„Kalt“ warmhärtende Klebstoffe für Kameras und Sensoren

Chancen für Kunststoff

Anzeige
Immer mehr Ausstattungsele-mente werden im Fahrzeug verbaut und aus einem Materialmix hergestellt, um klein und leicht zu sein. Meist ist Kleben die Fügetechnik, die alle nötigen Anforderungen erfüllt. Allerdings härten die alterungsbeständigsten Klebstoffsysteme oft erst bei Temperaturen, die einige Kunststoffe nicht mehr aushalten. Eine Alternative sind Klebstoffe auf Basis modifizierter Polycarbaminsäurederivaten.

Der Autor Dr.-Ing. Ralf Hose ist Leiter Schulungen und Seminare bei Delo Industrie Klebstoffe, Windach

Auch wenn der größte Werkstoffanteil im Automobil nach wie vor verschiedenste Stahllegierungen sind, kommen immer mehr leichtere Kunststoffe zum Einsatz: Hatte ein BMW 501 in den 50er Jahren noch einen Kunststoffanteil von 1 %, so hatte ein 3er BMW in den 70ern schon 6 %, während im 3er 2005 ein Kunststoffanteil von 23 % verbaut war.
Herstellerübergreifend hat sich in den letzten 30 Jahren der Kunststoffanteil im Auto laut Verband der Chemischen Industrie (VCI) verdreifacht. Dies spart in Bezug auf alle deutschen Fahrzeuge jährlich 500 Mio. l Treibstoff ein, was wiederum den Ausstoß von CO2 und Treibhausgasen deutlich reduziert hat.
Schwierige Umgebungsbedingungen
Die Herausforderung des Fügens mit Klebstoff besteht in den teils schwer verklebbaren Materialien, aber auch in den besonders schwierigen Umgebungsbedingungen, die auf die Verklebungen im Fahrzeug einwirken – je nach Ort der Klebung können Temperaturen bis 150 °C auftreten. Hinzu kommen Öle, Treibstoffe und Salzlösungen – ganz abgesehen von den Witterungsbedingungen je nach Einsatzort. Der Klebstoff muss unter diesen Bedingungen neben einer guten Beständigkeit des Bulkmate- rials auch eine hervorragende Anbindung an die Materialien aufweisen, sonst ist ein vorzeitiges Versagen der Verbindung vorprogrammiert.
Die Klebsysteme für strukturelle Klebungen, die solche Bedingungen am besten überstehen, sind warmhärtende Epoxidharze, die auch im Karosserierohbau für den Aufbau der tragenden Strukturen verwendet werden. Außer den hohen Beständigkeiten bietet die Warmhärtung den Vorteil eines über die Temperatur steuerbaren Aushärteprozess. Allerdings benötigen solche Systeme üblicherweise Temperaturen zwischen 100° und 200 °C zum Aushärten, wobei die Grenze von 100 °C oft ein im Vergleich zu höheren Temperaturen schwächeres chemisches Netzwerk des Klebstoffs ausbildet. Da zudem die Aushärtezeiten mit geringerer Temperatur deutlich steigen, kann ein System, das bei 180 °C in 15 min aushärtet, bei 130 °C schon bis zu 2 h benötigen. Abgesehen von der Energie die man zur Aushärtung benötigt, müssen die zu verklebenden Substrate auch diese Temperaturen verkraften. Zudem werden beispielsweise in der Fertigung von Spritzgussteilen dadurch höhere Temperaturen benötigt, was wiederum Kosten und Energieverbrauch akkumuliert.
Schnelle Prozesse trotz Niedertemperaturhärtung
Hier kommen modifizierte Polycarbaminsäurederivate (kurz mCD) ins Spiel: Sie besitzen die Vorteile der Warmhärtung, härten jedoch bei geringeren Temperaturen bis hinunter zu 80 °C aus und reagieren bei der Aushärtung deutlich weniger exotherm als ein herkömmliches Epoxidharz. Selbst bei 80 °C liegen typische Ofenaushärtungszeiten bei 30 min. Grundsätzlich gibt es aber mit dem Heatpulse-Prozess oder der Dualhärtung zwei Möglichkeiten einen noch viel schnelleren Prozess zu gene- rieren.
Ist in einer Anwendung ein temperaturstabiles mit einem temperaturempfindlichen Bauteil zu verkleben, kann die Aushärtung schnell durch den sogenannten Heatpulse Prozess erfolgen.
Dabei wird das temperaturunempfindliche Bauteil stark erwärmt und auf das mit Klebstoff
beaufschlagte temperaturempfindliche Bauteil aufgelegt. Die Prozessparameter sind dabei wie folgt zu optimieren: Für eine möglichst schnelle Aushärtung muss die Temperatur des aufgeheizten Bauteils möglichst hoch sein – allerdings nicht so hoch, dass die Wärme, die über Konvektion durch den Klebstoff am temperaturempfindlichen Bauteil ankommt, dieses zugleich schädigt. Die notwendige Minimaltemperatur, damit die Klebung vollständig aushärtet, muss so eingestellt sein, dass die Grenz- fläche zum temperaturempfindlichen Bauteil 85 °C erreicht.
Dass die am Klebstoff anliegende Temperatur in einem weiten Bereich kaum einen Einfluss auf die Endfestigkeit der Klebung hat, zeigen Versuchsklebungen an Chips. In diesem Test werden Chips (Kantenlänge 1 mm), mit einem mCD-Klebstoff auf Folie geklebt. Für eine schnelle Wärmeeinbringung geschieht diese über beheizte Stempel (Thermoden). Die Verklebungen wurden 6 s mit 80°, 100° oder 150 °C beaufschlagt. Eine kurzfristige Warmaktivierung reicht aus, um die vollständige Aushärtung zu erzielen. Die Temperatur entscheidet in dem gezeigten Bereich nur, wie schnell eine Anfangsfestigkeit erzielt wird und nicht über die Höhe der Endfestigkeit.
Zudem wurde die Eignung einiger Materialkombinationen für den Heatpulse-Prozess getestet. Dabei wurden die Bauteile auf Temperatur aufgeheizt und dann auf das mit Klebstoff beaufschlagte Material bei Raumtemperatur gefügt. Die Bauteile bestehen aus 20 mm x 20 mm x 5 mm großen Plättchen, die einschnittig 5 mm überlappt verklebt werden. Festigkeiten werden anschließend im Druckscherversuch ermittelt. Die Handlingfestigkeit kann nach wenigen Sekunden erreicht werden. Die Tests ergaben, dass die Grenzen entweder bei zu empfindlichen Kunststoffen (das verwendete PVC besitzt eine Glasübergangstemperatur von 70 °C) liegen, oder bei Fügeteilen, die dem Klebstoff die Wärme zu schnell entziehen. Handelt es sich um zwei temperaturempfindliche Bauteile, so kann durch dualhärtende mCD-Lösungen eine kurze Fixierzeit und damit eine kurze Taktzeit im Prozess erreicht werden. Diese Systeme sind einige hundert Mikrometer tief mit UVA-Strahlung in wenigen Sekunden aushärtbar. Die restliche Schichtdicke oder Klebstoff in Schattenzonen kann dann beispielsweise in einem Durchlaufofen ausgehärtet werden. Der Vorteil liegt darin, dass nach der Lichthärtung die Bauteile schon fixiert sind und keine weiteren Fixiermittel benötigt werden.
Anwendungen im Automobil
Auch bei der Verklebung von Kameras, die das Parken erleichtern sollen, werden Linsenträger mit Klebstoff fixiert. Die Bauteile sind im Außenbereich des Kraftfahrzeuges angebracht und damit frei bewittert. Sie müssen also gegen schwankende Temperaturen durch Tag- und Nacht-Wechsel beziehungsweise Sommer und Winter sowie Feuchtigkeiten je nach Wetterlage beständig sein. Die kritischste Belastung jedoch sind Streusalze, die von der Straße aufgewirbelt werden und alternd auf die Fügung einwirken können. Zudem müssen bei größeren Bauteilen auch höhere Kräfte übertragen werden, um die Dichtigkeit über die Lebensdauer zu gewährleisten. Daraus ergeben sich als Anforderung an die Klebverbindung nicht nur eine gute Beständigkeit, sondern auch hohe mögliche Abzugskräfte, die auch bei Temperaturen um 80 °C nicht zu stark abfallen. Zudem sind ein geringes Ausgasungsverhalten sowie ein geringer Schrumpf entscheidend, um die Funktion der Optik nicht negativ zu beeinflussen.
Mit dieser Anwendung sind dualhärtende mCD-Systeme erstmals im Automobil zum Einsatz gekommen. Auch im Bereich temperaturempfindlicher Kunststoffgehäuse für elektronische Bauteile ist ein Anwendungsfeld für diese Klebstoffe zu sehen. Sensoren im Kraftfahrzeug können an den unterschiedlichsten Stellen liegen und damit diversen Alterungsbedingungen ausgesetzt sein. Die Herstellung erfolgt zumeist in großen Serien, so dass die schnellen Fixierfestigkeiten in Verbindung mit den guten Beständigkeiten benötigt werden.
Grenzen der neuen Klebstoffsysteme bestehen bei Metallverklebungen. Metalle lassen sich zwar prinzipiell gut mit mCDs verkleben. Allerdings sind diese Verklebungen in Verbindung mit Feuchtigkeit anfällig gegenüber Unterwanderungskorrosion. Optimierte Produkte sind zurzeit in der Entwicklung.
Ein weiterer Punkt ist die korrekte Lagerung. Eine Temperatur von -18 °C ist einzuhalten, um Lagerstabilität zu gewährleisten. Die Stabilität bei Raumtemperatur ist mit 72 h dennoch deutlich besser als bei vorgemischten 2K-Epoxidharzsystemen, die gefroren gelagert werden und nach dem Wiederauftauen aushärten.
Delo; Telefon: 08193 9900-212; E-Mail: jennifer.bader@delo.de
Anzeige

Aktuelle Ausgabe

Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Whitepaper aller unserer Industrieseiten

Video-Tipps

Unser aktueller Video-Tipp: 100 Jahre BMW

Weiterbildung

Weiterbildungsangebote für den Konstruktions- und Entwicklungsingenieur

Anzeige
Anzeige

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de