Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer innovativen Fügemethode zum klebstofffreien Verbinden von Kunststoffen mittels VUV-Strahlung

Zum stoffschlüssigen Fügen von unterschiedlichen Materialien werden in der polymeren Fertigungstechnik oft die Verfahren „Kleben“ und „Schweißen“ eingesetzt. Bei diesen Verfahren werden die Fügeteile mittels Klebstoff bzw. beim Schweißen mittels Energie, Zeit und Druck dauerhaft und unlöslich miteinander verbunden. In vielen Wirtschaftszweigen bzw. Bereichen nehmen diese Technologien heute oft sogar eine Schlüsselrolle ein.

Im Vordergrund des geplanten Vorhabens steht die Entwicklung eines innovativen Fügeverfahrens, das als Werkzeug für klebstofffreie fügetechnische Anwendungen von gleich- und verschiedenartigen polymeren Materialien (Alternative zu Schweißen und Kleben) dienen soll und auf der VUV-Technik basiert. Eine Ableitung darauf aufbauender Prozessparameter für die Implementierung des Verfahrens in Produktionsanlagen stellt ein weiteres Ziel dieses Vorhabens dar.

Die VUV-Technik soll hierbei ein breites Anwendungsfeld für die Oberflächenvorbereitung und Fügung von unterschiedlichen polymeren Werkstoffen u. a. im Bereich der Optik und Mikrofluidik eröffnen. Sie soll ebenso eine rückstandsfreie Entfernung organischer Verunreinigungen ermöglichen und zur Verbesserung der optischen Qualität von Fügeverbindungen bei gleich- und verschiedenartigen Materialien führen.

Durch einen klebstofffreien Fügeprozess, der sich problemlos in eine automatisierte, maschinelle Fertigung integrieren lässt, würden die beschriebenen Nacharbeits-, Material- sowie Personalkosten größtenteils entfallen. Somit besteht die wesentliche wirtschaftliche Bedeutung des geplanten Forschungsvorhabens in der Zeit- und Kostenersparnis durch Entwicklung und Validierung eines zeitstabilen klebstofflosen VUV-Fügeverfahrens, das keine Nachbearbeitung erfordert. Die angestrebten Ergebnisse sind hierbei für mehrere KMU-geprägte Wirtschaftszweige wie z. B. Optik, Mikroelektronik, Medizin sowie Feinwerktechnik interessant.

Ergebniszusammenfassung:

Das Fügen thermoplastischer Kunststoffe mit vakuumultravioletter Strahlung hat aufgrund niedriger Fügetemperaturen, Einsatz ohne Zusatzwerkstoffe und Energie- und CO2-Einsparungsmöglichkeiten großes Potenzial in der Verbindungstechnik. Der Einsatz beschränkt sich bis dato allerdings auf Nischenanwendungen, wie das Verbinden von mikrostrukturierten Bauteilen (z.B. Mikrofluidik-Sensoren). Eine großtechnische Anwendung ist - auch aufgrund von verfahrenstechnischen Restriktionen - noch nicht realisiert.

Auf dem Stand der Technik aufbauend wurde im Vorhaben gezeigt, dass es möglich ist, industrienahe Fügeprozesse so zu gestalten, dass die VUV-Technologie zur Modifizierung von Kunststoffoberflächen mit vergleichsweise niedrigem Aufwand und Investitionskosten in bestehende Prozesse integriert werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass eine Absenkung der Fügetemperaturen von mehr als 200 °C (Größenordnung klassischer Schweißprozesse) auf Temperaturen von maximal 80 °C realisiert werden konnte. Dabei konnten hohe mechanische Kurzzeitfestigkeiten bei teilweise kohäsivem Bauteilversagen und gleichzeitig geringem Einfluss auf Bauteilstrukturen erreicht werden. Umfangreiche Tests zur Beständigkeit gegenüber verschiedenen klimatischen Alterungen haben zudem eine für viele Anwendungen adäquate Alterungsbeständigkeit aufgezeigt.

Die Ergebnisse leisten damit einen innovativen Beitrag zur Weiterentwicklung und zum Transfer eines neuen Verfahrens zum klebstofffreien Verbinden thermoplastischer Kunststoffe. Die im Projekt entwickelte Demonstratoranlage ermöglicht es, Fügeprozesse unter Zuhilfenahme von VUV-Strahlung in einem einschrittigen Prozessablauf umzusetzen und damit die benötigte Zykluszeit sowie die Automatisierbarkeit im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik deutlich zu verbessern. Die am SKZ entwickelte Anlage wird von der Industrie bereits aktiv genutzt, um im Rahmen von Auftragsentwicklungen eigene Anwendungsfelder im Bereich des VUV-Bondings zu prüfen.