Der Leichtbau ist ein wichtiges Entwicklungsfeld unserer Zeit, welches durch das Streben nach Mobilität von Mensch und Material vorangetrieben wird. Eine grundlegende Strategie des Leichtbaus ist der Stoffleichtbau, welcher durch eine Substitution herkömmlich verwendeter Materialien durch Werkstoffe einer möglichst geringen Dichte definiert ist. Die dabei eingesparte Masse wirkt sich direkt auf den Energieverbrauch und somit auch auf den Kraftstoffverbrauch eines Transportmittels aus, was letztendlich dessen Kohlenstoffdioxidausstoß und dessen Gesamtbetriebskosten reduziert. Häufig werden sehr schwere Metallkomponenten durch Polymere oder faserverstärkte Kunststoffe ersetzt. Durch konsequenten Austausch ist dadurch eine Massereduktion einer Rohkarosse um bis zu 42% möglich. Häufig erfordert dies ein großes Maß an Entwicklungsarbeit und nicht selten verhindern ökonomische oder technische Gründe den vollständigen Austausch.
Einen Lösungsansatz dafür bieten Kunststoff-Metall-Hybridverbindungen, welche die Vorteile beider Werkstoffe in einem Bauteil vereinen. Die etablierten Fügeverfahren der Hybridverbindungsherstellung sind Nieten und Kleben, welche jedoch nicht zeit- und kosteneffizient sind, was hingegen für eine großserientaugliche Fertigung nötig wäre. Das zentrale Problem bei Fügeprozessen unterschiedlicher Materialien liegt im Berührungspunkt beider Werkstoffe, an dem unterschiedliche Eigenschaften, wie zum Beispiel Schmelzpunkt, Ausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit, aufeinander treffen. Diese schließen ein Fertigungsverfahren wie etwa das Verschweißen, welches bei der Verbindung artgleicher Werkstoffe verwendet wird, völlig aus.
Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, thermisches Direktfügen mit Hilfe von Lasern als Alternativverfahren für die etablierten Hybridfügeprozesse hinsichtlich seiner Effizienz zu untersuchen. Als Grundlage dafür dienten die Ergebnisse von L. Hufmann aus 2016 für thermisches Direktfügen mit einer Heizplatte.
Im Fokus dieser Arbeit standen zwei Hybridverbindungen bestehend aus einer Aluminiumlegierung und glasfaserverstärktem Kunststoff sowie Baustahl mit glasfaserverstärktem Kunststoff. Um die Festigkeit der erzeugten Verbindungen zu evaluieren, wurden unterschiedliche mech. Charakterisierungen an verschiedenen Fügegeometrien durchgeführt. Zielstellung dieser Untersuchungen wurde eine möglichst homogene Temperaturverteilung an der Fügefläche während des Prozesses angestrebt.
INHALTSVERZEICHNIS
Abkürzung und Symbolverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Fügeverfahren
2.2 Herstellung von Hybridverbindungen
2.2.1 Post-Mould Assembly (PMA)
2.2.2 In-Mould Assembly (IMA)
2.3 Haftungstheorien
2.3.1 Mechanische Adhäsion
2.3.2 Spezifische Adhäsion
2.3.3 Haftungsmechanismen zwischen Metall und Kunststoff
2.4 Licht
2.4.1 Laser
2.4.2 Infrarot Strahlung
3 Umsetzung
4 Experimenteller Teil
4.1 Probenherstellung
4.1.1 Verwendete Materialen und Geometrien
4.1.2 Oberflächenvorbehandlung
4.1.3 Fügeprozess
4.2 Prüf- und Untersuchungsverfahren
4.2.1 Infrarotthermografie
4.2.3 Zugscherprüfung
4.2.4 Modifizierter LWF-KSII-Prüfung
5 Ergebnisse und Auswertung
5.1 Thermografie
5.2 Laserstrukturierung
5.3 mechanische Charakterisierung
5.3.1 Zugscherprüfung
5.3.2 Zugscherfestigkeiten im Vergleich
5.3.3 Modifizierte LWF-KSII-Prüfung
5.4 Bruchbildauswertung
5.4.1 Zugschergeometrie
5.4.2 Modifizierte LWF-KSII-Geometrie
6 Zusammenfassung und Ausblick
Anhang
A Fügetabellen
B Datenblätter
C Laserstrukturierung
Abildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Literatur
ABKÜRZUNG UND SYMBOLVERZEICHNIS
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1 EINLEITUNG
Der Leichtbau ist ein wichtiges Entwicklungsfeld unserer Zeit, welches durch das Streben nach Mobilität von Mensch und Material vorangetrieben wird. Eine grundlegende Strategie des Leichtbaus ist der Stoffleichtbau, welcher durch eine Substitution herkömmlich verwendeter Materialien durch Werkstoffe einer möglichst geringen Dichte definiert ist 1. Die dabei eingesparte Masse wirkt sich direkt auf den Energieverbrauch und somit auch auf den Kraftstoffverbrauch eines Transportmittels aus, was letztendlich dessen Kohlenstoffdioxidausstoß und dessen Gesamtbetriebskosten reduziert 2. Die Verminderung des Gesamtgewichtes einer Konstruktion, führt damit zu einer nachhaltigeren Entwicklung. Häufig werden sehr schwere Metallkomponenten durch Polymere oder faserverstärkte Kunststoffe ersetzt 1. Durch konsequenten Austausch ist dadurch eine Massereduktion einer Rohkarosse um bis zu 42% möglich 3. Häufig erfordert dies ein großes Maß an Entwicklungsarbeit und nicht selten verhindern ökonomische oder technische Gründe den vollständigen Austausch 1. Einen Lösungsansatz dafür bieten Kunststoff-Metall-Hybridverbindungen, welche die Vorteile beider Werkstoffe in einem Bauteil vereinen 4. Die etablierten Fügeverfahren der Hybridverbindungsherstellung sind Nieten und Kleben, welche jedoch nicht zeit- und kosteneffizient sind, was hingegen für eine großserientaugliche Fertigung nötig wäre.
Das zentrale Problem bei Fügeprozessen unterschiedlicher Materialien liegt im Berührungspunkt beider Werkstoffe, an dem unterschiedliche Eigenschaften, wie zum Beispiel Schmelzpunkt, Ausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit, aufeinander treffen 3. Diese schließen ein Fertigungsverfahren wie etwa das Verschweißen, welches bei der Verbindung artgleicher Werkstoffe verwendet wird, völlig aus. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, thermisches Direktfügen mit Hilfe von Lasern als Alternativverfahren für die etablierten Hybridfügeprozesse hinsichtlich seiner Effizienz zu untersuchen. Als Grundlage dafür dienten die Ergebnisse von L. Hufmann aus 2016 5 für thermisches Direktfügen mit einer Heizplatte. Im Fokus dieser Arbeit standen zwei Hybridverbindungen bestehend aus einer Aluminiumlegierung und glasfaserverstärktem Kunststoff sowie Baustahl mit glasfaserverstärktem Kunststoff. Um die Festigkeit der erzeugten Verbindungen zu evaluieren, wurden unterschiedliche mech. Charakterisierungen an verschiedenen Fügegeometrien durchgeführt. Zielstellung dieser Untersuchungen wurde eine möglichst homogene Temperaturverteilung an der Fügefläche während des Prozesses angestrebt. Durch Einschränkungen bei der Anlagenverfügbarkeit sowie erhebliche Zeitaufwendungen bis zur Fertigung einzelner Vorrichtungsteile als auch der innerhalb dieser Arbeit verwendeten mod. KS-Prüfkörper konnte der ursprünglich in der Aufgabenstellung gesetzte Zeitplan nicht eingehalten werden, wodurch sich der Abgabetermin dieser Arbeit auf den 31.03.2017 verschob.
2 STAND DER TECHNIK
2.1 FÜGEVERFAHREN
Fügen bedeutet allgemein Zusammenhalt vermehren und ist nach DIN 8580 definiert als langfristiges Verbinden von mindestens zwei Einzelteilen einer definierten geometrischen Form beziehungsweise auch eines einzelnen mit einem formlosen Stoff und stellt eines der Grundfertigungsverfahren dar. Zu diesem gehören unter anderem das Schweißen, Löten und Kleben, das Nieten oder Schrauben 6. Die verschiedenen einzelnen Verfahren unterscheiden sich in der Art und Weise der Verbindung, wobei man zwischen stoff-, form- und kraftschlüssigen unterscheidet. Die jeweiligen Fügeverfahren werden in Abhängigkeit von Stoffkombination und Anwendung ausgewählt 7.
Kleben
Klebstoff ist nach DIN EN 923 definiert als nichtmetallischer Stoff, der mittels Adhäsion und Kohäsion mehrere Einzelteile zusammenfügt. In Abbildung 2.1 ist der grundlegende Aufbau einer Klebverbindung dargestellt. Die zwei Fügeteile werden durch eine abgebundene Klebschicht in der Klebfuge zwischen den Klebflächen zusammengehalten. Die gesamte Verbindung wird als Klebung bezeichnet. 8
Die Vorteile des Fügeverfahrens bestehen in der Möglichkeit des gänzlichen Vermeidens eines thermischen Einflusses auf die Fügeteile, in einer homogenen Spannungsverteilung, der Möglichkeit der Trennung der elektrochemischen Eigenschaften verschiedener Materialien und in dem Verhindern einer Querschnittsminderung. Somit ermöglicht Kleben das Verbinden unterschiedlichster Werkstoffe.
Das Fügeverfahren des strukturellen Klebens wird in mehrere Prozessschritte untergliedert und der damit verbundene Zeitaufwand stellt einen großen Nachteil dieses Verfahrens dar. Als erstes müssen die Klebflächen gereinigt und im Anschluss oder während dessen strukturiert beziehungsweise aktiviert werden. Danach wird der Klebstoff aufgetragen und die Fügeteile werden zusammen gebracht. Als letzter Schritt muss der Klebstoff aushärten, was Zeit und je nach Klebstoff zusätzlichen Energieaufwand bedeutet. Dabei besteht zusätzlich die Gefahr, dass die Bauteile sich gegeneinander verschieben. Weitere Nachteile kann der Zusatzstoff mit seinen eigenen Eigenschaften einbringen. Dies betrifft die geringe Hitze- und Alterungsbeständigkeit sowie auch den Schälwiderstand, aber auch dessen Kosten stellen ein Problem dar. Des Weiteren gestalten sich Demontage oder Reparatur einer Klebung schwierig. [3, 8]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.1: Aufbau einer Klebeverbung, erstellt nach 8 Löten
Löten ist ein Verfahren bei dem das Fügen mittels eines geschmolzenen Zusatzmetalls, das sogenannte Lot, realisiert wird. Das Lot ist artfremd zum Grundwerkstoff, um einen deutlich Unterschied bezüglich der Schmelztemperaturen zu erzielen. Die Oberflächen der Fügeteile werden also nur benetzt und nicht vollständig aufgeschmolzen. Dabei ist die Verfahrenstemperatur einzig vom Lot abhängig und somit nicht begrenzt. Ähnlich wie beim Kleben und Schweißen wird hierbei eine stoffschlüssige Verbindung erzielt. Löten bildet eine Art Mittelweg zwischen den beiden Verfahren, da eine adhäsive (Schmelzlöten) als auch kohäsive (Kleblöten) Anbindung möglich ist. Beim Schmelzlöten findet im Gegensatz zum Kleblöten ein Anschmelzen der Fügefläche statt. 9
Wesentliche Vorteile des Löten im Vergleich zum Schweißen bestehen darin, dass es weniger Energie benötigt, die Eigenschaft der Schweißbarkeit irrelevant ist und auch artfremde Materialien verbunden werden können. Allerdings ergeben sich auch Nachteile wie die Kosten hochfester Lote, die Kerbbildung bei Streck- und Überlappverbindung , die zu berücksichtigenden Eigenschaften des Zusatzwerkstoffes und ein eventueller zusätzlicher Arbeitsschritt der Oberflächenvorbereitung. 9
Schweißen
Fügen durch Schweißen wird nach DIN 8593 in Metall- und Kunstoffschweißen unterteilt 7. Schweißen ist allgemein das Aufbauen einer kohäsiven Bindung mittels Einbringen von Wärme und oder Druck 10. Metalle werden bei diesem Prozess meist Schutzgas ausgesetzt, um eine unerwünschte Oxidation zu vermeiden. Thermoplaste können durch zugeführte Energie aufgeschmolzen werden. Nach dem Erstarren besitzen sie wieder die gleichen Eigenschaften wie zuvor. Sie sind also ähnlich wie Metalle schweißbar.
Unterschieden werden die Verfahren durch die Art der Wärmezufuhr 11. Eine Möglichkeit für das Fügen von thermoplastischen Kunststoffen ist die Heizelementschweißtechnik. Diese bildet die Grundlage für das thermische Direktfügen in Kapitel 2.2. Dabei wird außer Wärme zusätzlich eine Kraft aufgebracht, welche die vorher angewärmten Fügeflächen der Bauteile aufeinander presst. Die Elemente selbst sind je nach Anwendungsgebiet verschieden geformt 12. Mit diesem Prozess können die höchsten Festigkeiten erreicht werden 11. Vorteile hierbei sind die gute Automatisierbarkeit, die Notwendigkeit zur Verwendung teurer Zusatzwerkstoff entfällt und die Fügestelle nicht aus einer Fremdphase besteht. Nachteile sind die benötigte Eigenschaft der Schweißbarkeit sowie der Umstand, dass nur gleiche Werkstoffarten verbunden werden können 13.
2.2 HERSTELLUNG VON HYBRIDVERBINDUNGEN
Das Verbinden von zwei artfremden Werkstoffen wie Metallen und Kunststoffen stellt eine große Herausforderung dar. Die Herstellung von Hybridverbindungen hat zum Ziel, Stoffleichtbau in Form von vollständigen oder partiellen Werkstoffsubstitutionen umzusetzen. Die Divergenz der thermischen Eigenschaften, allem voran die stark unterschiedlichen Wärmebeständigkeiten und Schmelztemperaturen und der völlig unterschiedliche chemische Aufbau der Stoffe schließt Schweißen als Fügeprozess komplett aus, deswegen finden alternative Verfahren Verwendung 3. Bei diesen Arten von Verbindungen werden grundlegende zwei Verfahrenstypen unterschieden 14:
- Post-Mould Assembly kurz PMA
- In-Mould Assembly kurz IMA
2.2.1 Post-Mould Assembly (PMA)
Post-Mould Assembly bedeutet, dass die zu fügenden Komponenten einzeln hergestellt werden und die Verbindung in einem nachträglichen Prozessschritt erzeugt wird. Dies ermöglicht eine sehr hohe Gestaltungsfreiheit für Konstruktionen. Außerdem sind die Werkzeuge für die Verfahrensmöglichkeiten unabhängiger von der Geometrie 14.
Beispiele für PMA Verfahren sind die klassischen Fügeverfahren, wie zum Beispiel das Kleben oder verschiedene mechanische Verfahren, wie Schrauben und Nieten. Allerdings gibt es bei diesen erhebliche ökonomische Nachteile, welche eine Anwendung im großindustriellen Maßstab erschweren (siehe Kapitel 2.1). Bei den mechanischen Verfahren besteht zusätzlich eine Einschränkung in der Werkstoffauswahl. Um auf diesem Wege Verbindungen herzustellen sind Bohrungen beziehungsweise das Eindringen in die Materialien eine Voraussetzung, welche bei faserverstärkten Kunststoffen das Gelege und damit die mechanischen Eigenschaften zerstören. [14, 15]
Thermisches Direktfügen
Das thermische Direktfügen stellt eine Alternative zu den klassischen Verfahren dar. Bei dieser Variante wird, für den Aufbau einer Verbindung, Wärme über das Metall in den Kunststoff eingebracht, um das Polymer an der Kontaktfläche aufzuschmelzen und unter einem äußeren Fügedruck kann so eine adhäsive Anbindung aufgebaut werden (siehe Kapitel 2.3). Der Aufschmelzvorgang erlaubt damit nur die Verarbeitung von Thermoplasten und Elastomeren, sorgt aber durch seine kurze Dauer für insgesamt sehr niedrige Prozesszeiten. Für das Einbringen der Energie gibt es verschiedene Varianten. 16
Eine Möglichkeit dafür wäre die Verwendung von Heizplatten, welche auf den Fügebereich zugeschnitten werden müssen und zunächst im Kontakt das Metall und danach das Polymer erwärmen. Allerdings führt der Energieumweg über Widerstand, Heizplatte, metallische Fügekomponente, Kunststoff zu einer gewissen Trägheit im Aufheiz- sowie im Abkühlprozess, woraus eine verhältnismäßig lange Verfahrensdauer und folglich eine Ineffizienz des Systems resultiert. 16
Eine weitere Option ist das Einbringen der Energie mittels Laser. Mit Hilfe eines Scanner Systems bewegt sich dieser über die Oberfläche, um eine homogene Erwärmung zu gewährleisten (siehe Kapitel 2.4). Der Strahlengang kann dabei die Kunststoffprobe passieren, um die Fügefläche zu erhitzen. Allerdings setzt das eine Transparenz des Polymers für die Wellenlänge des Lasers voraus (siehe Abbildung 2.2). Bei ausreichend dünner Metallkomponente oder sehr guter Wärmeleitfähigkeit derer, ist es möglich auch nur dessen von der Fügefläche abgewandte Seite zu bestrahlen. Die direkte Wärmeerzeugung am Metall macht dieses Verfahren schnell und effizient. Zusätzlich dazu ist ein Laser ein sehr vielseitig verwendbares Werkzeug. 17
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.2: Schematische Darstellung des thermischen Direktfügens mittels Laser 3
Induktives Erwärmen stellt eine weitere Variante für thermisches Direktfügen dar. Ähnlich wie beim Laser wird auch hier die Wärme direkt im metallischen Fügeteil erzeugt. Dieser Prozess ist gänzlich unabhängig von den Eigenschaften des Polymers. Auch hier ist der Zeitaufwand gering. 17
2.2.2 In-Mould Assembly (IMA)
Bei In-Mould Assembly wird während des Urformprozesses gleichzeitig die Verbindung zwischen der Kunststoff- und Metallkomponente hergestellt. Für diese Verfahrensart gibt es verschiedene Möglichkeiten. Das Kombinieren dieser zwei Fertigungsschritte führt zu deutlich kürzeren Prozesszeiten, was im Gegensatz zum PMA zu einer höheren Wirtschaftlichkeit führt. Allerdings kann die Schwindung beim Spritzgießen zu Verzug und Eigenspannungen führen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass für jede Geometrie ein neues Werkzeug benötigt wird, was dieses Verfahren sehr unflexibel macht. Grundlegend sind hier zwei verschiedene Technologien zu unterscheiden, die Insert- und die Outserttechnik. 14
Inserttechnik
Das Verfahren bezeichnet das Umspritzen von Metallkomponenten mit Kunststoff und wurde ursprünglich in den 70er Jahren entwickelt. Es stellte einen Lösungsansatz für die starken Einschränkungen der Verschraubbarkeit von Polymeren dar. Dieser bestand darin Metallgewindebuchsen, sogenannte Inserts, in die Kunststoffteile einzubringen. Die Inserts werden dabei in dafür vorgesehene Plätze im Spritzgusswerkzeug eingelegt, anschließend mit dem Polymer umspritzt und somit wird die form- und kraftschlüssige Verbindung aufgebaut. Niedrige Toleranzen sind dabei entscheidend, da das Insert oft abdichten und gleichzeitig auch seine exakte Position halten muss. Für die genaue Fixierung werden meist erweiterte Hilfsmittel wie Schnapphalterungen, ein angelegtes Magnetfeld oder Vakuum verwendet. Außerdem müssen die einzulegenden Metallkomponenten von Öl- und Verunreinigungsresten vollständig befreit werden, um die Anbindung zu gewährleisten. 18
Diese Technik findet beim Umspritzen von Gewinden, Muttern, elektrischen Kontakten, Lagerbuchsen bis hin zu Messergriffen und vielen weiteren Produkten Anwendung, kann aber auch zum Einbringen anderer Werkstoffgruppen wie Keramik, Glas oder auch anderen Polymeren in Kunststoffbauteile verwendet werden. 18
Outserttechnik
Dies ist das gegenteilige Verfahren zur Inserttechnik. Mit dem Begriff bezeichnet man das An- oder Einspritzen von Polymerkomponenten an Metallbauteile. Bei diesen handelt es sich meist um Trägerplatinen aus kaltgewalztem, rostfreiem oder auch verzinktem Stahl, Kupfer oder Aluminium. Auch die Verwendung von glas-/kohlefaserverstärkten Kunststoffen sowie Duromeren ist möglich. Die angespritzten Teile fixieren sich, wie in Abbildung 2.3 zu sehen, in den vorab eingestanzten Löchern. Es wird also eine zum Großteil formschlüssige Verbindung aufgebaut. Wie auch bei der Inserttechnik sind geringe Toleranzen (2 bis 4%) einzuhalten, auch eine gründliche Reinigung so wie das Entfernen von Graten ist dafür eine Voraussetzung 18.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.3: Outsertanguss, erstellt nach 18
Die häufigsten Anwendungen findet diese Technik bei Baugruppen von HiFi-, Büro- und Messgeräten. Die Polymerkomponenten übernehmen hierbei die Rolle von Führungen, Lagern, Distanzstücken, Achsen und Trägern. Der große Vorteil des Verfahrens liegt in seiner Wirtschaftlichkeit. Das Verwenden von Metallplatten spart 70% des finanziellen Aufwandes eines vollständigen Kunststoffbauteils. Im Gegensatz zur Vollmetalllösung werden kosten- und zeitintensive Bearbeitungsschritte wie Drehen, Bohren und Fräsen eingespart 18.
2.3 HAFTUNGSTHEORIEN
Bindungskräfte werden allgemein in kohäsive und adhäsive Kräfte unterschieden. Erstere halten den Festkörper in sich selbst zusammen und letztere herrschen zwischen zwei verschiedenen Festkörpern. Adhäsion, das Prinzip der Haftung, lässt sich durch seine Komplexität nicht in einem einzelnen Model zusammenfassen und auch die Vielzahl derer beschreibt das Phänomen noch nicht im Ganzen. Die physikalischen Grundlagen der Adhäsion reichen von einer makroskopischen mechanischen Verklammerung bis hin zu molekularen beziehungsweise atomaren Wechselwirkungen 8. Abbildung 2.4 zeigt die Unterteilung in verschiedene Theorien mit deren grundlegenden Mechanismen der Adhäsion isoliert voneinander betrachtet werden können. Es gelingt mit jeder neuen Theorie das Bild zu vervollständigen 19.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.4: Adhäsionstheorien 19
2.3.1 Mechanische Adhäsion
Nach dieser Modellvorstellung wird die Verbindung nur formschlüssig hergestellt. Die viskose Phase fließt in Poren, Kapillaren und weitere Freiräume der Oberflächenrauheit, wo sie dann erstarrt. Abbildung 2.5 zeigt wie sich durch die nun gefüllten Hinterschneidungen eine mechanische Verankerung der beiden Fügeflächen bildet. Dabei hängt die Eindringtiefe von der Fluidität, dem Gegendruck der nun eingeschlossenen Gase sowie dem Benetzungsverhalten zwischen dem schmelzflüssigen Werkstoff und dem Metall ab. Die Festigkeit wird dabei von der Form der Hinterschnitte bestimmt, gerade dessen Tiefe, Öffnungswinkel und deren Durchmesser haben darauf großen Einfluss. Eine Erhöhung der Oberflächenrauheit begünstigt das Auftreten von mechanischen Verhakungen und erzielt gleichzeitig mit der Vergrößerung der Fügefläche eine Steigerung der spezifischen Adhäsion. Zentral für die mechanische Adhäsion ist, dass möglichst vollständige Füllen der Hinterschneidungen, was Druck und ausreichend Schmelze erfordert. Bei besonders glatten Oberflächen allerdings versagt dieses Modell der Vorstellung von Haftung. [3, 8]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.5: Mechanische Adhäsion, angepasst aus 8
2.3.2 Spezifische Adhäsion
Wie in Abbildung 2.4 gezeigt, versteht man unter spezifischer Adhäsion chemische und mehrere physikalische Effekte, die zu einer Anbindung zweier Körper führt. Die Kohäsionskräfte, die einen Feststoff in sich zusammen halten, können auch zum Haften zweier verschiedener Körper beitragen. Zum größten Teil spielen hierbei die Nebenvalenzbindungen eine große Rolle. Allerdings können sogar vereinzelt kovalente Bindungen zwischen den gefügten Stoffen auftreten 8. Haftvermittlersysteme können deren Anzahl noch steigern. Diese bilden dann eine Brücke für die zu fügenden Stoffe. 20
Adsorption
Adsorption ist die Anlagerung von Stoffen an Oberflächen von festen und flüssigen Phasen. Die thermodynamische Sicht betrachtet dabei die Oberflächenenergie des Fluides sowie die des Fügeteils und die draus entstehende Grenzflächenenergie. Das Modell der Adsorption beschreibt nicht das Haften gesamter Körper sondern eine Gesamtheit von mehreren molekularen Einzelprozessen. Es wird in physikalische und chemische Adsorption unterschieden. 8
Bei physikalischer Adsorption findet keinerlei Elektronenaustausch statt. Dieses Phänomen ist geprägt von Van-der-Waals-Bindungen, deren Energie sich unterhalb von 50 kJ Mol-1 befindet und welche eine Reichweite von 0,3-0,4 nm haben. Da keine chemischen Reaktionen an der Oberfläche ablaufen, ist der Prozess abhängig von Druck und Temperatur thermodynamisch reversibel. 8
Die chemische Adsorption betrifft die erste monomolekulare Schicht, welche chemisch an die Grenzfläche gebunden ist und sich auch bei Änderung der Temperatur oder des Druckes nicht löst, der Prozess ist irreversibel. Diese Art von Anbindung kann zwar eine große Belastung aufnehmen, hat aber eine geringe Reichweite in den Feststoff, was im Versagensfall zu Kohäsionsbrüchen führen kann. Vereinzelte Hauptvalenzbindungen bestimmen diesen Haftungsmechanismus, dabei liegen die Bindungsenergien zwischen 50 und 500 kJ Mol-1. 8
Polarisationstheorie
Die Grundlage dafür sind Dipole, welche in kovalente Verbindungen durch eine starke Differenz von Elektronegativität in Kombination mit deren asymmetrischer Verteilung im Molekül. Diese sind auch in der Lage durch ihr Ladungsmoment durch Ladungsverschiebung neue Dipole zu induzieren. Abbildung 2.6 zeigt das Prinzip der Anbindung durch die elektrostatische Wechselwirkung der unterschiedlich verteilten Ladungsträger. 8
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.6: Oberflächenanbindung durch Dipole 8
Diffusionstheorie
Diese Theorie basiert auf den Fick‘schen Gestzen und dem Prinzip der Löslichkeit von Feststoffen ineinander. Bei bestimmten Anregungsenergien beginnen die einzelnen Teilchen (Atome/Ionen oder Makromoleküle) an der Grenzfläche in den anderen Körper zu diffundieren. Die Wärmebewegung initiiert dabei Platzwechselprozesse, welche durch Entropieerhöhung angetrieben werden. Die so vollzogene Auflösung der Grenzfläche und das ineinander Übergehen der Fügepartner sorgt dabei für die Adhäsion. Vorrausetzung dafür ist eine chemische/physikalische Ähnlichkeit des Stoffaufbaus. Bei Polymeren sind dazu nur Thermoplaste und unvernetzte Elastomere im Stande, da bei Duromeren die Vernetzung einer Kettenbewegung im Wege steht. 8
Elektrostatische Theorie
Das zentrale Element ist bei dieser Theorie die elektrochemische Doppelschicht, welche auf Abbildung 2.7 am Beispiel bei einer elektrolytischen Reaktion dargestellt wird. Darunter wird eine mehrere Atom- beziehungsweise Molekularlagen dicke Schicht bezeichnet. Durch das Verschieben von Ladungen entsteht eine elektrische Ladung an der Kontaktfläche zweier Stoffe. Die Basis für diesen Mechanismus bilden Dipole, Ionen und/oder Elektronen. Für diesen Prozess ist eine Unähnlichkeit der Werkstoffe von Vorteil. Dies begünstigt die Reichweite sowie die Intensität der Haftung. 8
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.7: Elektrochemische Doppelschicht [21]
2.3.3 Haftungsmechanismen zwischen Metall und Kunststoff
Die große Differenz der chemischen Eigenschaften zwischen Metall und Kunstsoff verhindert zum Großteil eine spezifische Adhäsion und somit eine stoffschlüssige Verbindung. Den Hauptanteil der Haftung übernimmt die mechanische Adhäsion. Dafür ist eine möglichst hohe Oberflächenrauheit des Metalls von Vorteil, diese kann durch verschiedene Vorbehandlungen, wie zum Beispiel mechanische Strahlverfahren, Schmirgeln/Schleifen oder Bürsten, erzeugt werden. Besser allerdings ist das gezielte Einbringen einer geometrisch bestimmten Struktur, um die Anzahl möglicher Verzahnungen zu erhöhen und um eine definierte und reproduzierbare Oberflächenform zu erreichen. Dies kann zum Beispiel mit Hilfe von Lasern durchgeführt werden. [3, 20]
Spezifische Adhäsion spielt zwar eine untergeordnete Rolle trägt aber trotzdem zur Festigkeit der Verbindung bei. Auch für deren Auftreten ist eine vergrößerte Oberfläche des Metalls begünstigend. Um dieser allerdings eine höhere Bedeutung zu zuordnen, gibt es zwei verschiedene Methoden, zum ersten die Oberflächenvorbehandlung beziehungsweise Oberflächenaktivierung. Dazu gehören:
- chemische Verfahren z.B. Beizen
- thermische Verfahren z.B. Vorbehandlung mit Brenner
- elektrische Verfahren z.B. Plasmavorbehandlung
Als zweite Variante ist es möglich einen Haftvermittler zu verwenden. Diese werden auch oft als Primer oder Grundierung bezeichnet. Sie können zu verschiedenen Stoffklassen gehören, welche das spezielle Funktionsprinzip bestimmen und werden je nach zu verbindender Stoffkombination ausgewählt. Für Metall und faserverstärkten Kunststoff handelt es sich dabei meist um Silane. Haftvermittler nutzen, wie in Abbildung 2.8, gelöste Moleküle mit verschiedenen funktionellen Gruppen an ihren Enden und bieten somit optimale Anbindungseigenschaften für beide zufügende Komponenten. Da sie einen sehr hohen Anteil an Lösungsmittel von bis über 90% haben, besitzen sie eine überaus hohe Fluidität, was dazu beiträgt, besser in die Feinheiten der Oberflächenrauheit zu fließen und somit möglichst viel Fläche zu benetzen. Auf Grund ihrer geringen Eigenfestigkeit müssen die Schichten so dünn wie möglich sein. 20
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.8: Funktionsprinzip Haftvermittler, angepasst nach 20
2.4 LICHT
Für den Menschen ist nur ein sehr enger Bereich des Spektrums elektromagnetischer Strahlung sichtbar. Die Eigenschaft von Körpern zur Reflexion, Transmission, Streuung und Emission dieser ermöglicht uns deren Wahrnehmung. Grundlegend können zwei Prozesse bei einer Energieniveauänderung des Elektrons stattfinden, wie in Abbildung 2.9 gezeigt. Zum einen eine Absorption, bei der Energie aufgenommen wird und das Elektron im Niveau anhebt und zum anderen eine Emission, bei der Energie in Form von Photonen abgegeben wird. 22
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.9: Elektronenniveauänderung, angepasst nach 23
2.4.1 Laser
Laser steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, zu Deutsch „LichtVerstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Der Begriff beschreibt sowohl den physikalischen Effekt sowie auch die Geräte, die diesen ausnutzen. Diese bestehen aus drei Grundbestandteilen: einem aktiven Medium, einer Pumpquelle und einem Resonator. Das Medium kann aus Feststoffen (z.B. Halbleiterkristalle), Flüssigkeiten (z.B. Farbstofflösungen) oder gasförmig Stoffen (z.B. CO2) bestehen. In dieses wird durch die Pumpe Energie in Form von Strom oder Licht eingeführt, um dort das Niveau der Elektronen anzuheben, was man auch als „pumpen“ bezeichnet. Danach wird Licht mit gleichen Eigenschaften wie das zu emittierende zugeführt, was eine stimulierte Emission, wie in Abbildung 2.9 dargestellt, auslöst. Das eingestrahlte Photon bewegt sich mit dem emittierten weiter und so wird eine Kettenreaktion ausgelöst. Dabei sorgt der Resonator, bei dem es sich um ein Spiegelsystem handelt, dafür dass die Photonen gleicher Energie und gleichen Impulses das Lasermedium nur an durch ein Glasfaserkabel verlassen. 23
Seit den 60er Jahren sind Laser ein immer größerer Bestandteil industrieller Produktionsprozesse. Der gesamte Anwendungsbereich für Laser erstreckt sich über 24:
- Medizin
- Informations- und Kommunikationstechnik
- Unterhaltungstechnik
- Messtechnik
- Materialbearbeitung
Laser werden allgemein nach ihrem Medium unterteilt, sowie in Dauerstrich- (auch „continuous-wave“) und Pulslaser, dieser erzeugt im Gegensatz zu ersterem frequentierende Strahlung 23.
2.4.1.1 Wechselwirkung von Laser und Werkstoff
Beim Auftreffen von Laserstrahlung auf eine Festkörperoberfläche finden drei grundlegende physikalische Prozesse statt. Zum einen wird ein Teil des Lichtes gestreut beziehungsweise reflektiert, zum anderen durchdringt ein Teil der Strahlung den Werkstoff, was allerdings dessen Transparenz voraussetzt, der Rest wird absorbiert. 24
Reflexion ist das Zurückwerfen von Wellen oder Strahlung an Grenzflächen. Dem liegt die Änderung des Brechungsindex zugrunde, dieser ist eine stoffspezifische Eigenschaft. Die Beschaffenheit der Oberfläche bestimmt dabei die Art und Weise wie die Reflexion stattfindet. Bei sehr glatten Oberflächen handelt es sich um eine gerichtete Reflexion. Bei raueren wird das Licht diffus gestreut. [3, 24]
Absorption bedeutet Aufnehmen und bezeichnet die Fähigkeit eines Stoffes, die Transmission von Wellen oder Strahlung abzuschwächen. Dies wird auch als direktes Einkoppeln bezeichnet. Da zum Beispiel Metalle keine Transparenz für Licht besitzen, wird der Anteil der nicht reflektiert wird aufgenommen und zunächst in thermische Energie umgewandelt. Der Absorptionsgrad stellt also direkt den Wirkungsgrad bei einer Laserbearbeitung dar 3. Dieser gehört zu den werkstoffspezifischen Eigenschaften und ist in Abhängigkeit zur Wellenlänge in Abbildung 2.10 für verschiedene Materialien dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.10: Absorptionsspektren verschiedener Werkstoffe nach [25]
2.4.1.2 Laserbearbeitung
Der Laser als Werkzeug hat ein breites Spektrum an Vorteilen:
- Sehr kleine Wärmeeinflusszone mit großer Leistungsdichte
- Kurze Bearbeitungszeiten
- Kein Werkzeugverschleiß
- Hohe Flexibilität bei der zu bearbeitenden Form
- Hoher Prozesswirkungsgrad
Daraus ergeben sich die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten in der Laserbearbeitung:
- Materialeigenschaftsändernde Verfahren (z.B. Härten)
- Trennende Verfahren (z.B. Strukturieren)
- Fügende Verfahren (z.B. Schweißen)
- Auftragende und generierende Verfahren
Für die verschiedenen Verfahren ist in Abbildung 2.11 der benötigte Energieeintrag dargestellt, welcher sich aus Intensität des Laserstrahls und Bestrahlung beziehungsweise Einwirkdauer zusammensetzt. 24
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.11: Intensität und Einwirkdauer für ausgewählte Verfahren nach 26
Abtragen und Strukturieren
Dies ist sehr verbreitet in der Mikrobearbeitung, da Aufwand und Nutzen im Gegensatz zu zerspanenden oder lithografischen Alternativen im besseren Verhältnis stehen. Strukturieren definiert sich als Abtragen einer sich periodisch wiederholenden Geometrie 24. Der Prozess läuft in drei Phasen ab 27:
1. Phase:
- Reflexion und Absorption der Laserstrahlung im oberflächennahen Bereich
- relativ geringe Eindringtiefe der Photonen
2. Phase:
- Ausbildung einer Flächenwärmequelle
- Temperaturerhöhung und Wärmeleitung in tiefere Werkstoffzonen
- Phasenumwandlung (flüssig, dampfförmig)
3. Phase
- Verlagerung der Schmelz- bzw. Verdampfungszone von der Oberflache in tiefere Bereiche
- stetiger Auswurf oder Austreiben des flüssigen bzw. dampfförmigen Materials.
Um die benötigte Energie für die Phasenumwandlung zu erreichen, wird eine hohe Intensität verwendet. Dabei wird die Einwirkdauer kurz gehalten, um sich nicht zu tief oder ganz durch das Material zu arbeiten (siehe Abbildung 2.11). 24
2.4.2 Infrarot Strahlung
Das spontane Emittieren von Photonen folgt, wie in Abbildung 2.9 zu sehen, aus einem Energieausgleich nach einem Niveauabfall zuvor angeregter Elektronen. Die dabei ausgeglichene Differenz bestimmt die Energie der ausgesendeten Strahlung 22. Eine sichtbare Emission findet allerdings erst bei einer Anregungsenergie von 900 K statt. In Abbildung 2.12 ist das Spektrum elektromagnetischer Strahlung abgebildet, wobei sich der sichtbare Teil von 0,38 pm bis 0,78 pm erstreckt. Am oberen roten Ende des visuellen Bereichs beginnt der infrarot Anteil des Spektrums, auch als Wärmestrahlung bezeichnet, welcher sich bis 100 pm erstreckt und danach in Radiowellen übergeht. Dieser sehr große Abschnitt wird nochmal, bezogen auf Grenzen technischer Lösungsvarianten, in nahes Infrarot (bis 3 pm), Mittleres Infrarot (3 bis 7 pm), langwelliges Infrarot (7 bis 14 pm) und fernes Infrarot (14 bis 100 pm) unterteilt. Letzterer Bereich besitzt für die Wärmebildtechnik eine untergeordnete Rolle 28.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2.12: Elektromagnetisches Spektrum, erstellt nach 28
Die Infrarotthermografie ist ein bildverarbeitendes Analyseverfahren und somit eine berührungslose Temperaturmessung. Es ermöglicht die Wahrnehmung des sonst unsichtbaren infraroten Lichtes, indem das Verfahren dessen Intensität in Bereiche des sichtbaren Spektrums übersetzt. Mit Hilfe von Thermokameras kann die Temperaturverteilung in allen möglichen Objekten dargestellt werden. Die sogenannte Wärmebildtechnik findet zum Beispiel Anwendung als Diagnoseverfahren in der Medizin, in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, im Bauwesen, im Umweltschutz und im Militärbereich. [24, 28]
[...]
- Arbeit zitieren
- Paul Hantsche (Autor:in), 2017, Thermisches Direktfügen. Untersuchung zum laserinduzierten thermischen Direktfügen von Metall-Organoblech-Hybridverbindungen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1168340
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