Verklebung von Leichtbaukomponenten im Exterieurbereich

Dr.-Ing. Benjamin Kraemer, Sika Automotive GmbH, Hamburg, Germany

Der automobile Leichtbau ist beständig auf der Suche nach richtungsweisenden Möglichkeiten zur Gewichtseinsparung. Dies beinhaltet die Verwendung eines breiten Spektrums an Kunststoffen für den konstant wachsenden Anteil an Hang-on-Parts, wie Türen, Spoiler und Stoßfänger und im Besonderen Motorhauben und Heckklappen.

Letzteres steht für einen großen Anteil am Fahrzeuggewicht, trägt aber auch wesentlich zur Festigkeit und Steifigkeit der Fahrzeugstruktur bei. Gewichtseinsparungen von 25-30 % – somit auch ähnliche Einsparungen der CO2 Emissionen – können durch Substitution der Metalle durch Kunststoff erreicht werden.

Derzeit basieren diverse Konzepte hauptsächlich auf Thermoplasten und Duroplasten, einige verwenden faserverstärkte Komponenten oder Kunststoff-basierende Lösungen, die Metallkomponenten enthalten, um die Festigkeit und Steifigkeit zu erhöhen.

Jedoch führt ein Materialmix zu technologiebezogenen Herausforderungen. In allen Fällen bietet die Klebstofftechnologie bewährte, dauerhafte Verbindungslösungen, die nicht nur die Festigkeit der Verklebung verbessern, sondern auch die allgemeine Festigkeit der Komponenten erhöht und das trägt zur Steifigkeit und Festigkeit des Fahrzeugs bei.

 

Grafiken-de-1Illustration 1: Beispiel für Exterieuranwendungen die von der Verklebung profitieren

Illustration 1 zeigt welche Exterieurteile mit Klebstoffen verbunden werden können. Die Wahl des Klebstoffs wird durch viele Faktoren beeinflusst; z. B. Flexibilität oder Festigkeit, Prozessparameter wie Zykluszeiten und Lagerkapazitäten für Zwischenpufferung.

In den meisten Fällen führen all diese Vorgaben zu einem Kompromiss, auch um die Kostenanforderungen zu erfüllen.

Drei verschiedene Verklebungstechnologien mit den entsprechenden Vorteilen und Einschränkungen werden im Folgenden beschrieben. Üblicherweise werden Exterieurkomponenten aus mindestens zwei Halbschalen, die aus unterschiedlichen (Kunststoff-) Materialien hergestellt wurden, verbunden: ein Strukturbauteil für die Formgebung, manchmal faserverstärkt, und ein lackiertes Class A-konformes Oberflächenelement. Verschiedene Verklebungskonzepte stehen zur Auswahl, welche in Illustration 2 zusammengefasst sind.
 

Grafiken-de-2Illustration 2: Überblick der verschiedenen Verklebungstechnologien für Hang-on Parts


Hot Melts: Hot Melts werden üblicherweise bei Temperaturen deutlich über 100 °C aufgetragen. Dies ist einer der grundlegenden Vorteile dieser Technologie: durch das Abkühlen des erhitzten Klebstoffs wird dieser wieder fest. Dies gewährleistet kurze Zykluszeiten und schnelle Bildung der Rohfestigkeit. Dennoch benötigen Hot Melts Feuchtigkeit, die üblicherweise von der Umgebungsluft kommt, um vollständig zu vernetzen. Mit dem richtigen Equipment ist der Auftragsprozess von Hot Melts vergleichsweise einfach und kann zuverlässig in den Herstellungsprozess eingefügt werden. Zudem erreichen Hot Melts hohe Festigkeiten da die Adhäsion zu den verklebenden Teilen entsprechend gesichert ist.

Wenn die Klebeverbindung erst einmal gemacht wurde kann die Luftfeuchtigkeit nur noch sehr langsam von außen in die Klebschicht eindringen. Eine Lösung ist das Befeuchten der Oberfläche während des Klebstoffauftrags. Die Verwendung von Hot Melts ist daher eine kostengünstige Möglichkeit große Stückzahlen von Teilen mit einfacher Geometrie in kurzen Zykluszeiten zu produzieren.

1K PU + Booster: Die zweite Möglichkeit ist die Verwendung von 1-komponentigen PU Klebern. Diese Klebstoffe erfordern ebenfalls (Luft-)Feuchtigkeit um ein festes Netzwerk zu bilden, aber diese Feuchtigkeit kann auch in das Klebstoffsystem durch Zugabe einer Boosterkomponente eingebaut werden, um den Vernetzungsvorgang zu beschleunigen und das System von Luftfeuchtigkeit unabhängig zu gestalten.

Dies führt zu einer deutlich schnelleren Vernetzung von einigen Stunden im Vergleich zu ein paar Tagen. Die Kohäsion des Klebers bildet im Allgemeinen ausreichende Festigkeit, um die Teile gleich nach dem Haftmittelauftrag zu handhaben. Die Haftung zu den verklebten Teilen ist generell gewährleistet durch den Auftrag eines Aktivators oder Primers, der auf den Klebstoff zugeschnitten ist.

Diese Art der Verklebung mit einem geboosterten 1K System kann für alle Exterieurteile, inklusive jener mit komplexer Geometrie angewandt werden und eignen sich vorzugsweise für Haftsubstrate die nicht für Spannungsrisse anfällig sind.

2K PU: Diese Klebstoffe vernetzen durch Vermischung zweier Komponenten, die zuvor ausgemessen und in einem vorgegebenen Verhältnis in sehr engen Grenzen vermischt werden. Dies erfordert Präzisionsmaschinen mit systematischer Prozesskontrolle. Allerdings kann mit diesen Systemen ein breites Spektrum von Festigkeit und Dehnung abgedeckt werden und die Reaktionskinetik der Haftmitteleigenschaften lässt sich je nach Prozessanforderungen einstellen. Außerdem können sie durch Wärmezufuhr bis 100 °C (Ofen, IR, beheizte Werkzeuge, usw.) noch beschleunigt werden. Mit Hilfe der Wärmezugabe können Zykluszeiten von wenigen Minuten pro Werkzeug erreicht werden. Ein weiterer Vorteil von 2K PU-Systemen ist ihre Fähigkeit auf vielen unterschiedlichen Substraten, ohne chemische Vorbehandlung (Primer oder Aktivatoren) zu haften.

Diese Verklebungsmethode eignet sich besonders für Anwendungen in denen es darauf ankommt, dass der Klebstoff keine Abzeichnungen verursacht, inklusive hochkomplexer Bauteile. Auch extreme Anforderungen an mechanischer Festigkeit und Dauerhaltbarkeit können erfüllt werden.

Es gibt gute Gründe für den Einsatz jedes dieser Systeme. Die Anforderungen, um die Spezifikationen in Bezug auf Klebeverbindung sowie Verarbeitungsprozess zu erfüllen, sollten im Vorwege eingehend geprüft werden, um das richtige System zu wählen.

banner_fixed
banner_default