SB_19727NLP

2021
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Prozessbeobachtung und -
regelung der Klebvorbereitung
PUR- und
thermoplastbasierter,
faserverstärkter Kunststoffe
mittels Laser

Prozessbeobachtung und -
regelung der Klebvorbereitung
PUR- und thermoplastbasierter,
faserverstärkter Kunststoffe
mittels Laser
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.727 N
DVS-Nr.: 08.107
RWTH Aachen, Institut für Schweißtechnik
und Fügetechnik (ISF)
Laser Zentrum Hannover e.V.
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.727 N / DVS-Nr.: 08.107 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.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2021 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 500
Bestell-Nr.: 170610
ISBN: 978-3-96870-500-2
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Schlussbericht vom 08.12.2021
zu IGF-Vorhaben Nr. 19727 N
Thema
„Prozessbeobachtung und -regelung der Klebvorbereitung PUR- und thermoplastbasierter, faserverstärkter
Kunststoffe mittels Laser“
Berichtszeitraum
01.01.2018 - 30.04.2021
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtungen
FE1:
RWTH Aachen – Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF)
FE2:
Laser Zentrum Hannover e.V.

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19727 N
Inhaltsverzeichnis
1 Kurzzusammenfassung ....................................................................................................... 3
2 Danksagung & Förderhinweis.............................................................................................. 4
3 Einleitung ............................................................................................................................ 5
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung .............................................................. 5
3.2 Forschungsziel und Lösungsweg ................................................................................. 9
4 Durchgeführte Arbeiten, Ergebnisse und Bewertung ......................................................... 10
4.1 AP 0: Projektmanagement.......................................................................................... 10
4.2 AP 1: Anforderungsdefinition an den Gesamtprozess ................................................ 10
4.3 AP 2: Optische Vorerfassung von Bauteilen und Verunreinigungen ........................... 16
4.4 AP 3: Aufbau Systemtechnik ...................................................................................... 25
4.5 AP 4&5: Oberflächenanalytik und mechanische Prüfung ............................................ 28
4.5.1 Bestimmung geeigneter Vorbehandlungsparameter auf PA6-GF30 nach DOE
(Versuchsreihe V05) .......................................................................................................... 31
4.5.2 Bestimmung geeigneter Reinigungsparameter auf PA6-GF30 (Versuchsreihe V09)
33
4.5.3 Charakterisierung der Alterungsbeständigkeit der Verbindungen (Versuchsreihe
V11) 36
4.6 AP 6: Regelungstechnik ............................................................................................. 39
4.7 AP 7: Validierung und Optimierung am Demonstrator ................................................ 46
5 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen ...... 53
6 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse
insbesondere für kmU und industrielle Anwendungsmöglichkeiten ........................................... 59
7 Zusammenfassung und Ausblick ....................................................................................... 62
8 Verwendung der Zuwendung ............................................................................................ 65
9 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten ........................................... 66
10 Ergebnistransfer in die Wirtschaft .................................................................................. 67
11 Literaturverzeichnis ........................................................................................................ 70
12 Anhang .......................................................................................................................... 71

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19727 N
3 Einleitung
Für faserverstärkte Kunststoffe ist Kleben das geeignetste und industriell weit verbreitete
Fügeverfahren, da es sich dabei um eine Technik handelt, die dem Faserverbund gerecht
wird. Jedoch neigen insbesondere thermoplastische (faserverstärkte) Kunststoffe zu einer
schlechten Klebbarkeit. Dies resultiert zum einen aus dem Aufbau der Kunststoffoberfläche
und der damit verbundenen niedrigen Oberflächenenergie und kann zum anderen
aber auch aus verarbeitungsbedingten Einflüssen herrühren. So können Trennmittelrückstände
aus dem Fertigungsprozess an der FVK-Oberfläche zurückbleiben oder
Verunreinigungen während Transport- oder Lagerungsphasen entstehen. Um diesen Effekten
entgegenzuwirken, sind verschiedene Oberflächenvorbehandlungsverfahren verfügbar,
jedoch mangelt es an der Möglichkeit einer Inline-Kontrolle des Vorbehandlungsprozesses,
sodass eine Automatisierung der Klebvorbehandlung von FVK-Bauteilen
nicht gegeben ist. Diese ist aber eine Grundvoraussetzung für die prozesssichere Integration
der Oberflächenvorbehandlung bzw. des Klebprozesses für FVK im Rahmen
einer Serienfertigung.
Im Rahmen dieses Projektes wird eine Inline-Prozessregelung der Klebvorbehandlung
von FVK mittels Pyrometrie und Spektrometrie entwickelt, mit dem Ziel erstmals eine robuste
Automatisierung dieses Prozesses für den industriellen Einsatz zu ermöglichen.
Dabei handelt es sich um zwei optische Messverfahren, mit denen lokal die Oberflächentemperatur,
respektive die Zusammensetzung der Oberfläche ermittelt werden kann.
Beide Verfahren sollen in Kombination mit einem Laserverfahren zur Klebvorbehandlung
eingesetzt werden.
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung
Die Verarbeitung von faserverstärkten Kunststoffen stellt eine Herausforderung dar.
Komplexe und anwendungsspezifische FVK-Bauteile können oft als funktionelle Einzelstücke
gefertigt werden (Integralbauweise). Häufig ist jedoch eine strukturelle Verbindung
in Baugruppen zu anderen Verbundwerkstoffen oder metallischen Bauteilen notwendig
(Differentialbauweise). Fügeverfahren wie das Schrauben, Nieten oder (Kunststoff-)
Schweißen sind nicht oder nur bedingt einsetzbar. Das anerkannteste und geeignetste

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19727 N
Verfahren ist die Klebtechnik [EHR04 1 , HAB09 2 , VDI15 3 ]. Um eine leistungsfähige und
dauerhafte Klebverbindung reproduzierbar zu erzielen, müssen die Fügeflächen in der
Regel einer Vorbehandlung unterzogen werden, damit eine ausreichende adhäsive Anbindung
zwischen Klebstoff und Fügepartnern erzielt wird. Dabei hat die Oberflächenbeschaffenheit
der Fügefläche einen entscheidenden Einfluss.
Allgemein kann die Beschaffenheit dieser Oberfläche als Schichtsystem mit unterschiedlichen
Charakteristika betrachtet werden. Es lassen sich fünf Schichten identifizieren (vgl.
Abbildung 3.1):
Abbildung 3.1: Typischer Aufbau der Oberfläche eines FVK vor dem Kleben
1. Die äußerste Schicht besteht aus groben Verunreinigungen wie Fette, Öle, Stäube
oder Schmutz. Diese Kontaminationen setzen sich je nach Handhabung während
Transport- und Lagervorgängen auf der Oberfläche ab.
2. Die nächstfolgende Schicht umfasst Rückstände des Herstellungsprozesses. Vor allem
für das Entformen des FVK-Bauteils notwendige Trennmittel lagern sich vom
Formwerkzeug auf der FVK-Oberfläche ab (externe Trennmittel) oder dem Matrixmaterial
ist ein Trennmittel (interne Trennmittel) beigemischt, das während des Formgebungsprozesses
an die Oberfläche migriert. Während der Einsatz von adhäsionshem-
1
[EHR04] Ehrenstein, G., W.: Handbuch Kunststoff-Verbindungstechnik, Hanser Verlag, München, 2004
2
[HAB09] Habenicht, G.: Kleben: Grundlagen, Technologie, Anwendungen, 6., aktualisierte Auflage, Springer
Verlag, Berlin Heidelberg, 2009
3
[VDI15] VDI Technologiezentrum GmbH: Kurzstudie; Bestandsaufnahme Leichtbau in Deutschland, Berlin,
2015

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19727 N
menden Trennmitteln beim Herstellungsprozess notwendig ist, verhindert das Trennmittel
allerdings die Ausbildung von Haftungskräften zum Klebstoff beim darauffolgenden
Kleben der FVK-Bauteile [KRE14 4 , IW12 5 ].
3. Die äußere Matrix- oder Gelcoat-Schicht bildet die Randschicht des FVK. Diese hat
häufig einen gegenüber dem Kunststoffbulk anderen Aufbau. So orientieren sich die
Polymere als Folge der äußeren Trennmittelschicht dergestalt, dass die polaren, für
die Bildung der Adhäsion infrage kommenden Gruppen eher nach innen und die unpolaren
nach außen gerichtet sind. Ein Abtragen dieser äußeren Matrixschicht hat vielfach
einen positiven Einfluss auf die Bildung von Adhäsionswechselwirkungen.
4. Der Bereich der Matrix, der die Gewebelagen der Verstärkungsfasern bedeckt und
einbettet, wird als Grenzschicht bezeichnet.
5. Die fünfte Schicht beinhaltet die Lagen der Verstärkungsfasern.
Insbesondere die Entfernung der ersten zwei Schichten ist unumgänglich, um eine zuverlässige
Klebverbindung zu erzielen. Oft wird die Verunreinigungsschicht durch Säubern
und Entfetten während einer Oberflächenvorbereitung entfernt. Das vollständige Beseitigen
der Trennmittelrückstände erfordert dagegen eine entsprechende Oberflächenvorbehandlung.
Eine Oberflächenvorbehandlung umfasst nicht ausschließlich den Abtrag
von Fremdschichten, welche die Ausbildung von adhäsiven Kräften zwischen Klebstoff
und Fügefläche einschränken. Abhängig von der Art der Vorbehandlung wird zusätzlich
eine Aktivierung der Oberfläche erreicht. Dabei wird die Reaktionsfähigkeit der Polymerstruktur
auf molekularer Ebene gesteigert, sodass zwischen Klebschicht und Matrix
adhäsive Haftungskräfte durch chemische und zwischenmolekulare Wechselwirkungen
ausgebildet werden [HAB09] 6 . Bislang ist kein Verfahren für die Vorbehandlung von Fügeoberflächen
standardisiert. Alle Verfahren haben spezifische Vor- und Nachteile. Allerdings
sind die Prozessabläufe meist sehr arbeitsintensiv und beinhalten einige technische
und wirtschaftliche Nachteile sowie Risiken, die es bisher nicht ermöglicht haben,
4
[KRE14] Kreling, P. S.: Laserstrahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge zur Klebvorbehandlung von CFK,
Dissertation, TU Braunschweig, 2014
5
[IW12] Ihde, J.; Wilken, R.: Reinigen und Aktivieren vor Lackieren und Kleben: Bei Faser-Verbund-Werkstoffen
kommt es auf die richtige Oberfläche an Jahresbericht Fraunhofer IFAM 2011/2012, Bremen,
2012
6
[HAB09] Habenicht, G.: Kleben: Grundlagen, Technologie, Anwendungen, 6., aktualisierte Auflage, Springer
Verlag, Berlin Heidelberg, 2009