer Temperatur vorgenommen werden. Im letzteren Fall können höhere Festigkeiten erzielt werden. Da der ausgehärtete Klebstoff eine sehr hohe Festigkeit besitzt, wendet man diese Klebstoff-Klasse häufig für strukturelle Verklebungen zum Beispiel im Fahrzeug- und Flugzeugbau an. Eine Besonderheit sind einkomponentige Epoxidharzklebstoffe, bei denen schon in der Herstellung Harz- und Härterkomponente im korrekten Verhältnis miteinander vermischt wurden. Bei diesen Klebstoffen werden Härter eingesetzt, die bei Raumtemperatur nur sehr langsam reagieren (wie zum Beispiel Dicyandiamid), so dass diese Klebstoffe heiß gehärtet werden müssen.
Die Klebstoffeinlage wird in einem vorgelagerten Prozessschritt soweit vorgehärtet, dass sie für die Schritt (iii) und (iv) des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens handhabbar ist. Mit anderen Worten, im Falle eines Reaktionsklebstoffs wird die Aushärtung bis zu einem gerade noch für die Handhabung ausreichenden Polymerisationsgrad vorangetrieben. Ein solches Vorgehen kann beispielsweise thermisch gesteuert ablaufen und ist vom jeweils gewählten Klebstoffsystem abhängig.
Im Schritt (iii) wird eine erste Komponente (Komponente A) eines 2K-Klebstoffs auf vorgegebene Klebeflächen der Fügeteile aufgetragen. Mit der zweiten Komponente (Komponente B) des 2K-Klebstoffs wird die Klebstoffeinlage beschichtet und zwar derart, dass im weiteren Fügeprozess die Klebeflächen der Fügeteile und der Klebstoffeinlage aneinander liegen.
Auch der verwendete 2K-Klebstoff ist vorzugsweise ein Reaktionsklebstoff. Die Klebstoffeigenschaften sollten möglichst so vorgegeben werden, dass der Klebstoff bei Inkontaktbringen beider Klebstoffkomponenten innerhalb weniger Sekunden, vorzugsweise weniger als 5 Sekunden, vollständig aushärtet. Die konkrete Auswahl des 2K-Klebstoffs hängt selbstverständlich von der jeweiligen Applikation ab und wird durch die Materialeigenschaften der Fügeteile beziehungsweise der Klebstoffeinlage sowie die gewünschten Verfahrensbedingungen, wie beispielsweise Temperatur und Druck, beeinflusst.
Im Schritt (iv) des Verfahrens wird nun die Klebstoffeinlage zwischen den Fügeteilen positioniert, so dass die komplementären Klebeflächen sich gegenüberliegen. Nach Inkontaktbringen der Klebeflächen erfolgt das Aushärten des 2K-Klebstoffs. Dieses Vorgehen hat zudem den folgenden Vorteil:
Beim Kleben tritt häufig ein Problem durch Spannungsaufbau in Klebstoffschichten bei Mischbauweisen auf. Im konventionellen Karosseriebau besteht beispielsweise eine häufige Fügeaufgabe darin, Stahl und Aluminium zu kleben. Jedoch führt das unterschiedliche Längenausdehnungsverhalten von Aluminium (Längenausdehnungskoeffizient = 23,8 × 10^–6 1/K) und Stahl (Längenausdehnungskoeffizient = 12 bis 16 × 10^–6 1/K) zum Aufbau von Spannungen in der Klebeschicht. Im modernen Mischbau werden ferner Metalle (Alu, Stahl) mit Faserverbundkunststoffen (FVK), insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), gefügt. Da der Längenausdehnungskoeffizient von CFK bei ca. 0,2 × 10^–6 1/K liegt, ist besonders das Fügen von CFK mit Aluminium eine große Herausforderung, zumal beispielsweise während des Fügens analog der kathodischen Tauchlackierung (KTL-Prozess) ein großes Temperaturfenster mit teils Spitzentemperaturen von bis zu 195°C durchlaufen wird. Die schnelle Aushärtung der 2K-Klebstoffe vor dem KTL-Prozess kann somit zusätzlich der Problematik der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und der Relativverschiebung während des Härteprozesses im KTL-Ofen entgegenwirken.
Im abschließenden Verfahrensschritt (v) wird eine nicht vollständig ausreagierte die Klebstoffeinlage thermisch vollständig ausgehärtet. Nach dem Abkühlen kann das fertige Verbundwerkstück dem Werkzeug entnommen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein über das zuvor beschriebene Verfahren erhältliches Verbundwerkstück.
Das Verfahren kann insbesondere im Fahrzeugbau Verwendung finden, beispielsweise für die Fertigung von Anbauteilen, wie Fronthaube und Türen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Die Figuren zeigen:
1 Eine schematische Ansicht eines ersten Teilschritts des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens; und
2 eine schematische Ansicht eines zweiten Teilschritts des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Fügeverfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstücks in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die beiden 1 und 2 illustrieren dabei wesentliche Teilschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Verbundwerkstücks 10.
Zunächst wird, wie in 1 dargestellt, einer Schicht 20 im Bereich der vorgesehenen Klebeflächen der beiden zu verbindenden Fügeteile 12 und 13 aufgetragen. Die Schicht 20 enthält eine erste Komponente eines 2K-Klebstoffs.
Mittig zu den Fügeteilen 12, 13 positioniert befindet sich eine Klebstoffeinlage 30, die wiederum beidseitig mit einer zweiten Schicht 22 bedeckt ist, die die zweite Komponente des 2K-Klebstoffs enthält.
Wie aus 2 ersichtlich, werden nun die beiden Fügeteile 12 und 13 aufeinander zubewegt, so dass die mit den Schichten 20, 22 bedeckten Klebeflächen miteinander in Kontakt kommen. In der Folge bildet sich innerhalb weniger Sekunden eine erste Klebstoffteilschicht 24 aus.
Die Klebstoffeinlage 30 besteht aus einem vorpolymerisierten Klebstoff. Nach dem Inkontaktbringen der beiden Schichten 20, 22 wird nun die Klebstoffeinlage 30 ebenfalls ausgehärtet. Dies erfolgt in der Regel auf thermischem Wege.
Bezugszeichenliste

10: Verbundwerkstück
12, 13: Fügeteile
20: erste Schicht mit erster Komponente eines 2K-Klebstoffs
22: zweite Schicht mit zweiter Komponente eines 2K-Klebstoffs
24: Klebstoffteilschicht
30: Klebstoffeinlage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10024695 A1 [0004]
DE 102008060930 A1 [0005]

Claims

Fügeverfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstücks (10), umfassend die Schritte: (i) Bereitstellen von wenigstens zwei Fügeteilen (12, 13); (ii) Bereitstellen einer Klebstoffeinlage (30) aus einem (teil)gehärteten polymeren Klebstoff; (iii) Auftragen einer ersten Komponente eines 2K-Klebstoffs auf die vorgegebenen Klebeflächen der Fügeteile (12, 13) und Auftragen einer zweiten Komponente des 2K-Klebstoffs auf die vorgegeben Klebeflächen der Klebstoffeinlage (30); (iv) Positionieren der Klebstoffeinlage (30) zwischen den Fügeteilen (12, 13), Inkontaktbringen der komplementären Klebeflächen und Aushärten des 2K-Klebstoffs; und (v) Aushärten der Klebstoffeinlage (30) durch Erhitzen, sofern die Klebstoffeinlage teilgehärtet ist.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebstoffeinlage (30) aus einem Reaktionsklebstoff geformt ist.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der 2K-Klebstoff ein Reaktionsklebstoff ist.
Verbundwerkstück (10), erhältlich über ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.