SB_19035BLP

2018
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Neue Fügemethode zur
Herstellung von
Thermoplast- und
Thermoplast-Metall-
Hybridverbindungen
mittels reaktiven
Multischichtsystemen
(RMS)

Inhaltsverzeichnis
1 Zusammenfassung .............................................................................................................. 3
2 Danksagung ....................................................................................................................... 4
3 Erläuterung zur Verwendung der Zuwendung .................................................................... 6
4 Sitzungen des projektbegleitenden Ausschusses ................................................................. 6
5 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Zielstellungen............................................ 7
5.1 Anlass für das Forschungsvorhaben ............................................................................ 7
5.2 Wissenschaftlich-technische Ziele ............................................................................... 7
6 Wirtschaftliche Ziele ........................................................................................................... 8
7 Werkstoffe, Reaktive Multischichtsysteme und Versuchsanordnungen ................................ 9
7.1 Werkstoffauswahl ...................................................................................................... 9
7.1.1 Thermoplastische Kunststoffe ................................................................................. 9
7.1.2 Metalle .................................................................................................................. 9
7.2 Reaktive Multischichtsysteme (RMS) ......................................................................... 10
7.2.1 Aufbau und Eigenschaften ................................................................................... 10
7.2.2 Fügeprozess ......................................................................................................... 11
7.3 Proben und Versuchsanordnungen ........................................................................... 12
7.3.1 Fügeproben ......................................................................................................... 12
7.3.2 Fügevorrichtung ................................................................................................... 13
7.3.3 Prüfsysteme ......................................................................................................... 14
7.3.4 Strukturcharakterisierung ..................................................................................... 14
8 Erzielte Forschungsergebnisse ........................................................................................... 16
8.1 Simulation des Wärmehaushalts einer RMS-Fügung ................................................. 16
8.1.1 Verbindungen thermoplastischer Kunststoffe ....................................................... 16
8.1.2 Hybridverbindungen ............................................................................................. 17
8.2 Einflussfaktoren auf die Eigenschaften von RMS-Verbindungen
thermoplastischer Kunststoffe ................................................................................. 18
8.2.1 Oberflächenbeschaffenheit .................................................................................. 19
8.2.2 Fügedruck ............................................................................................................ 20
8.2.3 Fügeflächengeometrie .......................................................................................... 20
8.3 Verbindungsfestigkeiten ........................................................................................... 21
8.3.1 RMS-Verbindungen thermoplastischer Kunststoffe ............................................... 21
8.3.2 Vergleich mit anderen Fügeverfahren ................................................................... 23
8.3.3 Hybridverbindungen ............................................................................................. 23
8.4 Langzeitstabilität von RMS-Verbindungen thermoplastischer Kunststoffe .................. 26
8.4.1 Feuchte-Wärme-Auslagerung ............................................................................... 26
8.4.2 Salzsprühtest ........................................................................................................ 28
8.4.3 Temperaturwechseltest ........................................................................................ 29
8.4.4 Zusammenfassung zur Langzeitstabilität ............................................................... 31
8.5 Schwingfestigkeit von RMS-Verbindungen thermoplastischer Kunststoffe ................ 32
8.5.1 Vorgehen ............................................................................................................. 32
8.5.2 Ergebnisse ............................................................................................................ 33
8.6 Mikrostruktur und Anbindungsmechanismen von RMS-Fügeverbindungen ............... 35

8.6.1 Wirkungen der RMS-Reaktion .............................................................................. 35
8.6.2 Verhalten des Kunststoffs und der RMS-Reste in der Fügezone ............................. 39
8.6.3 Zusammenhang zwischen der Struktur der Fügezone und der Festigkeit
der RMS-Verbindung - Anbindungsmechanismen ................................................. 41
8.7 Funktionsmuster ...................................................................................................... 43
8.7.1 RMS-Verbindungen thermoplastischer Kunststoffe ............................................... 43
8.7.2 Hybridverbindungen ............................................................................................. 44
9 Einschätzung der Forschungsergebnisse ............................................................................ 45
9.1 Erreichung der wissenschaftlich-technischen Ziele .................................................... 45
9.2 Erreichung der wirtschaftlichen Ziele ........................................................................ 45
9.3 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ............................................................................. 46
9.3.1 Geplanter Ergebnistransfer während der Projektlaufzeit ....................................... 46
9.3.2 Geplanter Ergebnistransfer nach Abschluss des Vorhabens ................................... 48
10 Literaturverzeichnis ........................................................................................................... 49
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5 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Zielstellungen
5.1 Anlass für das Forschungsvorhaben
Der Bedarf an innovativen Leichtbauweisen treibt die Entwicklung von neuartigen Materialien
und Materialkombinationen voran. Neben dem Trend, leichte Metalle wie Aluminium und
Magnesium oder poröse Strukturen einzusetzen, wird vor allem in der Erweiterung des
Einsatzbereiches von Kunststoffen ein großes Potenzial gesehen. Parallel zur
Werkstoffentwicklung wachsen dabei gleichzeitig auch die Herausforderungen für die
Fügetechnologie, bei der neben Verbindungen aus gleichartigen Kunststoffen auch
Kombinationen zwischen unterschiedlichen Kunststoffen oder von Kunststoffen mit Metallen
gefügt werden müssen. Außerdem bestehen neben der Forderung nach ausreichend festen
Verbindungen oft weitere Ansprüche hinsichtlich der Verbindungseigenschaften, wie die
Herstellung hermetischer und langzeitstabiler Fügungen, oder das Vermeiden ausgeprägter
Werkstoffschädigungen [DVS1,DVS2].
Die konventionellen Fügeprozesse, wie Löten und Schweißen, erzeugen meist einen hohen
Wärmeeintrag in das Bauteil. Dabei wird nicht nur der eigentliche Fügebereich erwärmt, sondern
auch der angrenzende Bereich oder gar das komplette Bauteil. Dadurch können Veränderungen
der Werkstoffmikrostruktur oder mechanische Spannungen entstehen, was zu unerwünschten
Eigenschaftsdegradationen führt. Klebverbindungen können zudem alterungsanfällig sein und
erfordern aufgrund teilweise notwendiger Vor- und Nachbehandlungen längere Prozesszeiten,
was insgesamt zu höheren Kosten führt.
Das Fügen mit Reaktiven Multischichtsystemen (RMS) ist eine Möglichkeit, die Grenzen der
herkömmlichen Verbindungstechnologien ganz oder zumindest teilweise zu überwinden. RMS
sind eine direkt in die Fügestelle eingebrachte zündbare Wärmequelle, die an den
Anwendungsfall angepasst - „maßgeschneidert“ - werden kann, so dass schädigungsarme
Verbindungen mit Fügeprozesszeiten im Millisekundenbereich herstellbar sind.
In Vorfeld dieses Projektes konnte im Teilprojekt NanoWearJoin des Spitzentechnologieclusters
ECEMP gezeigt werden, welches Potential die RMS-Technologie beim Fügen von thermoplastischen
Kunststoffen besitzt. Im Laufe des Projektes ist es gelungen, die RMS-Eigenschaften
auf die Fügungen soweit anzupassen, dass keine offensichtliche Schädigung der Kunststoffe
auftritt. Es wurden Zugscherfestigkeiten um die 10 MPa ohne jegliche Vor- und Nachbehandlung
oder Aktivierung der Oberfläche erzielt. Durch die überwiegend stoffschlüssig
erzeugte Verbindung kam es zu einem Materialversagen außerhalb des Fügebereiches [PFL1,
ECEMP].
Im Rahmen einer Diplomarbeit an der TU Dresden wurden erste Versuche zum RMS-Fügen von
thermoplastischen Kunststoffen mit Metall unternommen. Die grundsätzliche Anwendbarkeit
der RMS-Technologie zur Herstellung von Hybridverbindungen konnte nachgewiesen werden.
Die Festigkeiten der Verbindungen waren jedoch sehr niedrig, so dass ein Versagen
überwiegend in der Fügezone und nicht im Grundmaterial auftrat [PAU].
5.2 Wissenschaftlich-technische Ziele
Abgeleitet aus den Grenzen des Standes der Technik einerseits und dem industriellen Bedarf
andererseits bestand das wesentliche Ziel des Forschungsvorhabens darin, feste und
langzeitstabile Verbindungen thermoplastischer Kunststoffe ohne jegliche Vor- und
Nachbehandlungsmethoden zu erzielen. Parallel dazu sollte ein grundlegendes Verständnis des
RMS-Fügeprozesses geschaffen und dabei vor allem die Anbindemechanismen untersucht
werden.
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Hinsichtlich Hybridverbindungen aus thermoplastischen Kunststoffen und Metallen sollen erste
feste Verbindungen mit Untersuchung des Anbindemechanismus erzielt werden. Dabei waren
bei der Projektplanung mehrere mögliche Lösungswege vorgesehen.
Zur Erreichung der Forschungsziele wurden folgende wissenschaftlich-technische
Forschungsergebnisse angestrebt:
- Bestimmung und Optimierung von Einflussfaktoren auf die Verbindungseigenschaft
Festigkeit
- Evaluierung eines maßgeschneiderten RMS-Typs zum schädigungsarmen Fügen
- Erschaffung von festen, stoffschlüssigen Verbindungen ohne zeit- und kostenintensiven
Vor- und Nachbehandlungsmethode
- Erlangung eines Grundverständnisses zu den Anbindungs- und Wirkmechanismen beim
RMS-Fügeprozess
- Herstellung von langzeitstabilen und medienresistenten Verbindungen
6 Wirtschaftliche Ziele
Mit der RMS soll kmU eine Technologie zur Verfügung gestellt werden, die bestehende
Fügeverfahren ergänzt und der großen Bedeutung von Kunststoff- und Kunststoff-Metall-
Verbindungen Rechnung trägt. Dabei sollen Verbindungs- und Versagensmechanismen geklärt,
statische und dynamische Festigkeiten ermittelt und Alterungs- und Korrosionsverhalten
untersucht werden, um den kmU mit den RMS sowohl ein ausgereiftes Produkt als auch die
zugehörigen Prozesse mit abgesicherten Leistungsparametern zur Verfügung zu stellen.
Die zu entwickelnde RMS-Fügetechnologie ermöglicht Innovationen in der kunststoffverarbeitenden
Industrie, im Automobilbau, in der Luftfahrtindustrie, im Maschinenbau und in
der Elektroindustrie (Deckelung von Kühlkörpern, Leiterplatten und Leistungselektronik) sowie
der Haushalts- und Gehäusetechnologie (Explosionsschutz). Insbesondere wird das Verfahren für
die Zulieferindustrie von Interesse sein, die in den genannten Wirtschaftszweigen stark von kmU
geprägt ist. Potenzielle Nutzer sind vor allem Unternehmen, die bei der Herstellung ihrer
Produkte Kunststoffe kleben oder schweißen und die die Nachteile dieser Verfahren (z.B.
Vorbehandlungsaufwand, Aushärtezeiten, Wärmeeintrag) vermeiden müssen, um bestehende
Produkte mit höherer Qualität herstellen zu können oder neue Produkte zu entwickeln. Ein
weiterer potentieller Nutzer ist die Beschichtungsindustrie, bei der die Herstellung der RMS
erfolgen könnte.
Mit dem Forschungsvorhaben sollten folgende wirtschaftlichen Ziele erreicht werden:
- Entwicklung eines effektiven Fügeverfahrens, das es gestattet, das Potential von
thermoplastischen Kunststoffen auszuschöpfen,
- Reproduzierbare und wirtschaftliche RMS-Verbindungen ohne die Verwendung von zeitund
kostenintensiven Vor- und Nachbehandlungsmethoden,
- Entwicklung von Verbindungen bisher schwer oder nicht fügbarer Materialien und deren
Kombination für neue Produktlösungen,
- Verbesserung der Produkteigenschaften durch Vermeidung des Wärmeeintrags in das
komplette Bauteil.
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7 Werkstoffe, Reaktive Multischichtsysteme und
Versuchsanordnungen
7.1 Werkstoffauswahl
7.1.1 Thermoplastische Kunststoffe
Aufgrund ihres niedrigen Schmelzpunktes sind thermoplastische Kunststoffe für die hier
verwendete interne Wärmequelle prädestiniert, da diese direkt aufschmelzbar sind und unter
Druck und nach Wiedererstarren eine stoffschlüssige Verbindung ausbilden.
Die Entwicklung der RMS-Fügetechnologie für thermoplastische Kunststoffe wurde im
Fraunhofer IWS Dresden für fünf faserunverstärkte thermoplastische Kunststoffe durchgeführt.
Zusammen mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurden die in der Tabelle 1 dargestellten
thermoplastischen Kunststoffe ausgesucht. Angefangen von dem niedrig schmelzenden
Polycarbonat über Polyamid 6 bis hin zum hochschmelzenden Polyphenylensulfid sind somit
sowohl ein breiter Schmelztemperaturbereich als auch amorphe und teilkristalline Kunststoffe
abgedeckt. Zudem sind diese thermoplastischen Kunststoffe die am häufigsten eingesetzten
Kunststoffe, wodurch eine hohe Relevanz für die Industrie gegeben ist.
Tabelle 1:
Untersuchte thermoplastische Kunststoffe
Thermoplastischer
Kunststoff (Kurzzeichen)
Firma/
Markenname
Schmelztemperatur
[°C]
Zugfestigkeit
[MPa]
Polypropylen (PP) Röchling / Polystone P 160-165 28
Polycarbonat (PC) Röchling / Sustanat 148 65
Polyamid 6 (PA6) Röchling / Sustamid 6 220 80
Polybutylenterephthalat (PBT) BASF / Ultradur 223 55
Polyphenylensulfid (PPS) Solvay / Ryton QA200P 280 80
Die thermoplastischen Kunststoffe PC, PP und PA6 wurden durch das pA-Mitglied Wegner
International GmbH zur Verfügung gestellt, wobei die Fa. Röchling das Probenmaterial
hergestellt hat. Die Lieferung erfolgte in Form von Platten in unterschiedlichen Dimensionen.
PBT und PPS wurde vom pA-Mitglied Robert Bosch GmbH bereitgestellt. Das PBT wurde von der
Fa. BASF und das PPS von der Fa. Solvay produziert. Auch hier erfolgte die Lieferung in Form von
Platten verschiedener Dimensionen.
Angaben zur chemischen Zusammensetzung sowie die Eigenschaften aller thermoplastischen
Kunststoffe liegen in Form von Datenblättern vor. Die ausgewählten Kunststoffe wurden im
Anlieferungszustand verwendet, der sich aus dem Herstellungsprozesses ergeben hat. Es
erfolgten keine zusätzlichen Vorbereitungsschritte, wie z.B. eine Trocknung oder ähnliches.
7.1.2 Metalle
Für Hybridverbindungen thermoplastischer Kunststoffe mit Metall wurden von den pA-
Mitgliedern die in Tabelle 2 aufgelisteten Aluminium- und Kupferwerkstoffe empfohlen, da vor
allem bei diesen ein großes Potential für Kunststoff-Metall-Verbindungen gesehen wird.
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