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DE10024706A1 - Verfahren zur Herstellung einer geklebten Verbundstruktur - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer geklebten Verbundstruktur

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DE10024706A1
DE10024706A1 DE10024706A DE10024706A DE10024706A1 DE 10024706 A1 DE10024706 A1 DE 10024706A1 DE 10024706 A DE10024706 A DE 10024706A DE 10024706 A DE10024706 A DE 10024706A DE 10024706 A1 DE10024706 A1 DE 10024706A1
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adhesive
radiation
adhesive layer
layer
aggregate
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DE10024706A
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Kai K O Baer
Rainer Gaus
Thorsten Huelsmann
Rolf Wirth
Georg Fleck
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Advanced Photonics Technologies AG
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Publication date
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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer geklebten Verbundstruktur, insbesondere einer oberflächenmontierten Außenhaut- oder Tragstruktur im Fahrzeug-, Flugzeug- oder Schiffbau, aus einem metallischen ersten Teil und einem zweiten Teil, das über eine Schicht oder ein Aggregat aus einem thermisch aktivierten Klebstoff mit dem ersten Teil verbunden wird, wobei der Klebstoff und/oder angrenzende Bereiche des ersten und zweiten Teiles kurzzeitig intensiver elektromagnetischer Strahlung mit einem Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot mit lambda = 0,8 bis 1,5 mum ausgesetzt werden, derart, daß eine mindestens zur im wesentlichen sofortigen Erzielung von Handling-Festigkeit im gefügten Zustand ausreichende Aktivierung des Klebstoffs erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer geklebten Verbundstruktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Kleben hat sich als einfache, kostengünstige und zuver­ lässige Verbindungstechnik unzählige Anwendungsgebiete auf verschiedensten Gebieten der Technik erschlossen. Seit eini­ gen Jahren werden im großen Maßstab auch Metallteile mitein­ ander oder mit Teilen aus anderen Materialien verklebt, bei­ spielsweise in der Automobil- und Flugzeugproduktion.
Zu diesem Zweck kommen üblicherweise thermisch aktivierbare Klebstoffe, sogenannte Heiß- oder Schmelzkleber ("Hotmelts") zum Einsatz. Es handelt sich hierbei um Ein- oder Zweikompo­ nentensysteme, mit denen sich hohe Endfestigkeiten von mehr als 5 MPa zu günstigen Kosten und mit einfachen und leicht automatisierbaren technologischen Abläufen erzielen lassen.
Ein Problem dieser Klebstoffe besteht allerdings darin, daß sie bei Temperaturen oberhalb von 140 bis 180°C aktiviert werden müssen, um mindestens die sogenannte Handling-Festig­ keit (die im Automobilbau bei 1 MPa liegt) bzw. die soge­ nannte Auswaschfestigkeit, d. h. die Beständigkeit gegenüber Einwirkung von Wasser oder Lösungsmitteln, zu erreichen. Um diese Festigkeiten zu erzielen, werden die gefügten Teile mindestens kurzzeitig in geeigneten Öfen erhitzt. Für vo­ luminöse Teile, wie etwa vollständige Autokarosserien, han­ delt es sich dabei um einen höchst aufwendigen Schritt - sowohl was die Bereitstellung der entsprechenden Öfen als auch die Prozeßdauer und den logistischen Aufwand angeht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein unaufwen­ diges, leicht an verschiedene Anwendungssituationen anpaßba­ res und vorteilhaft in vorgeprägte technologische Abläufe einfügbares Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken ein, die zu einer mindestens teilweisen thermischen Aktivierung des Kleb­ stoffs erforderlichen Temperaturen zumindest primär im Inne­ ren der Klebstoffschicht bzw. des Klebstoffaggregates zu er­ zeugen. Hierdurch wird dem Problem der sehr niedrigen Wärme­ leitfähigkeit der erwähnten Klebstoffe, die eine Durchwärmung des Klebstoffvolumens von den Umgebungsflächen her sehr er­ schwert, auf unkonventionelle Weise begegnet. Weiter schließt die Erfindung den Gedanken ein, hierzu energiereiche elektro­ magnetische Strahlung zu verwenden, für die die verwendeten Klebstoffe vergleichsweise transparent sind, so daß die Strahlung gut in das Innere des Klebstoffs eindringen kann. Nach den Untersuchungen der Erfinder gilt dies insbesondere für Strahlung im Bereich des nahen Infrarots (NIR), also mit einer Wellenlänge zwischen 0,8 und 1,5 µm.
Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, unmittelbar an­ grenzende Bereiche der zu fügenden Teile mit dieser Strahlung (NIR-Strahlung) und über diese Teile schließlich den Kleb­ stoff selbst zu erwärmen. Für viele Anwendungen besonders bevorzugt ist eine Kombination aus der zuerst erwähnten direkten ("internen") und der zuletzt erwähnten indirekten ("externen") Erwärmung.
Bei direkter Bestrahlung der Klebstoffschichten bzw. -aggre­ gate wird bevorzugt mit einer Leistungsdichte im Bereich zwischen 50 und 500 kW/m2, insbesondere zwischen 100 und 200 kW/m2, gearbeitet. Handelt es sich bei den angrenzenden Bereichen der zu fügenden Teile um Metallflächen, so ist der Einsatz einer höheren Leistungsdichte im Bereich zwischen 500 kW/m2 und 2 MW/m2, insbesondere zwischen 750 kW/m2 und 1,5 MW/m2, zu bevorzugen.
Die Dauer der Bestrahlung liegt in Abhängigkeit von den Di­ mensionen, insbesondere der Dicke der Klebstoffschicht bzw. des Klebstoffaggregats im Bereich zwischen 0,5 und 30 s, ins­ besondere zwischen 2 und 10 s. Diese Werte gelten für Kleb­ stoff-Schichtdicken im Bereich zwischen 2 und 10 mm bzw. lo­ kalisierte Klebstoffaggregate bis zu ca. 10 mm Durchmesser bzw. Kantenlänge.
Zur Erzeugung der NIR-Strahlung werden in besonders einfacher und kostengünstiger Weise weitgehend konventionelle Halogen­ lampen eingesetzt, die zur Einstellung des gewünschten Strah­ lungsspektrums insbesondere mit erhöhter Betriebstemperatur betrieben werden. In Abstimmung auf die Geometrie der zu be­ handelnden Klebstoffschicht werden Flächen- oder Linien- oder Punktstrahler oder eine Kombination aus solchen eingesetzt. Eine Fokussierung der Strahlung wird hier durch geeignet ge­ krümmte Reflektoren erreicht. Zweckmäßigerweise wird jeweils für eine bestimmte Anwendung eine der Geometrie der zu fügen­ den Teile und der Klebstoffschichten- bzw. aggregate ange­ paßte Gesamt-Bestrahlungsgeometrie entworfen und ausgeführt.
Die spektrale Zusammensetzung der Strahlung entspricht (wie oben bereits erwähnt) grundsätzlich in vorteilhafter Weise dem Anwendungszweck, sie ist aber insbesondere durch Änderung der Betriebstemperatur der Halogenlampe(n) oder auch durch Einsatz von Filtern auf die spezifischen Absorptionseigen­ schaften des eingesetzten Klebstoffs - und wahlweise zusätz­ lich auf die Absorptionseigenschaften eines gegebenenfalls von der Strahlung teilweise durchdrungenen angrenzenden Tei­ les - einstellbar. Das Ziel besteht hierbei darin, eine im wesentlichen gleichmäßige Durchwärmung der Klebstoffschicht bzw. des Klebstoffaggregates in kürzester Zeit zu erreichen.
Für viele Anwendungen ist eine solche NIR-Strahlungsbehand­ lung des Klebstoffs ausreichend, daß lediglich die benötigte Handling-Festigkeit bzw. die Auswaschfestigkeit, nicht aber die geforderte Endfestigkeit der Verbindung durch diese Be­ handlung erreicht wird. Beispielsweise bei der Herstellung von Kraftfahrzeugkarosserien kann die Endfestigkeit in güns­ tiger Weise im Rahmen der thermischen Behandlung des gesamten Fahrzeugs zur Trocknung des Lacks erzeugt werden. Das vor­ geschlagene Verfahren kann daher mit sehr kurzen Prozeßdauern auskommen.
Dies ermöglicht insbesondere auch eine abtastende Behandlung von langgestreckten Klebstoffspuren, wie sie beispielsweise längs größerer Karosserieteile vorkommen. Dabei wird die Be­ strahlungseinrichtung insbesondere koordinatengesteuert dem Verlauf der Klebstoffspur nachgeführt oder umgekehrt der vor­ gefügte Verbund aus dem ersten und zweiten Teil gesteuert an der Bestrahlungseinrichtung entlanggeführt.
Die thermische Effizienz des Verfahrens kann erhöht und die Behandlungsdauer damit nochmals verkürzt werden, indem min­ destens eines der zu fügenden Teile in dem den Klebstoffauf­ trag benachbarten Bereich vorgewärmt und somit der Wärmeab­ fluß während der NIR-Bestrahlung verringert wird.
Bei der Verbindung von zwei Metallteilen miteinander (bei­ spielsweise zweier Karosserieteile oder eines Karosserie- und eines Fahrgestellteiles eines Kraftfahrzeuges) ergibt sich eine besonders vorteilhafte Verfahrensführung, wenn die bei­ den Teile einander längs einer vorgesehenen Verbindungslinie nicht vollständig überlappen und angrenzend an den freiblei­ benden Bereich eine Klebstoffspur oder Klebstoffaggregate oder Abschnitte einer ausgedehnteren Klebstoffschicht vorge­ sehen sind, die vom freibleibenden Bereich aus sichtbar bzw. zugänglich sind. Auf diese Klebezonen wird die Strahlung nach dem Zusammenfügen der Teile ausgerichtet, um dort eine Akti­ vierung und die Bildung von die Handling- bzw. Auswaschfes­ tigkeit begründenden Verbindungsabschnitten zu bewirken.
Sowohl hierbei als auch in Ausführungen, bei denen nur eines der zu fügenden Teile aus Metall besteht, ist weiterhin eine Verfahrensführung von Vorteil, bei der eine Reflexion eines Teils der NIR-Strahlung durch eine an die Klebstoffschicht angrenzende metallische Oberfläche bewirkt und zur Vergrö­ ßerung der Strahlungsdichte innerhalb des Klebstoffs ausge­ nutzt wird. Hierdurch kann beispielsweise bei der erwähnten Konfiguration zweier nicht vollständig überlappender Metall­ teile seitlich eingestrahlte NIR-Strahlung bei geeignetem Einstrahlungswinkel durch Mehrfachreflexionen relativ weit in den Zwischenraum zwischen beiden Teilen und die dort befind­ liche Klebstoffschicht hinein transportiert werden, so daß eine Aktivierung (und Trocknung bzw. Vernetzung) keineswegs nur im äußersten Kantenbereich, sondern auch noch in be­ trächtlichem Abstand von diesem erreicht werden kann.
Bei Anwendungen, wo ein metallisches erstes Teil mit einem aus Kunststoff bestehenden, insbesondere großflächigen, zwei­ ten Teil verbunden werden muß, kann eine solche Positionie­ rung der Teile - und damit des Klebstoffauftrages - relativ zur Bestrahlungseinrichtung zweckmäßig sein, daß das zweite Teil mindestens teilweise von der Strahlung durchsetzt wird, bevor diese auf den Klebstoff trifft. Hierbei kann der Um­ stand ausgenutzt werden, daß die Absorptionseigenschaften des Kunststoffteils sich von denjenigen des Klebstoffs erheblich unterscheiden können, so daß die NIR-Strahlung das Kunst­ stoffteil ohne nennenswerte Absorption und somit ohne nach­ teilige Erwärmung desselben durchdringen kann.
Eine Einstellung der Strahlungsleistung der Bestrahlungsein­ richtung erfolgt zweckmäßigerweise durch Variation des Ab­ standes zwischen der Strahlungsquelle und der Klebstoff­ schicht bzw. dem Klebstoffaggregat. Grundsätzlich ist eine Einstellung auch über die Änderung der Betriebsspannung und -temperatur der vorzugsweise eingesetzten Halogenlampen mög­ lich. Hiermit wird aber zugleich das Emissionspektrum verän­ dert - was im Hinblick auf die vorteilhafte Abstimmung auf die Absorptionseigenschaften des Klebstoffs unerwünscht sein kann.
Eine spezielle Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens sieht vor, daß in entsprechende Ausnehmungen des ersten und/oder zweiten Teils eng lokalisierte Klebstoffaggregate als provi­ sorische Verbinder (sogenannte "strukturelle Pins") eingefügt und diese anschließend einer entsprechend lokalisierten Strahlung ausgesetzt werden. Durch diese Bestrahlung werden sie mindestens in einem zum "Zusammenheften" der Teile mit der erforderlichen Handling-Festigkeit ausreichenden Maße ak­ tiviert und vernetzt.
Eine weitere interessante Anwendung des vorgeschlagenen Ver­ fahrens besteht in der Aushärtung von Vergußmassenklebern, wie sie zum Schließen kleinerer Hohlräume oder zum Vergießen von Konstruktionsteilen eingesetzt werden.
In den oben erwähnten Anwendungen erfolgt die aktivierende NIR-Bestrahlung bevorzugt nach dem Zusammenfügen der zu ver­ bindenden Teile, für spezielle Anwendungen ist aber auch eine Aktivierung des nur auf ein Teil aufgetragenen Klebstoffs un­ mittelbar vor dem Anfügen des anderen Teils möglich und sinn­ voll.
Bei den mit den vorgeschlagenen Verfahren behandel- und ak­ tivierbaren Klebstoffsystemen handelt es sich um bekannte und handelsübliche Systeme vom thermisch vernetzenden Typ, insbe­ sondere auf PU- oder Epoxidbasis. Gleichwohl kann die Ent­ wicklung von speziell auf die Emissionsspektren der bevorzugt als Strahlungsquellen eingesetzten Halogenlampen abgestimmten Systemen sinnvoll sein.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschrie­ benen Anwendungsbeispiele und Aspekte beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen derselben sowie weiteren Anwendungen möglich.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung einer geklebten Verbundstruk­ tur, insbesondere einer oberflächenmontierten Außenhaut- oder Tragstruktur im Fahrzeug-, Flugzeug- oder Schiff­ bau, aus einem metallischen ersten Teil und einem zwei­ ten Teil, das über eine Schicht oder ein Aggregat aus einem thermisch aktivierten Klebstoff mit dem ersten Teil verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff und/oder angrenzende Bereiche des ersten und zweiten Teiles kurzzeitig intensiver elektromagneti­ scher Strahlung mit einem Wirkanteil im Bereich des na­ hen Infrarot mit λ = 0,8 bis 1,5 µm ausgesetzt werden der­ art, daß eine mindestens zur im wesentlichen sofortigen Erzielung von Handling-Festigkeit im gefügten Zustand ausreichende Aktivierung des Klebstoffs erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung eine, insbesondere mit erhöhter Betriebstemperatur betriebene, Halogenlampe eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das zweite Teil ein Metallteil, welches das erste Teil nicht vollständig überdeckt, ist,
die Klebstoffschicht derart aufgebracht wird, daß sie mindestens einen Abschnitt aufweist, welcher an einen freibleibenden Bereich des ersten Teils angrenzt und von dort zugänglich ist, und
die Strahlung nach dem Fügen der Teile auf diesen Ab­ schnitt der Klebstoffschicht ausgerichtet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Teil ein Kunststoffteil ist und die Strahlung so ausgerichtet wird, daß sie das zweite Teil mindestens abschnittsweise durchsetzt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung so ausgerichtet wird, daß eine Reflexion an der der Klebstoffschicht benachbarten Oberfläche des ersten Teils im wesentlichen in die Klebstoffschicht hinein erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff nach dem Auftrag auf das erste und/oder zweite Teil, insbesondere nach deren Zusammenfügung oder unmittelbar vor der Zusammenfügung, der Strahlung ausge­ setzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Zusammensetzung der Strahlung in Abstim­ mung auf die Absorptionseigenschaften des Klebstoffs und wahlweise des zweiten Teils derart eingestellt wird, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Durchwärmung über die Schichtdicke des Klebstoffs erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Zusammensetzung durch mindestens ein Fil­ ter eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Strahlungsleistung der Abstand zwi­ schen der Strahlungsquelle und der Klebstoffschicht bzw. dem Klebstoffaggregat variiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff mit einer Leistungsdichte im Bereich zwi­ schen 50 und 500 kW/m2, insbesondere zwischen 100 und 200 kW/m2, oder eine angrenzende Metallfläche mit einer Leistungsdichte im Bereich zwischen 500 kW/m2 und 2 MW/m2, insbesondere zwischen 750 kW/m2 und 1,5 MW/m2, bestrahlt wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung, insbesondere mit gekrümmten Reflektoren, fokussiert wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Bestrahlung in Abhängigkeit von den Dimen­ sionen, insbesondere von der Dicke, der Klebstoffschicht auf eine Zeit zwischen 0,5 und 30 s, insbesondere zwi­ schen 2 und 10 s, eingestellt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Abstimmung auf die Geometrie der Klebstoffschicht bzw. des Klebstoffaggregats ein Flächen- oder Linien- oder Punktstrahler oder eine Kombination aus solchen zur Bestrahlung des Klebstoffs eingesetzt wird.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine langgestreckte Klebstoffspur längs ihrer Erstre­ ckung in abtastender Weise fortschreitend der Strahlung ausgesetzt wird, wobei eine koordinatengesteuert dem Verlauf der Klebstoffspur nachführbare Bestrahlungsein­ richtung eingesetzt wird oder das gefügte erste und zweite Teil an der Bestrahlungseinrichtung entlang ge­ führt werden.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor der Bestrahlung des Klebstoffs das erste und/oder zweite Teil vorgewärmt wird.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in geeignete Ausnehmungen des ersten und/oder zweiten Teils als provisorische Verbinder eng lokalisierte Kleb­ stoffaggregate eingesetzt und einer entsprechend fokus­ sierten Strahlung zur Aktivierung ausgesetzt werden.
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