Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prozessbeobachtung und -regelung der Klebvorbereitung PUR- und thermoplastbasierter, faserverstärkter Kunststoffe mittels Laser

Für faserverstärkte Kunststoffe (FVK) ist Kleben das optimale Fügeverfahren, da es sich dabei um eine Technik handelt, die dem Faserverbund gerecht wird. Jedoch neigen insbesondere thermoplastische Kunststoffe zu einer schlechten Klebbarkeit. Dies resultiert zum einen aus dem Aufbau der Kunststoffoberfläche und der damit verbundenen niedrigen Oberflächenenergie, 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 oft an der Möglichkeit einer Inline-Kontrolle des Vorbehandlungsprozesses, sodass eine Automatisierung der Klebvorbehandlung von FVK-Bauteilen kaum gegeben ist. Diese ist aber eine Grundvoraussetzung für eine wirtschaftliche Serienfertigung.

Im Rahmen dieses Projektes wird eine Inline-Kontrolle auf Basis der Kombination von Pyrometrie und Spektrometrie entwickelt. Dabei handelt es sich um zwei optische Messverfahren, mit denen lokal die Oberflächentemperatur respektive die chemische Zusammensetzung der Oberfläche untersucht werden kann. Beide Verfahren lassen sich gut in Kombination mit einem Laserverfahren zur Klebvorbehandlung einsetzen.

Das vorliegende Vorhaben hat sich vorgenommen, eine entsprechende in Prozessketten integrierbare Lösung zu erarbeiten. Neben einer besseren, gesundheitsschonenden und großserienfähigen Möglichkeit zur Vorbehandlung von FVK werden hieraus neue Betriebsmittel resultieren, die ein neues Geschäftsfeld, hauptsächlich auch für KMU, darstellen. Eine Betrachtung der KMU Zusammensetzung im PA spiegelt realistisch die Anwendbarkeit und den Nutzen für KMU wieder. Nutzbar sind die Ergebnisse des Vorhabens vor allem für KMU die in der Prozessentwicklung bzw. der Anlagen- und Analytik tätig sind. Die geplanten Ergebnistransfermaßnahmen sind Erfolg versprechend.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Projekts wurde ein geregelter Laservorbehandlungsprozess bestehend aus Reinigung und Vorbehandlung entwickelt, um erstmals eine robuste Automatisierung dieses Prozesses für den industriellen Einsatz zu ermöglichen. Dazu wurde eine optische Vorerfassung der zu behandelnden Bauteile entwickelt, welche die Klebflächen erkennt und darauf befindliche Kontaminationen detektiert. Es wurde eine Lasersteuerung entwickelt, die die Informationen der Vorerfassung verarbeitet, um anschließend auf den Flächen Reinigungs- und Vorbehandlungsschritte durchzuführen. Zur Regelung des Prozesses wurde eine Überwachung mittels Spektrometrie integriert. Verunreinigungen auf der Fügeteiloberfläche konnten somit identifiziert werden, um den Reinigungsprozess entsprechend einzustellen. Auf Couponprobenbasis wurden umfangreiche Versuchsreihen auf glasfaserverstärktem Polyamid 6, glasfaserverstärktem Polyurethan und reinem Polyurethan mit verschiedenen Laserstrahlquellen durchgeführt, um entsprechend geeignete Vorbehandlungsparameter zu identifizieren. Als Kontaminationen wurden Glasstaub und Trennmittel untersucht und Reinigungsparameter identifiziert. Zur Beurteilung der Vorbehandlung wurden Kontaktwinkelmessungen, Laserscanningmikroskopie, REM-Aufnahmen und mech. Prüfungen durchgeführt. Der Prozess wurde abschließend auf ein Demonstratorbauteil übertragen. Von den durchgeführten Entwicklungen werden langfristig Unternehmen profitieren, die Bauteile oder Bauteilgruppen aus FVK klebend fügen. Durch die Kombination aus oberflächenreinigender und -aktivierender Klebflächenvorbehandlung mittels eines robusten und inline überwachten Prozesses werden diese Unternehmen in die Lage versetzt, hochwertigere Produkte herzustellen. Des Weiteren bedarf die Umsetzung der Technologie des Knowhows von Systemintegratoren aus dem Bereich Optik und Lasertechnik, Firmen aus den Bereichen Sensorik und Datenverarbeitung sowie Herstellern von Lasern und optischer Komponenten.