Wärmeleitungsfügen hybrider Kunststoff-Metall-Verbindungen

Flock, Dustin; Haberstroh, Edmund

doi:31654

Wärmeleitungsfügen hybrider Kunststoff-Metall-Verbindungen = Heat conduction bonding of plastic-metal hybrid parts

Flock, Dustin

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dustin Flock

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

UmfangIII, 156 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Haberstroh, Edmund (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-12-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38831
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/52450/files/3883.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Kautschuktechnologie (417920)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kunststoff-Metall-Verbund (Genormte SW) ; Kunststoffverarbeitung (Genormte SW) ; Kunststoffbauteil (Genormte SW) ; Fügen (Genormte SW) ; Metallbauteil (Genormte SW) ; Hybride (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Hybrid (frei) ; Hybridbauteil (frei) ; plastic-metal (frei) ; hybrid (frei) ; joining (frei) ; heat conduction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Entwicklung thermischer Fügeverfahren zur Verbindung von Kunststoffen mit Metallen, ohne Zusatzwerkstoff, zu einem hybriden Bauteil ist ein Ziel der Arbeitsgruppe „thermisches Fügen“ des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“. Um thermische Fügeverfahren entwickeln zu können, müssen Grundlagenerkenntnisse zu diesen Hybridverbindungen erarbeitet werden. Für die Erforschung dieser Grundlagenerkenntnisse wird eine Fügeanlage entwickelt, die es ermöglicht Thermoplaste mit Metallen entweder in Überlappkonfiguration oder stumpf zu fügen. Die Kunststoffe werden dabei lokal plastifiziert und unter einem Fügedruck auf das Metallbauteil appliziert. Die zur Plastifizierung notwendige Wärme wird über Wärmeleitung in das Metall eingebracht. Begleitend zu den Fügeversuchen wird der Fügeprozess simulativ abgebildet. Die numerische Simulation der Temperaturverläufe liefert Erkenntnisse über den Fügeprozess, welche sich messtechnisch nicht, oder nur durch nicht zu rechtfertigenden Aufwand, ermitteln ließen. Der relative Fehler der Simulation betrug 1,25%. Neben den Materialpaarungen werden vor allem auch klassische Fügeparameter, wie z. B. die Fügetemperatur, der Fügedruck oder auch die Fügezeit variiert. Als Materialien finden auf der Metallseite Edelstahl, Aluminium und verzinkter Stahl Anwendung. Als Kunststoffe werden die technischen Thermoplaste Polycarbonat, Polyamid und Polybutylenterephthalat eingesetzt. Die beiden letzteren Thermoplaste werden zudem noch glasfasermodifiziert. Die Oberflächenbeschaffenheit der Metalle hat einen wesentlichen Einfluss auf die Haftungsgüte. Um diesen Einfluss zu untersuchen wird die Rauheit der Metalloberfläche durch Sandstrahlen verändert oder es wird die Metalloberfläche mittels Laserstrukturieren gezielt mit Hinterschnitten versehen. Bei optimaler Parameterwahl sind Zugscherfestigkeiten bis in den Bereich des kohäsiven Versagens des Kunststoffpartners möglich. Die Haftungsgüte wird in Kurzzeitzugversuchen ermittelt. Es treten Bruchspannungen bis zu 35 MPa auf.

The development of thermal joining process for plastics-metal components without filler material, into a hybrid component is a goal of the workgroup "Thermal Joining" in the Cluster of Excellence "Integrative Production Technology for High-wage Countries." In order to develop thermal joining processes, basic knowledge needs to be created. To gain this knowledge a simple machine is created which allows to bond plastic to metal, in a lap joint or butt joint, to a hybrid product. The plastic is locally plasticized and under welding pressure applied on the metal surface. The heat required to plasticize is introduced via heat conduction into the metal. Accompanying to the joining experiments the process is mapped in a simulation. The simulation based imaging of temperature gradients across the thickness of the plastic and the metal part gives valuable insights into details of the thermal joining process.The relative error in the simulation was 1.25%. In addition to the material combinations, classic joining parameters, such as joining temperature, joining pressure or joining time are varied. Different metals such as stainless steel, aluminum and galvanized steel are combined with different thermoplastics like polycarbonate, polyamide and polybutyleneterephthalate. The latter two thermoplastics are also modified with glassfiber. The surface properties of metals have a significant influence on the adhesion quality. To investigate this influence the roughness of the metal surface is modified by sand blasting or it will be provided with undercuts by laser structuring. With optimal choice of parameters a cohesive failure of the plastic partner is possible. The bond strength is determined in tensile tests. Tensile stress at break can be up to 35 MPa.

Fulltext:
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