SB_18.155NLP

2016
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Laser-Plasma-Auftragschweißen
als hybrides
Methoden zur Abschätzung
des Verschleißes von
Dosieranlagen bei der
Verarbeitung von
höherviskosen gefüllten
Klebstoffen

Methoden zur Abschätzung des
Verschleißes von Dosieranlagen
bei der Verarbeitung von
höherviskosen gefüllten
Klebstoffen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 18.155 N
DVS-Nr.: 08.088
Technische Universität Braunschweig Institut
für Füge- und Schweißtechnik
Fraunhofer-Gesellschaft e. V.
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und
Angewandte Materialien
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18.155 N / DVS-Nr.: 08.088 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2016 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 335
Bestell-Nr.: 170444
ISBN: 978-3-96870-334-3
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Abschlussbericht Abrasio 18155N
Inhaltsverzeichnis
THEMA...............................................................................................................................................1
BERICHTSZEITRAUM .......................................................................................................................1
FORSCHUNGSVEREINIGUNG ..........................................................................................................1
FORSCHUNGSSTELLE(N) ................................................................................................................1
1 ZUSAMMENFASSUNG DES PROJEKTVERLAUFS ..................................................................2
2 DANKSAGUNG ..........................................................................................................................3
3 FÖRDERHINWEIS ......................................................................................................................4
4 EINLEITUNG ..............................................................................................................................7
5 STAND DER TECHNIK............................................................................................................. 11
5.1 VERSCHLEIß ........................................................................................................................ 11
5.2 BESTEHENDE VERSCHLEIßTESTS........................................................................................... 14
5.3 FÜLLSTOFFE UND IHR ABRASIONSVERHALTEN ......................................................................... 17
5.4 AUFBAU VON DOSIERANLAGEN .............................................................................................. 19
5.5 VERSCHLEIßSCHWERPUNKTE IN DOSIERANLAGEN (UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND) ................... 20
5.6 MAßNAHMEN ZUR REDUKTION DES KOMPONENTENVERSCHLEIßES ............................................ 25
5.7 SIMULATION VON STRÖMUNG UND VERSCHLEIßPROZESSEN ..................................................... 26
5.8 KENNTNISSTAND IN VERWANDTEN FELDERN ........................................................................... 28
5.9 ZUSAMMENFASSUNG DES STANDS DER TECHNIK ..................................................................... 30
6 FORSCHUNGSZIEL UND LÖSUNGSWEG .............................................................................. 31
6.1 FORSCHUNGSZIEL................................................................................................................ 31
6.2 LÖSUNGSWEG ZUR ERREICHUNG DES FORSCHUNGSZIELES...................................................... 31
7 ERGEBNISSE .......................................................................................................................... 34
7.1 AP 1: BESTANDSAUFNAHME BAUTEILVERSCHLEIß ................................................................... 34
7.1.1 AP 1.1 Erhebung Verschleiß an industriellen Dosieranlagenkomponenten (ifs & IFAM) .. 34
7.1.2 AP 1.2 Untersuchung geschädigter Bauteile (ifs)............................................................ 38
7.2 AP 2: ANALYTISCHE UNTERSUCHUNG VON KLEBSTOFFEN ........................................................ 42
7.2.1 AP 2.1: Rheologie der Versuchsklebstoffe (IFAM) .......................................................... 42
7.2.2 AP 2.2: Charakterisierung der Füllstoffe (ifs) .................................................................. 52
7.3 AP 3: AUSWERTUNG UND AUSARBEITUNG DER ARBEITSHYPOTHESE SOWIE AUSWAHL DER
VERSUCHSUMGEBUNG (IFS & IFAM) ................................................................................................. 59
7.4 AP 4: KONZEPTION UND AUFBAU TRIBOMETRISCHER VERSUCHSSTÄNDE (IFS)............................ 61
7.4.1 AP 4.1 Spülverschleiß.................................................................................................... 63
7.4.2 AP 4.2: Gleitverschleiß .................................................................................................. 69
7.4.3 AP 4.3 Stampf- bzw. Wälzverschleiß.............................................................................. 78
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Abschlussbericht Abrasio 18155N
7.5 AP 5: SIMULATION DES VERSCHLEIß (IFAM)........................................................................... 81
7.5.1 AP 5.1: Material- und Transportmodell für Funktionsstoffe.............................................. 81
7.5.2 AP 5.2: Ermittlung der lokalen Strömungsprofile für ausgesuchte Bauteile ..................... 93
7.5.3 AP 5.3: Modell für den lokalen Bauteilverschleiß (Standmenge) ................................... 100
7.6 AP 6: ARBEITSHYPOTHESE PRÜFEN UND GESTALTUNGSRICHTLINIEN (IFS & IFAM) ................... 110
7.7 AP 7: AUSARBEITUNG SCHNELLTEST (IFS & IFAM) ............................................................... 118
8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ............................................................................... 119
9 FORTGESCHRIEBENER PLAN ZUM ERGEBNISTRANSFER IN DIE WIRTSCHAFT ........... 122
9.1 DURCHGEFÜHRTE TRANSFERMAßNAHMEN WÄHREND DER PROJEKTLAUFZEIT ........................... 123
9.2 GEPLANTE TRANSFERMAßNAHMEN NACH DER PROJEKTLAUFZEIT ............................................ 125
10 ZUSAMMENSTELLUNG ALLER ARBEITEN, DIE IM ZUSAMMENHANG MIT DEM
VORHABEN VERÖFFENTLICHT WURDEN ODER IN KÜRZE VERÖFFENTLICHT WERDEN
SOLLEN ......................................................................................................................................... 126
11 NUTZEN UND WIRTSCHAFTLICHE BEDEUTUNG DER ANGESTREBTEN
FORSCHUNGSERGEBNISSE (UNTER BESONDERER BERÜCKSICHTIGUNG KLEINER UND
MITTLERER UNTERNEHMEN) ...................................................................................................... 127
11.1 VORAUSSICHTLICHE NUTZUNG DER ANGESTREBTEN FORSCHUNGSERGEBNISSE IN KMU ........... 127
11.1.1 In den Fachgebieten: ............................................................................................... 127
11.1.2 In den Wirtschaftszweigen: ...................................................................................... 127
11.2 MÖGLICHER BEITRAG ZUR STEIGERUNG DER LEISTUNGS- UND WETTBEWERBSFÄHIGKEIT DER
KMU. ........................................................................................................................................ 128
11.3 AUSSAGEN ZUR VORAUSSICHTLICHEN INDUSTRIELLEN UMSETZUNG DER FUE-ERGEBNISSE NACH
PROJEKTENDE .............................................................................................................................. 129
12 NOTWENDIGKEIT UND ANGEMESSENHEIT DER GELEISTETEN ARBEIT ........................ 131
13 DARSTELLUNG DES DURCH DIE FÖRDERUNG ERZIELTEN ERGEBNISSES IM EINZELNEN
MIT GEGENÜBERSTELLUNG DER VORGEGEBENEN ZIELE ..................................................... 132
14 LITERATUR............................................................................................................................ 137
15 ANHANG ................................................................................................................................ 142
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Abschlussbericht Abrasio 18155N
4 Einleitung
Die klebtechnische Fertigung in Deutschland wird zunehmend automatisiert. Zentrales
Element ist dabei die Anlage zur Förderung und Dosierung des Klebstoffs. Dosieranlagen
sind Unikate, die spezifisch an den zu fördernden Klebstoff angepasst werden.
Moderne Klebstoffe müssen unter hohem Preisdruck steigenden Anforderungen gerecht
werden. Neben dem mechanischen Verhalten der ausgehärteten Klebverbindung werden
auch Funktionen wie Leitfähigkeit, Raupenstandfestigkeit, Auswaschbeständigkeit,
Ölaufnahme, Härtung und Brandschutz gefordert. Endeigenschaften, Preis und Funktionen
werden nicht nur durch das verwendete Polymer, sondern auch durch zugefügte
anorganische Funktionsstoffe erreicht. Der Anteil an anorganischen Zusätzen kann leicht
fünfzig Gewichtsprozent überschreiten [Mül04].
Die maschinelle Verarbeitbarkeit eines Klebstoffs mit passendem Eigenschaftsprofil wird
oftmals nachrangig behandelt oder an die Anbieter von Dosieranlagen delegiert. Dabei ist
das Fördern und Dosieren hochgefüllter Klebstoffe oftmals eine anspruchsvolle technische
Herausforderung. Ausfälle von Dosieranlagen haben kostenintensive Unterbrechungen der
Produktion zur Folge.
Dosieranlagenhersteller müssen ihre Anlagen in einer frühen Phase der Geschäftsbeziehung
dimensionieren. Auf Basis knapper Ressourcen und unvollständiger Informationen zur
chemischen Rezeptur des Klebstoffs muss die geplante Anlage bei ökonomischer
Konkurrenzfähigkeit die geforderten Leistungen erbringen. Im Lastenheft ist neben der
Maschinenfähigkeit bei Inbetriebnahme eine Standmenge gefordert. Vereinfacht definiert
diese Größe die Fördermenge innerhalb eines Wartungsintervalls. Die Standmenge einer
Anlage ist durch den Verschleiß der Dosieranlage im laufenden Betrieb limitiert. Sie ist für
die Hersteller von Dosieranlagen bei Einsatz neuer Klebstoffe äußerst schwierig
vorauszusagen. Die Überdimensionierung der Standmenge verteuert die Anlage extrem und
vermindert die ökonomische Konkurrenzfähigkeit.
Dosieranlagenhersteller und Betreiber werten Füllstoffe als eine Hauptursache des
Verschleißes. Aufgrund ihrer Härte und Beschaffenheit sowie ihrer Einbettung in das
Polymer können anorganische Additive die Standzeit der Dosieranlagen dramatisch, in der
Regel negativ, beeinflussen. Der induzierte Verschleiß führt zu unplanmäßigem
Produktionsstillstand, schleichender Verschlechterung des Misch- und
Applikationsergebnisses und nicht zuletzt zu erhöhten Aufwendungen für Ersatzteile und
Instandhaltung.
Laut Aussage der überwiegend mittelständischen Unternehmen, die in der Arbeitsgruppe AG
V8.1 „Klebtechnik: Misch- und Dosiertechnik“ im Ausschuss für Technik des DVS
zusammengeschlossen sind, stellt die Schädigung durch Verschleiß der Anlagen durch die
Wechselwirkung mit dem Klebstoff das derzeit größte Problem bei der Anlagenkonzeption
und beim Anlagenbetrieb dar. Dabei bereiten hoch- bis mittelviskose stark gefüllte Klebstoffe
schwerwiegende Probleme.
In diese Klasse fallen einkomponentige heißhärtende Strukturklebstoffe, einkomponentige
feuchtigkeitshärtende Polyurethane, Butyle sowie hochviskose Dichtstoffe und auch
Wärmeleitpasten. Diese Medien werden in der Transportindustrie, der Produktion „Weißer
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Abschlussbericht Abrasio 18155N
Ware“ und dem Verguss von Elektronikkomponenten häufig und in großen Mengen
automatisiert verarbeitet, tragen stark zur Wertschöpfung dieser Produkte bei und haben
daher eine hohe wirtschaftliche Relevanz. Zur Fokussierung dieses Forschungsvorhabens
wurden daher ausschließlich Klebstoffe dieser Klassen behandelt.
In der wissenschaftlichen Literatur und in der industriellen Praxis finden sich verschiedene
Modelle und Methoden zur Beschreibung und Quantifizierung von Verschleißerscheinungen.
Eine allgemeine Methode zur Voraussage des Verschleißes existiert nicht [Fox05], da
Verschleiß ein multidimensionales Problem ist, das u.a. von Verschleißart, Medium,
Reibpartnern, Strömungsbedingungen oder der Temperatur abhängt. Die Anwendung von
existierenden Ansätzen auf die vorliegende Problematik hat folgende Schwachstellen:
• Die Standmenge einer Dosieranlage wird vor Auslieferung an den Betreiber
üblicherweise durch mehrfaches Umpumpen eines Gebindes geprüft. Es zeigt sich,
dass dieser Test wenig aussagekräftig ist. Durch den mehrfachen Umlauf des
Klebstoffs verändern die in der Formulierung enthaltenen Funktionsstoffe ihre Größe
und Oberflächenmorphologie. Dabei entwickeln sie bei Weitem nicht das
Verschleißpotenzial des frisch zugeführten Klebstoffs. Dosieranlagen zur
Verarbeitung der hier betrachteten Klebstoffe laufen hingegen fast ausschließlich im
Stichbetrieb. Das Fördermedium wird daher in der industriellen Praxis stets frisch
zugeführt und besitzt sein volles Verschleißpotenzial. Das Verfahren hat eine geringe
Aussagekraft, belastet die Umwelt durch Sondermüll und ist kosten- und zeitintensiv.
• Es existiert eine größere Anzahl von industrieüblichen und genormten Versuchen, um
das Verhalten von Werkstoffen unter Verschleißbeanspruchung abzuschätzen. Es ist
nicht erforscht, ob einzelne dieser Tests verlässliche Aussagen zur Prognose des
Verschleißes in Dosieranlagen liefern können. Es ist außerdem unbekannt, mit
welchen Versuchsparametern entsprechende Tests durchzuführen sind und wie die
Versuchsergebnisse zu interpretieren sind. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die zu
behandelnden hochviskosen, hochgefüllten Klebstoffe im rheologischen und
tribologischen Verhalten stark von üblichen Fördermedien abweichen.
• Ausfälle von Ringleitungsanlagen zur Verarbeitung von Dispersionsklebstoffen
wurden in [Pes09] auf eine strömungsbasierte Koagulation [Geo10] zurückgeführt.
Die Verarbeitung von Schmelzklebstoffen in der Verpackungsindustrie ist in [Fri07]
thematisiert. Ausfälle in diesen Anlagen werden oftmals durch ein thermisches
Vercracken hervorgerufen. Das hier durchgeführte Forschungsvorhaben untersuchte
hingegen hochviskose, hochgefüllte 1k-Klebstoffe. Vercrackung und Koagulation sind
nicht verantwortlich für den Ausfall und den Verschleiß der hier zu betrachtenden
Anlagen. [Meh12], [Meh13] untersuchen die Applikation von 2K-Klebstoffen, ohne
den Verschleiß zu thematisieren.
• In Hydraulikmaschinen werden niederviskose Fluide eingesetzt, die idealerweise die
Anlagenkomponenten durch die Ausbildung eines Schmierfilms schützen. Diese
Schutzwirkung steht im diametralen Gegensatz zur Schleifwirkung der hochviskosen,
hochgefüllten Klebstoffe. Außerdem werden Hydraulikflüssigkeiten im Zirkulärbetrieb
gefahren.
• Der Einfluss der Klebstoffverarbeitung auf das Betriebsverhalten von Dosieranlagen
aus der Automobilindustrie zur Verarbeitung von 1k-heißhärtenden Klebstoffen bei
höheren Verarbeitungstemperaturen ist in [Fri10b] auf numerischer Basis untersucht
worden. Hier zeigt sich, dass für diese Klebstoffklasse die numerische Methode
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