PORTFOLIO

Klebstoffe kommen in modernen Produktionen immer häufiger zum Einsatz. Für die Montage von Kunststoffbauteilen beim Endkunden wünscht dieser zumeist ein mit Klebstoff ausgerüstetes Bauteil, damit er selbst nicht den Investitions- und Logistikaufwand für den Klebstoffauftrag leisten muss. Eine weitere Wunschforderung ist das Kleben „on demand“, d.h. der Klebstoff soll ab der Montage kleben, und für eine Demontage „abgeschaltet“ werden können. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden heute vorwiegend doppelseitige Klebebänder eingesetzt.
Das Projekt geht einen neuartigen Weg über das Mehrkomponentenspritzgiessen und integriert den Klebstoff direkt in das eigentliche Bauteil, wobei der Klebstoff erst in einem elektromagnetischen Wechselfeld seine Klebefähigkeit erlangt und sich vorher wie ein „normaler“ Kunststoff verhält. Hierzu werden Schmelzklebstoffe eingesetzt, die entweder mit Metallpartikeln gefüllt sind oder mit denen Metalleinlegeteile umspritzt werden.
Im Rahmen des Projektes wurde grundlegendes Know-how über das Werkstoffverhalten, das Verarbeitungsverhalten der Polymere im Spritzgiessprozess und im Fügeprozess erarbeitet und die Zusammenhänge zwischen den Prozessen analysiert. Dieses Wissen und die Darstellung anhand einfacher Demonstratoren erlauben einen grundlegenden Technologietransfer in die Industrieunternehmen.

In dem vorliegenden Projekt wird ein neuartiger Weg in der Verbindungstechnologie durch die Kombination der Verfahren Mehrkomponentenspritzgiessen und Fügen mit Hochfrequenzerwärmung beschritten. Durch die Erarbeitung von Richtlinien über grundsätzliches Prozess- und Werkstoff-Know-how und die Herstellung von Prototypen wird ein Technologietransfer in die Industrie sichergestellt, wobei die grundlegenden Ergebnisse des Projektes in verschiedensten Branchen, wie z.B. Elektro-, Elektronik oder Automobilindustrie, eingesetzt werden können. Das Projekt fügt sich nahtlos in die Aktivitäten des Instituts für Werkstofftechnik und Kunststoffverarbeitung (IWK) im Bereich Produktauslegung und Prozesstechnik ein und stärkt den Mittelbau des Instituts.

Voruntersuchungen zeigten, dass sich ein mit Nano-Ferrit-Partikeln angereichertes Polyamid zwar in einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld aufschmelzen lässt, dabei jedoch einige Schwierigkeiten auftauchen, welche sich in einer starken Blasenbildung und einem sehr hohen Energieaufwand zum Aufschmelzen des Polyamids äussern. Für den weiteren Projektverlauf wurden darum niedrigschmelzende Schmelzklebstoffe als Matrixkomponenten gewählt und die Partikelgrösse der Füllstoffe neben den Nanopartikeln, auf metallische Pulver, Fasern, Folien und Einlegeteile erweitert.
Als eine für Spritzgiess-, Füge- und Trennversuche sehr gut geeignete Testgeometrie wurde eine Onsertgeometrie gewählt und in einem Spritzgiesswerkzeug umgesetzt. Für eine prozesssichere Verarbeitung des Schmelzklebstoffs im Spritzgiessprozess wurde eine spezielle Beschichtung der Werkzeugoberflächen evaluiert.
Aus Schmelzklebstoff und verschiedenen metallischen Nanopartikel-, Pulver- und Faserfüllstoffen wurden entsprechende Compounds hergestellt. Zudem wurden verschiedene metallische Einlegeteile und Substrate ausgewählt.
Hiervon wurde zunächst das Aufwärmverhalten analysiert und damit erwiesen, dass das Aufschmelzen der Klebstoffschicht mittels Induktion funktioniert. Bei den Nanopartikeln wie auch bei den anderen gefüllten Werkstoffen zeigte sich ein hoher Energiebedarf, welcher in die kleinen Füllstoffpartikel nur über Hochfrequenz eingebracht werden kann. Die mit Eisenfasern gefüllten Compounds lieferten dabei die besten Ergebnisse. Bei den metallischen Einlegeteilen und Substraten reichte Mittelfrequenz für die Erwärmung aus, was wirtschaftlich interessanter ist. Hier hat sich Aluminium als bevorzugtes Material herausgestellt.
Mit den konstruierten Werkzeugeinsätzen wurden im Spritzgiessen aus verschiedenen Kunststoffen Onserts hergestellt, auf die anschliessend als zweite Komponente die mit Füllstoffen gefüllten Schmelzklebstoffe bzw. bei integrierten Einlegeteilen der reine Schmelzklebstoff aufgespritzt wurde. Alle Spritzgiessversuche mit nanopartikel-, metallpulver- und metallfasergefüllten Schmelzklebstoffen sowie mit und ohne metallischen Einlegeteilen verliefen erfolgreich.
Die so hergestellten Onsertvarianten wurden auf unterschiedliche Substrate aus Metall, Kunststoff, GFK und CFK gefügt. Ergänzend wurden metallische Substrate mit Haftvermittlern hinzugenommen, auf die die Onserts direkt gefügt werden konnten. Es wurden verschiedene Untersuchungen zum Fügeverhalten durchgeführt und die Abhängigkeit von den Fügeparametern Leistung und Frequenz erarbeitet.
In anschliessenden Zugversuchen wurde die jeweilige Haftkraft gemessen. Die verschiedenen Materialkombinationen zeigten deutliche Unterschiede in den Resultaten, jedoch auch, dass die erarbeitete Fügetechnik durchaus eine Alternative zu anderen Fügeverfahren darstellt.
Abschliessend wurde ermittelt, inwiefern sich die aufgeklebten Onserts durch Wärmezufuhr wieder demontieren lassen. Grundsätzlich war dies gut möglich, teilweise blieb aber ein Schmelzklebstofffilm auf dem Substrat zurück.
Die zugehörigen Meilensteine in Form von Richtlinien für die Bauteilgestaltung, Prozessführung beim Spritzgiessen und Fügen konnten erarbeitet werden. Die Machbarkeitsstudie bietet damit eine sehr gute Grundlage, um die entwickelte Fügetechnik in Folgeprojekten mit Firmenpartnern industriell umzusetzen.

Ehrig, F., Gschwend, F.: Kleben on demand. Kunststoffberater (2010) 7/8 (Publikation ist in Bearbeitung und wird in der genannten Ausgabe erscheinen)
Ehrig, F., Gschwend, F.: Kleben on demand - Machbarkeitsstudie über die Herstellung von Bauteilen mit integrierter Klebefunktion. SwissPlastics 31(2009)06, S.14-17
Kurzbeitrag im IWK-Newsletter Nr. 01/09, April 2009

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