SB_20035NLP

2020
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Kombination von flexiblen
Trennfolien und vorbeschichtbaren
Klebstoffen für
das vorbehandlungsfreie
Kleben von faserverstärkten
Kunststoffen

Kombination von flexiblen
Trennfolien und
vorbeschichtbaren Klebstoffen
für das vorbehandlungsfreie
Kleben von faserverstärkten
Kunststoffen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.035 N
DVS-Nr.: 08.3026
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.,
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik
und Angewandte Materialforschung IFAM
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.035 / DVS-Nr.: 08.3026 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 490
Bestell-Nr.: 170600
ISBN: 978-3-96870-490-6
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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Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20035 N
Inhalt
1. Zusammenfassung .............................................................................................................. 4
1.1 Problemstellung und Ziel .............................................................................................. 4
1.2 Ergebnis ....................................................................................................................... 4
1.3 Schlussfolgerungen ...................................................................................................... 5
1.4 Zielerreichung .............................................................................................................. 5
1.5 Danksagung Förderhinweis .......................................................................................... 5
2. Lösungsansatz und methodisches Vorgehen ...................................................................... 5
2.1 FVK-Entformung........................................................................................................... 5
2.2 Vorbeschichtbare Klebstoffe ......................................................................................... 8
2.3 Arbeitshypothese........................................................................................................ 10
3. Durchgeführte Arbeiten ..................................................................................................... 11
3.1 Definition der FVK-Materialien, Geometrien der Probekörper und weiterer
Anforderungen ...................................................................................................................... 11
3.2: Grundlegende Untersuchungen zur Entwicklung geeigneter flexibler Trennfolien....... 12
3.2.1: Untersuchung der Release-Eigenschaften und Kompatibilität mit Matrixharzen .. 12
3.2.2: Untersuchung der FVK-Oberflächenchemie nach Trennfolienabzug ................... 26
3.2.3: Untersuchungen zur Generierung einer mikrostrukturierten FVK-Oberfläche ...... 28
3.3: Grundlegende Untersuchungen zur Entwicklung vorapplizierbarer Klebstoffe für FVK 37
3.3.1: Screening verschiedener potentiell geeigneter Systeme ..................................... 37
3.3.2: Untersuchung des Einflusses mikrodisperser Verteilung latenter Härter in festen
Epoxidharzen auf deren Latenz ......................................................................................... 41
3.4 Epoxid-Polyurethan-Dispersionen .............................................................................. 41
3.5 Entwicklung einer geeigneten Mischtechnik für neue Klebstoffe auf Basis von Hotmelts
47
3.6 Untersuchung des Einflusses von Mikrostrukturierungen der FVK-Oberfläche auf die
Klebung ................................................................................................................................ 47
3.7 Untersuchungen zur Weiterentwicklung der flexiblen Trennfolien ............................... 48
3.8 Praxisversuche ........................................................................................................... 51
4 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen des
Projektes .................................................................................................................................. 51
5 Verwendung der Zuwendung ............................................................................................ 55
5.1 Wissenschaftlich-technisches Personal (Einzelansatz A.1 des Finanzierungsplans) ....... 55
5.2 Geräte (Einzelansatz B des Finanzierungsplans) ............................................................ 55
5.3 Leistungen Dritter (Einzelansatz C des Finanzierungsplans)........................................... 55
6 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ............................................... 55
7 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ...................................................................................... 55

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20035 N
7.1 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der
erzielten Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrags und ihrer
industriellen Anwendungsmöglichkeiten ................................................................................ 55
7.2 Durchgeführte Transfermaßnahmen........................................................................... 56
8 Ausblick ............................................................................................................................. 59
9 Literaturverzeichnis ........................................................................................................... 60

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20035 N
Weiterhin müssen als Folge des Entformungsprozesses mit konventionellen Trennmitteln auch
die Formwerkzeugoberflächen in regelmäßigen Abständen von den (z.T. thermisch
degradierten) Rückständen des Trennmittels befreit werden. Zur Generierung
mikrostrukturierter, vergleichsweise sauberer FVK-Oberflächen werden teilweise sogenannte
Peel-Plies (Abreißgewebe) eingesetzt. Diese Gewebe werden vor der Bauteilfertigung auf die
eingetrennte Werkzeugoberfläche gelegt und dann während des Fertigungsprozesses mit dem
Harz durchtränkt. Nach der Entformung wird dann das oberflächliche Harz gemeinsam mit den
Trennmittelrückständen und dem Peel-Ply abgerissen. Dabei hinterlässt das Abreißgewebe auf
den Oberflächen Geweberückstände (Schlichten) und staubförmige Harzrückstände, die vor
dem Kleben ebenfalls entfernt werden müssen.
Abb. 1: Entformung von FVK-Bauteilen nach Stand der Technik (konventionelle Trennmittel)
Im Bereich der CFK-Oberflächenvorbehandlung sind am Fraunhofer IFAM in der Vergangenheit
in bilateralen, national geförderten [IGF14.817; IGF12.651] und EU-geförderten [ABITAS]
Projekten aussichtsreiche Vorbehandlungsverfahren identifiziert und erprobt worden. Es besteht
daher ein gutes Verständnis unterschiedlicher Verfahren für die FVK-Anwendung, mit deren
Einsatz die optimalen Haftungseigenschaften für eine anschließende Klebung erreicht werden
können.
Abb. 2: Entformung von PUR-Sprühhäuten mithilfe von permanenten Trennschichten

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20035 N
Als Alternative für die Anwendung flüssiger Trennmittel bei der FVK-Herstellung wurde vom
IFAM eine flexible plasmapolymere Trennbeschichtung [VON07] entwickelt, welche mit
ausgezeichneter Haftung auch auf elastischen Polymerfolien aufgebracht werden kann.
Derartige elastische Polymerfolien mit einer ultradünnen plasmapolymeren Trennschicht sollten
eine schonende Entformung bei der FVK-Bauteilherstellung ermöglichen [VOG13; OGV13]. Wie
in Abbildung 3 dargestellt, kommt es bei Entfernung dieser Folie zu einem reinen
Adhäsionsversagen an der Bauteiloberfläche. Dementsprechend verbleiben keine
Trennmittelkontaminationen oder Staub auf der Bauteiloberfläche zurück.
Abb. 3: Entformung von Kunststoff-Bauteilen mit der flexiblen Trennfolie mit plasmapolymerer
Trennschicht.
Im Rahmen der Herstellung von Kunststoff-Demonstratoren (siehe Abbildung 4) konnte gezeigt
werden, dass eine plasmapolymer beschichtete elastische Polymerfolie auch nach starker
Dehnung noch ausreichende Trenneigenschaften aufweist, um eine leichte Trennung von
einem Inmould-Lack (IMC) auf Polyurethan(PUR)-Basis, der zuvor als Gelcoat auf die Folie
aufgebracht worden war, sowie gegenüber einem raumtemperatur-härtenden 2K-Epoxid-Harz
zu ermöglichen.
Abb. 4: Demonstration der Trenneigenschaften einer flexiblen plasmapolymer-beschichteten
Folie. Links: gegenüber einem PUR-Lack, der als Gelcoat im IMC-Verfahren aufgebracht
worden war; rechts: gegenüber einem raumtemperatur-härtenden 2K-Epoxid-Harz.

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20035 N
Ferner zeigte sich, dass diese Trennfolie durch Vakuum-Tiefziehen faltenfrei in 3D-gekrümmte
Female-Werkzeuge eingebracht werden kann (Abb. 5) und so CFK-Strukturen ohne den
Einsatz von Trennmitteln mit einem Prepreg-Material über 4 Stunden bei 180 °C im Autoklaven
hergestellt werden konnten: Die Oberflächenanalyse zeigte keinerlei Übertrag von Substanzen
aus der Folie.
Abb. 5: In ein schwach gekrümmtes Female-Werkzeug tiefgezogene TPE-Folie.
Erste Lackiertests auf den so gefertigten Mustern deuteten darauf hin, dass auf eine
Oberflächen-Vorbehandlung verzichtet werden könnte [BMWi14]. Für andere Harzsysteme
erwies sich die flexible Trennfolie allerdings zunächst als nicht ausreichend beständig. Ebenso
konnte bisher nicht geklärt werden, inwiefern die mit der flexiblen Trennfolie hergestellten
Bauteiloberflächen ausreichend für eine vorbehandlungsfreie strukturelle Klebung sind.
Die Klärung dieser Frage war ein wesentlicher Bestandteil des vorgestellten Projektes.
2.2 Vorbeschichtbare Klebstoffe
Bei den im Rahmen des vorgestellten Projektes eingesetzten Klebstoffen handelte es sich um
Systeme, die sich als einkomponentige Klebstoffe im reaktiven Zustand auf ein Bauteil
vorapplizieren lassen, dabei eine trockene, nicht klebrige Oberfläche aufweisen und durch
Temperaturzufuhr aushärten.
Wegen der hohen Anforderungen hinsichtlich Mechanik, Temperatur- und Medienbeständigkeit
wurden vorzugsweise Epoxidklebstoffe bzw. Epoxid/Phenoxy-Polyurethan-Hybride untersucht.
Reaktive, vorbeschichtbare Klebstoffe sind in einigen Varianten, vor allem als Polyurethanbasierte
Systeme, bereits auf dem Markt erhältlich.
So bietet die Firma Lohmann unter dem Namen DuploTEC Klebstoffe auf Polyurethan-Basis an,
die über latente Isocyanate als Vernetzer verfügen, welche durch Wärme aktiviert werden
können [LOHM]. Wie alle Polyurethane sind auch diese Klebstoffe in ihrer
Temperaturbeständigkeit limitiert, da ab Temperaturen von ca. 150°C eine irreversible
Degradation der Urethanbindungen erfolgt.
Ebenfalls Polyurethan-basiert sind etliche Dispersionsklebstoffe, die nach dem Verdunsten des
Wassers einen trockenen, thermisch aktivierbaren Film bilden. Klebstoffe dieses Typs lassen
sich z.B. auf Basis von Dispercoll U formulieren [BAYER]. Die Firma Raybond bietet für die
Automobilindustrie Befestigungselemente mit einem vorbeschichteten Polyurethan-Hotmelt an,
der ebenfalls thermisch aktiviert werden kann.