SB_19873NLP

2020
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Kleben von Strukturbauteilen
aus dünnwandigem
Magnesium-Druckguss

Kleben von Strukturbauteilen
aus dünnwandigem
Magnesium-Druckguss
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.873 N
DVS-Nr.: 08.094
Universität Kassel
Institut für Produktionstechnik und
Logistik Fachgebiet Trennende und
Fügende Fertigungsverfahren
Universität Kassel
Institut für Produktionstechnik und
Logistik Fachgebiet Gießereitechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.873 / DVS-Nr.: 08.094 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
© 2020 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 473
Bestell-Nr.: 170583
ISBN: 978-3-96870-473-9
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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Schlussbericht
zu IGF-Vorhaben Nr. 19873 N
Thema
Kleben von Strukturbauteilen aus dünnwandigem Magnesium-Druckguss (Mg-Bond)
Berichtszeitraum
01.01.2018 bis 31.12.2020
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Nr. 1: Universität Kassel, Institut für Produktionstechnik und Logistik, Fachgebiet Trennende
und Fügende Fertigungsverfahren (tff)
Nr. 2: Universität Kassel, Institut für Produktionstechnik und Logistik, Fachgebiet
Gießereitechnik (GTK)
15.05.2021
Ort, Datum
Christin Koch (tff)
15.05.2021
Ort, Datum
Husam Sharabi (GTK)

Inhalt
Thema ........................................................................................................................................ 1
Berichtszeitraum......................................................................................................................... 1
Forschungsvereinigung .............................................................................................................. 1
Forschungseinrichtung(en) ......................................................................................................... 1
Zusammenfassung ..................................................................................................................... 8
Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen des Forschungsantrags ................. 10
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ...................................................... 16
Verwendung der Zuwendung.................................................................................................... 17
Nutzen und industrielle Anwendungsmöglichkeiten der erzielten Ergebnisse ........................... 19
Angaben zu den am Projekt beteiligten Forschungseinrichtungen und Unternehmen .............. 21
Ergebnistransfer in die Wirtschaft ............................................................................................. 23
Einschätzung zur Realisierbarkeit des Transferkonzepts .......................................................... 25
1. Stand der Forschung und Entwicklung ........................................................................... 27
1.1. Magnesium als Konstruktionswerkstoff....................................................................... 27
1.2. Warmkammerdruckgussverfahren .............................................................................. 28
1.3. Trennstoffe ................................................................................................................. 29
1.4. Kleben von Magnesiumdruckguss .............................................................................. 30
2. Zielsetzung und Lösungsweg ......................................................................................... 32
2.1. Forschungsziel ........................................................................................................... 32
2.2. Lösungsweg ............................................................................................................... 32
3. Material und Methoden .................................................................................................. 33
3.1. Verwendete Materialien .............................................................................................. 33
3.2. Herstellung der Magnesiumdruckgussproben ............................................................ 35
3.2.1. Formeinsatzkonstruktion und Gießprozesssimulation ............................................. 35
3.2.2. Herstellung der Magnesiumproben mittels Warmkammerdruck-gussverfahren ....... 45
3.3. Vorbehandlungsverfahren .......................................................................................... 47
3.3.1. Druckstrahlverfahren .............................................................................................. 48
3.3.2. Plasmavorbehandlung ............................................................................................ 48
3.3.3. Laserreinigung ........................................................................................................ 49
3.4. Analysemethoden zur Charakterisierung der Oberflächen.......................................... 50
3.4.1. Kontaktwinkelmessung ........................................................................................... 50
3.4.2. FTIR-Messungen .................................................................................................... 50
3.4.3. Rasterelektronenmikroskopie in Verbindung mit der energiedispersiven
Röntgenspektroskopie .......................................................................................................... 51
3.5. Methoden zur Charakterisierung des Klebverbunds ................................................... 52
3.5.1. Zugscherprüfung..................................................................................................... 52

3.5.2. Dreipunkt-Biegeprüfung .......................................................................................... 54
3.6. Methoden zur Charakterisierung der Crasheigenschaften .......................................... 55
3.6.1. Dynamische Prüfung nach dem Keilschlagverfahren .............................................. 55
3.7. Methoden zur Charakterisierung der Alterungseigenschaften .................................... 56
3.7.1. Klimawechseltest .................................................................................................... 56
3.7.2. Salzsprühnebeltest ................................................................................................. 57
4. Ergebnisse und Diskussion ............................................................................................ 58
4.1. Einfluss verschiedener Vorbehandlungen auf die Klebeignung .................................. 58
4.1.1. Oberflächenanalyse ................................................................................................ 58
4.1.2. Mechanische Charakterisierung .............................................................................. 62
4.2. Einfluss verschiedener Trennstoffe auf die Klebeignung ............................................ 66
4.2.1. Oberflächenanalyse ................................................................................................ 66
4.2.2. Mechanische Charakterisierung .............................................................................. 69
4.3. Einfluss unterschiedlicher Gießparameter auf die Klebeignung .................................. 74
4.3.1. Oberflächenanalyse ................................................................................................ 74
4.3.2. Mechanische Charakterisierung .............................................................................. 77
4.4. Charakterisierung der Crasheigenschaften ................................................................ 79
4.5. Charakterisierung des Alterungsverhaltens ................................................................ 81
4.5.1. Klimawechseltest .................................................................................................... 81
4.5.2. Salzsprühnebeltest ................................................................................................. 85
4.6. Übertragung der Ergebnisse auf Realbauteile ............................................................ 89
Schlussfolgerungen .................................................................................................................. 90
Quellenverzeichnis ................................................................................................................... 92

Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19 873 N
Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen
des Forschungsantrags
Innerhalb des Projektes wird untersucht, inwieweit ein prozesssicheres, alterungsstabiles und
crashoptimiertes Kleben von Magnesiumbauteilen möglich ist und das konventionellen Beizen
durch eine alternative Vorbehandlungsmethode ersetzt werden kann. Es ist anzumerken, dass
die Bearbeitung in Abstimmung mit dem PA an einigen Punkten von dem im Forschungsantrag
ursprünglich dargelegten Arbeitsprogramm abweicht.
AP 1: Legierungswahl und Trennstoffklassifizierung
Ziel: Festlegung der Magnesiumlegierung und Trennstoffe
Inhalt: In Abstimmung mit dem PA wurde die Anzahl von Trennstoffen definiert und auf 5
begrenzt, um die Prüfmatrix bzw. den Prüfumfang so zu reduzieren, dass eine tiefergehende
Bearbeitung der zu behandelnden Fragestellungen ermöglicht wird. Ausgewählt wurden ein
wasserbasierter Trennstoff und polysiloxan-, wachs- und ölhaltige Trennstoffe. Für die
Untersuchung von Klebverbunden wurde die Legierung AZ91 gewählt. Es handelt sich hierbei
um die gebräuchlichste Magnesiumdruckgusslegierung und zeichnet sich durch hohe Festigkeit,
gute Gießbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aus.
AP 2: Formeinsatzkonstruktion und Gießprozesssimulation
Ziel: Konstruktion, Auslegung und Fertigung eines Formeinsatzes für die Warmkammer-
Druckgießmaschine. Erstellung einer Simulation, um im Vorfeld Störparameter zu identifizieren.
Inhalt: Die Herstellung des Druckgießwerkzeugs ist eine grundlegende Komponente für die
folgenden Untersuchungen in diesem Projekt. Die Kavität in dem Formeinsatz wurde hinsichtlich
eines geeigneten Angusssystems und idealer Prüfkörpergeometrien gefertigt. Folgende
Prüfkörper wurden dabei eingeplant und können später aus dem Bauteil ausgeschnitten werden:
- Zugscherproben nach DIN EN 1465
- Keilschlagproben nach DIN EN ISO 11343
- Schälproben nach DIN EN ISO 8510
Die endgültige Prüfkörpergeometrie richtet sich nach den einschlägigen Vorgaben in der DIN
53281 für die Herstellung von Proben zur Prüfung von Klebverbindungen. Gleichzeitig wurde der
Gießprozess zur Erlangung der grundlegenden Erkenntnisse zum Wärmehaushalt des
Druckgusswerkzeugs, der eingesetzten Sprühtechnik sowie der Formtemperierung simuliert und
die Stell- und Störparameter, wie Sprühzeit, Sprühmenge, Vorlauf der Temperierung,
Metalltemperatur, Erstarrungszeit identifiziert.

Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19 873 N
AP 3: Herstellung Gussteile und Einfluss Oberflächenerwärmung
Ziel: Herstellung der Magnesiumdruckguss-Probekörper mit definierten Geometrien
Inhalt: Das Gießwerkzeug aus AP2 wurde für die gießtechnische Herstellung der Probekörper
(im Prozess berücksichtigt) angewendet. Die Gussproben wurden mit verschiedenen
Prozessparametern zur Untersuchung klebtechnischer Verbindungen hergestellt. Dabei wurde
die Schmelzetemperatur (630°C, 650°C), der Sprühdruck (1 bar, 1,5 bar) und die
Kolbengeschwindigkeit (1,4 m/s, 2 m/s), sowie das Wasser/Trennstoff Verhältnis variiert. Es
wurden ca. 1600 Probekörper gegossen, einige Proben wurden zusätzlich oberflächlich erwärmt,
um auch den Einfluss der Erwärmung auf die Klebungsqualität näher zu schildern. Ca. 20 Proben
werden nach der Formgebung zusätzlich oberflächenerwärmt, um so die Trennstoffverteilung und
-konzentration an der Oberfläche hinsichtlich der Klebeignung zu beeinflussen.
AP 4: Oberflächencharakterisierung der Gussteiloberflächen
Ziel: Charakterisierung der in AP3 mittels Warmkammerdruckgussmaschine gefertigten
Prüfkörper.
Inhalt: Um Magnesiumsubstrate zu verkleben müssen zunächst genaue Kenntnisse über die
Oberflächenzusammensetzung und -beschaffenheit vorliegen. Die chemische
Zusammensetzung der Druckgussoberfläche wurde mittels EDX ermittelt. Der Fokus lag dabei
auf der Identifikation von Trennstoffrückständen. Es sind hohe Anteile an Kohlenstoff und Silizium
auf der Magnesiumoberfläche festzustellen. Die Proben, die mit dem wasserbasierten Trennstoff
TS5 gegossen wurden, weisen dabei den höchsten Kohlenstoff/Silizium-Anteil auf. Zur Analyse
der Oberflächentopografie wurde die Rasterelektronenmikroskopie und Weißlichtinterferometrie
eingesetzt, zur Bestimmung der Oberflächenenergie wurden Kontaktwinkelmessungen
durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Oberfläche der Magnesiumdruckgussprobekörper
stark inhomogen ist. Innerhalb einer Probe wurden Kontaktwinkel im Bereich von 83° - 122°
gemessen, zudem sind Anhäufungen von Kohlenstoff und Silizium durch EDX-Analyse
festzustellen. Die Oberflächenenergien der unvorbehandelten Magnesiumoberflächen liegen im
Bereich von 30 mN/m.
AP 5: Vorbehandlungsmethoden
Ziel: Vorbehandlung der Magnesiumprobekörper, um die adhäsiven Eigenschaften der Substrate
sowie die resultierende Festigkeit und Beständigkeit der Klebung zu verbessern.
Inhalt: Es kamen folgende Vorbehandlungsverfahren zum Einsatz:
• Nd:YAG-Laser
• Korundstrahlung
• Plasmapolymerisation

Seite 12 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19 873 N
• Beizen
Mittels Laser wurden verschiedene Laserparameter getestet, um eine stabile Oxidschicht auf der
Oberfläche der Substrate zu erzeugen. Es wurde die Anzahl der Überfahrten (2x, 4x), die
Geschwindigkeit (1250 mm/s, 2500 mm/s) und der Überlapp (50%, 70%) variiert.
Die Magnesiumsubstrate wurden nach Laserreinigung bzw. Korundstrahlung mit einer
haftvermittelnden Schicht auf Silanbasis durch Plasmapolymerisation beschichtet, um die
Alterungsbeständigkeit zu erhöhen. Es wurde die Düsengeschwindigkeit (5 m/min, 10 m/min)
variiert, und zusätzlich eine Plasmafeinstreinigung und anschließende Aktivierung durchgeführt.
Dabei stellte sich heraus, dass im Vergleich zu alleiniger Plasmapolymerisation durch eine
Feinstreinigung und Aktivierung die Klebfestigkeit gesteigert werden kann.
AP 6: Charakterisierung der vorbehandelten Oberflächen
Ziel: Charakterisierung der Wirksamkeit der Oberflächenbehandlungen hinsichtlich der
Entfernung von Trennstoffen und Vorbereitung der Oberflächen auf eine klebtechnische
Verbindung.
Inhalt: Die vorbehandelten Oberflächen wurden mittels EDX auf Trennstoffrückstände untersucht
und mit den Ergebnissen aus AP 4 verglichen. Durch Laservorbehandlung ergab sich eine
signifikante Reduktion der organischen Kontaminationen auf der Magnesiumprobenoberfläche
um ca. 80%. Auch bei den mit öl- und polysiloxanhaltigen Trennstoffen gegossenen Proben,
konnte eine starke Reduzierung des Kohlenstoff/Silizium-Anteils festgestellt werden.
Für die Charakterisierung der vorbehandelten Magnesiumproben wurden zudem die
Kontaktwinkel und Oberflächenenergien bestimmt. Es zeigte sich, dass die Oberflächenenergie
nach Laserreinigung im Vergleich zu der unvorbehandelten Proben um ca. 60% erhöht werden
konnte. Des Weiteren wurde durch Laserreinigung eine deutlich homogenere Probenoberfläche
erhalten.
Die Ausbildung einer Hexamethyldisiloxan-Polymerschicht nach Plasmavorbehandlung wurde
mittels FTIR-Analyse nachgewiesen. Dabei konnten typische Banden der Si-O-Bindungen
identifiziert werden.
AP 7: Durchführung von Klebungen
Ziel: Herstellung von Klebverbunden und Ermittlung der mechanischen Kennwerte,
Erkenntnisgewinn über die Wirksamkeit der eingesetzten Vorbehandlungsverfahren
Inhalt: In Absprache mit dem PA wurden ein 1K-und ein 2K-Epoxidharzklebstoff der Firma Sika
und ein 2K-Epoxidharzklebstoff der Firma 3M ausgewählt. Bei dem 1K-Epoxidharzklebstoff
handelt es sich um ein warmhärtendes System, das eine hohe Kontaminationstoleranz aufweist.