Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Verfahrens für das klebstofffreie Niedertemperaturfügen von Kunststoffen mit verschiedenen Materialien (NTF4R2R)

Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll die Technologie des klebstofffreien Nieder-temperaturfügens (NTF) mittels PCVD appliziertem Precursor für den industriellen Einsatz qualifiziert werden. Das NTF von Bahnenware konnte bereits in der Vergangenheit erfolgreich demonstriert und grundlegend untersucht werden. Als besonders vorteilhafter Precursor hat sich 3-Aminopropyltrimethoxysilan (APTMS) herauskristallisiert. In der sogenannten Aldyne®-Anordnung ist es möglich, ein Gemisch aus Prozessgas und Precursor in den Elektrodenspalt einer dielektrisch behinderten Barriereentladung (DBE) einzublasen. Das Silan bildet eine nanometerdicke Haftschicht, welche kovalent an die aktivierte Warenbahn anbindet. Dies ermöglicht ein anschließendes Fügen bei moderatem Druck und einer Temperatur deutlich unter 100 °C. Wesentliche Einschränkung zum industriellen Einsatz dieser Technologie stellen Probleme bei der Qualitätssicherung (Analytik der Plasmapolymerschicht) sowie das Langzeitverhalten bzgl. der Elektrodenkontamination (Niederschläge und damit Reduzierung der Leistungsfähigkeit der Elektroden) dar. Für die analytische Aufklärung der Schichtapplikation soll ein Ellipsometer in die Prozesskette integriert werden, mit dem selbst nanometerdicke Schichten präzise bestimmt werden können. Damit lassen sich Erkenntnisse über die applizierte Menge an Precursor als auch bzgl. des Aktivierungsschrittes und der damit einhergehenden Oberflächenveränderung gewinnen. Mit Hilfe der Gasphasenanalytik sollen das Austragsverhalten der Precursoren sowie die Kontamination im Elektrodenraum quantifiziert werden. Ziel ist es, einen kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Prozess des NTF für die industrielle Anwendung zu entwickeln und so den Zugang zu dieser Technologie zu ermöglichen.

So ein Verfahren ist für alle KMU wirtschaftlich interessant, die z. B. Montage- und Schutzfolien für Zwischen- und Endprodukte in Bereichen wie Maschinen- und Fahrzeugbau sowie der Elektronikindustrie herstellen.

Ergebniszusammenfassung:

Innerhalb des Forschungsvorhabens wurde ein Verfahren zum kontinuierlichen klebstofffreien Fügen von Polymer/Metallverbunden entwickelt. Als Haftvermittler wurde ein siliziumorganischer Präkursor eingesetzt.

Im ersten Teil des Projektes konnten mit Hilfe diskontinuierlicher Versuche optimale Anlagen- und Fertigungsparameter ermittelt werden. Die resultierenden Verbundhaftungen wurden mittels Schältest ermittelt und lagen je nach Materialpaarung mit bis zu 20 N/15mm in einem sehr guten Bereich. Die als optimal eingestuften Anlagenparameter und Materialverbunde wurden anschließend zur Überführung des Verfahrens in den kontinuierlichen Bereich genutzt. Hier konnten ausstattungsbedingt Fertigungsgeschwindigkeiten von maximal 10 m/min realisiert werden. Auf diese Weise erfolgte die erfolgreiche Fertigung verschiedener VLD-PE/Metallverbunde. Die resultierenden Haftkräfte lagen mit ca. 3 N/15mm zwar deutlich unter denen der diskontinuierlich gefertigten Proben, befinden sich aber für ein kontinuierliches Verfahren in einem guten Bereich. Optimierungsbedarf wird vor allem bei der Wärmeübertragung von den beheizten Walzen auf die Präkursorschicht gesehen. Materialverbunde mit PET als Fügepartner konnten nicht realisiert werden.

Ein weiteres Teilziel war die Konzeptionierung einer kontaminationsfreien Elektrode. Dazu wurde in einem Modellreaktor zusätzlich zum Prozessgas ein Spülgas eingesetzt. Dieses hält das mit Präkursor beladene Prozessgas strömungstechnisch davon ab, mit der Hochspannungsseite in Kontakt zu kommen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass im Dauertest von 90 Minuten durch ein optimales Verhältnis von spezifischen Spülgas- und Prozessgasflüssen die Kontamination nahezu unterdrückt werden konnte.

Der Einsatz dieser neuartigen Fügetechnologie soll vorrangig in KMU für die folgenden Anwendungen erfolgen: Maschinenbau, Leiterplattenfertigung, Coil Coating-Bereiche, Automobilzulieferindustrie und dem breit gefächerten Ein- und Ersatz von Klebeverfahren.