Erbslöh Aktiengesellschaft 1 1. Fachkolloquium Integration eines Laservorbehandlungssystems in eine...

ErbslöhAktiengesellschaft

1

1. Fachkolloquium

Integration eines Laservorbehandlungssystems in eine moderne klebtechnische Serienfertigung

Ergebnisse

Dipl.-Ing Ralf Hoseam TC Kleben, Carlstr. 50, Übach-Palenberg

ErbslöhAktiengesellschaft

2

Ausgewählte Materialien

SMC

ABS

Stahl feuerverzinkt

AlMgSi0.5 6016

AlMgSi0.5 6040

AlMgSi0.5 6043 pulverbeschichtet

AlMgSi0.5 6043 eloxiert

ErbslöhAktiengesellschaft

3

Vorbehandlungen

Entfettung mit Isopropanol

Entfettet + Atmosphärenplasma

Entfettet + SACO

ArF Excimerlaservorbehandlung

ND-YAG Laservorbehandlung

ErbslöhAktiengesellschaft

4

Probenmatrix

Ungealtert 2W Kataplasma 10W VDA 621 415

ErbslöhAktiengesellschaft

5

Klebstoffe

3M DP 490

Vantico (Huntsman) Agomet F330

Henkel Teroson Teromix 6700

Dow Automotive Betamate 1496

Forbo Helmitin Helmipur 800T

ErbslöhAktiengesellschaft

6

Oberflächenanalysen

UV-VIS-Spektroskopie – optische Eigenschaften der Oberfläche

WIM – Änderung der Topographie bzw. Rauhigkeit der Oberfläche

XPS – chemische Zusammensetzung der Oberfläche bis zu 4 nm

REM/EDX – Topographie/chemische Elemente in der Oberfläche bis zu 2,5 µm je nach Erreger- spannung

Kontaktwinkelmessung – Bestimmung der Oberflächenenergie

ErbslöhAktiengesellschaft

7

Kontaktwinkelmessung

KAFg

KF

KG

F

KFA

FG

KG

KF

= Klebstoff= Fügeteil= Atmosphäre= Kontaktwinkel= Oberflächenspannung Substrat= Oberflächenspannung Klebstoff= Grenzflächenspannung zwischen Klebstoff und Fügeteil

KG

KFFGα

cos

ErbslöhAktiengesellschaft

8

Reflektionsspektrum

AlMgSi0.5 eloxalArF 193 nm, 40Hz200 Pulses

200 400 600 800 1000 1200 14000

20

40

60

80

100

E002 (untreated) E004 (460 mJ/cm²) E006 (230 mJ/cm2) E007 (130mJ/cm²)

Ersteller: Horn-SolleDatei: Projektnummer: Datum: 29,09,03

Refl

ecta

nce

[%

]

Wavelength [nm]200 400 600 800 1000 1200 1400

80

100

120

140

160

N004(440mj/cm²) N005(235mj/cm²) N006(475mj/cm²) N002(untreated)

Ersteller: Horn-SolleDatei: Projektnummer: Datum: 30,09,03

Refl

ecta

nce

[%

]Wavelength [nm]

AlMgSi0.5 6040ArF 193 nm, 40Hz200 Pulses

ErbslöhAktiengesellschaft

9

Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit

Weißlichtinterferenz :ArF-193

nm

0 200 400 600 800 1000

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

AlMgSi0.5 pulverlackiert AlMgSi0.5 eloxiert ABS SMC

mitt

lere

Rau

hig

keit

Rm

[µ

m]

Energiedichte in mJ/cm²

Pulverlack: Anstieg der Rauhigkeit schon bei geringen Energie-dichten (< 100 mJ/cm²)

ErbslöhAktiengesellschaft

10

Oberflächenmodifizierung

Bis 300 mJ: Zunahme des Al 2pPeaks durch Reduktion der Oberflächenkontamination.

Ab 300 mJ/cm²: Abnahme der Signalintensität durch Änderung der Oberflächenmorphologie.

Aufspalten der Peaks zeigt eine chemische Verschiebung von AL2O3 zu ALOX.

:AlMgSi0.5 eloxiert

:XPS

:ArF-193nm

78 77 76 75 74 73 72

0

1000

2000

3000

4000 as received 100 mJ/cm² 130 mJ/cm² 300 mJ/cm² 490 mJ/cm² 1000 mJ/cm² Al203 Referenz

Ersteller: Horn-SolleDatei: Projektnummer: Datum: 11,12,02

Cou

nts/

s

Bindungsenergie eV

ErbslöhAktiengesellschaft

11

Oberflächenmorphologie AlMgSi0.5 6043 pulverbeschichtet

REM

unbearb. 30 mJ/cm²

40 mJ/cm²

45 mJ/cm²

50 mJ/cm²

35 mJ/cm²

ArF-193nm Excimer-Laser

ErbslöhAktiengesellschaft

12

Oberflächenmorphologie AlMgSi0.5 6043 eloxiert

120mJ/cm²

185 mJ/cm²

270 mJ/cm²

670 mJ/cm²

720 mJ/cm²

200Pulse 50 Hz

Variation der Energiedichte Ab Energiedichten von 120 mJ /cm² (100 oder 200 Pulse)findet ein Aufschmelzen derEloxalschicht statt.Die Schicht wird weiss und es bilden sich Schmelztropfen auf der Oberfläche.Mit steigender Energiedichte wächst die Größe der Schmelztropfen.

ArF-193nm Excimer-Laser

REM-Aufzeichnung

ErbslöhAktiengesellschaft

13

Oberflächenmorphologie AlMgSi0.5 6043 eloxiert

REM/EDX

Al rot O grün

EDX-Darstellung von Aluminium undSauerstoff.Entfernung der Eloxalschicht bis aufSchmelztropfen und unbehandelteBereiche (grün)

AlMgSi0.5 eloxiertNd-YAG behandelt

ErbslöhAktiengesellschaft

14

Prüfungen der Klebverbindungen

Zugscherprüfung (ZGS) nach DIN EN 1465

2 Wochen Kataplasma + ZGS

10 Wochen VDA-Wechseltest 621415 + ZGS

ErbslöhAktiengesellschaft

15

Zugscherprüfung in Anlehnung an DIN EN 1465

Temperatur = RT Prüfgeschwindigkeit = 5 mm/min

100

12,5

25

ErbslöhAktiengesellschaft

16

Kataplasmatest

Lagerung der Proben bei:

100% rel. Luftfeuchtigkeit

8h bei –21°C

16h bei 70°C

Geschlossene Atmosphäre

ErbslöhAktiengesellschaft

17

VDA Wechseltest (VDA 621415)

Lagerung der Proben bei:

24h Salzsprühtest

6h Schwitzwassertest

3h Raumtemperatur

6h bei 100°C

2h bei Raumtemperatur

5h bei –30°C

66h bei RT

3x

ErbslöhAktiengesellschaft

18

Laservorbehandlung von SMC

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

Kle

bfe

stig

keit

Mit

telw

ert

[N/m

m2]

Vantico Agomet F330 Scotch Weld DP 490

Klebstoff

Vergleich von Oberflächenvorbehandlungen bei SMC

Isopropanol

Isopropanol Kataplasma

Laser

Laser Kataplasma

100

12,5

25

100

12,5

25

s. DiagrammMaterial 2

s. Diagramm Klebstoff

s. DiagrammAushärtung

RT 24h

Material 1

TemperaturRT

Prüfgeschwindigkeit

5mm/min

ErbslöhAktiengesellschaft

19

Laservorbehandlung von ABS

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

Kle

bfe

stig

keit

Mit

telw

ert

[N

/mm

2]

Vantico Agomet F330 Scotch Weld DP 490

Klebstoff

Isopropanol

Isopropanol Kataplasma

Laser

Laser Kataplasma 100

12,5

25

100

12,5

25

s. DiagrammMaterial 2

s. Diagramm Klebstoff

s. DiagrammAushärtung

RT 24h

Material 1

TemperaturRT

Prüfgeschwindigkeit

5mm/min

ErbslöhAktiengesellschaft

20

Laservorbehandlung von feuerverzinktem Stahl

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

Kle

bfe

stig

keit

Mit

telw

ert

[N/m

m2]

Forbo Helmipur 800 T Scotch Weld DP 490

Klebstoff

Vergleich von Oberflächenvorbehandlungen bei feuerverzinktem Stahl

Isopropanol

Laser

Laser Kataplasma

100

12,5

25

100

12,5

25

s. DiagrammMaterial 2

s. Diagramm Klebstoff

s. DiagrammAushärtung

RT 24h

Material 1

TemperaturRT

Prüfgeschwindigkeit

5mm/min

ErbslöhAktiengesellschaft

21

Vorbehandlungen bei Aluminium verklebt mit Helmipur 800T

Alu

min

ium

601

6

Alu

min

ium

604

0

Alu

min

ium

604

3el

oxie

rt

Alu

min

ium

604

3pu

lver

b.

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

Kle

bfe

stig

keit

[N

/mm

^2]

Material

Isopropanol

Atmosphärenplasma

ND-YAG-Laser

SACO

ErbslöhAktiengesellschaft

22

Parameterauswahl

Laserparameter 1 (schmilzt Oberfläche auf)

Parameter kombiniert die Parameter 1+2

Laserparameter 2 (Reinigungsparameter)

Laser in Atmosphäre

Laser im Flammsilikatstrom

Laser im Heliumstrom

ErbslöhAktiengesellschaft

23

Kontaktwinkelmessungen

Material 6016 (A)

Ungealtert

K: sofort, M nach 60min, L nach 24h

Normale Atmosphäre

78,06 78,09 78,25

60

62

64

66

68

70

72

74

76

78

80

Ob

erfl

äch

enen

erg

ie [

mN

/m]

6016A01K0XX

6016A02K0XX

6016A03K0XX

78,03

62,54

77,54

60

62

64

66

68

70

72

74

76

78

80

Ob

erfl

äch

enen

erg

ie [

mN

/m]

6016A01M0XX

6016A02M0XX

6016A03M0XX

78,25

70,1

77,85

60

62

64

66

68

70

72

74

76

78

80

Ob

erfl

äch

enen

rgie

[m

N/m

]

6016A01L0XX

6016A02L0XX

6016A03L0XX

ErbslöhAktiengesellschaft

24

Aluminium 6040 – Teromix 6700

0

5

10

15

20

Zu

gsc

her

fest

igke

it i

n

[N/m

m^

2]

keine LasPar 1 LasPar 2 LasPar 3

sofort verklebt

Luft Schutzgas Flammsilikat.

0

5

10

15

20

Zu

gsc

her

fest

igke

it i

n

[N/m

m^

2]

keine LasPar 1 LasPar 2 LasPar 3

sofort verklebt

Luft Schutzgas Flammsilikat.

Ohne Alterung 10W VDA-Wechseltest

ErbslöhAktiengesellschaft

25

Verklebung Al 6016 mit Betamate 1496

Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Al 6016 in MPa

05

10

1520

253035

sofort verklebt

nach 1h

nach 24h

sofort verklebt, VDA621-415

nach 1h, VDA621-415

nach 24h, VDA621-415

Laser, Normalatmosphäre

Laser, Schutzgas

keine Vorbehandlung

ErbslöhAktiengesellschaft

26

Verklebung Al 6016 mit Teromix 6700

Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Al 6016 in MPa

0

5

10

15

20sofort verklebt

nach 1h

nach 24h

sofort verklebt, VDA621-415

nach 1h, VDA621-415

nach 24h, VDA621-415

Laser, Normalatmosphäre

Laser, Schutzgas

Laser, Flammsilikat.

keine Vorbehandlung

ErbslöhAktiengesellschaft

27

Verklebung Al 6040 mit Betamate 1496

Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Al 6040 in MPa

05

10

1520

253035

sofort verklebt

nach 1h

nach 24h

sofort verklebt, VDA621-415

nach 1h, VDA621-415

nach 24h, VDA621-415

Laser, Normalatmosphäre

Laser, Schutzgas

keine Vorbehandlung

ErbslöhAktiengesellschaft

28

Verklebung Al 6040 mit Teromix 6700

Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Al 6040 in MPa

0

5

10

15

20sofort verklebt

nach 1h

nach 24h

sofort verklebt, VDA621-415

nach 1h, VDA621-415

nach 24h, VDA621-415

Laser, Normalatmosphäre

Laser, Schutzgas

Laser, Flammsilikat.

keine Vorbehandlung

ErbslöhAktiengesellschaft

29

Verklebung Al 6043 eloxiert mit Betamate 1496

Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Al 6043 in MPa

0

5

10

15

20

25

30sofort verklebt

nach 1h

nach 24h

sofort verklebt, VDA621-415

nach 1h, VDA621-415

nach 24h, VDA621-415

Laser, Normalatmosphäre

Laser, Schutzgas

ErbslöhAktiengesellschaft

30

Verklebung Al 6043 eloxiert mit Teromix 6700

Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Al 6043 in MPa

0

5

10

15

20sofort verklebt

nach 1h

nach 24h

sofort verklebt, VDA621-415

nach 1h, VDA621-415

nach 24h, VDA621-415

Laser, Normalatmosphäre

Laser, Schutzgas

ErbslöhAktiengesellschaft

31

Textgröße 18 Punkt fett