Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Nutzung der Gestaltungsfreiheiten additiver Fertigungsverfahren zur Erhöhung der Festigkeit von Klebverbindungen aus schwer klebbaren Kunststoffen

Aufgrund des schichtweisen Aufbaus weisen additiv gefertigte Bauteile i.d.R. anisotrope mechanische Eigenschaften auf. Dadurch versagen Klebverbindungen aus entsprechenden Komponenten häufig durch Delamination der einzelnen Schichten. Besonders bei einer Belastung senkrecht zum Schichtaufbau wirkt sich dieser Umstand sehr negativ aus, da die Festigkeit der Fügeverbindung maßgeblich von der Haftung der obersten Bauteilschicht auf der darunter liegenden Schicht bestimmt wird. Somit kann die Festigkeit des Klebstoffs in vielen Fällen nicht voll ausgenutzt werden, da die Delamination bei geringeren Belastungen einsetzt.

Das Ziel des Projekt ist es die Gestaltungsfreiheiten der additiven Fertigung (AF) dazu zu nutzen, um durch sog. Interlocking-Features (mechanische Verankerungen) das Fügen von Kunststoffen mit schlechten Klebeigenschaften durch die Nutzung der mechanischen Adhäsion zu verbessern und unter Umständen eine Oberflächenvorbehandlung dadurch überflüssig zu machen bzw. in Kombination eine Festigkeitssteigerung zu ermöglichen. Mit Hilfe von Gitterstrukturen wird die Kraft über den ausgehärteten Klebstoff in das Bauteilinnere geleitet und so auf mehrere Schichten verteilt. Im Gegensatz zu konventionellen Fertigungsverfahren (z.B. Spritzguss) werden hierbei keine zusätzlichen oder neuen Werkzeuge benötigt, sodass die Anpassung der Fügezone individuell je nach Anwendungsfall und Beanspruchung gezielt vorgenommen werden kann.

Die meisten KMU verfügen über ein unzureichendes Wissen über die gestalterischen Möglichkeiten, die ihnen die AF bietet. Zudem fehlt es ihnen an Erfahrungen im Hinblick auf das Fügen und damit über eine klebgerechte Auslegung additiv gefertigter Bauteile. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens schließen diese Lücke und erleichtern den KMU den Einstieg in diese Bereiche. Gleichzeitig erhöhen sie die Akzeptanz für diese Technologie im Mittelstand und helfen beim Aufbau von Kernkompetenzen im Bereich des Fügens von AF-Teilen.

Ergebniszusammenfassung:

Thema: Nutzung der Gestaltungsfreiheiten additiver Fertigungsverfahren zur Erhöhung der Festigkeit von Klebverbindungen aus schwer klebbaren Kunststoffen

Für Klebverbindungen mit schwer klebbaren Kunststoffen sind diverse Oberflächenvorbehandlungen notwendig, wie z.B. Niederdruckplasma oder Laser. Die dafür erforderliche Anlagentechnik und das notwendige Know-how stellen kleine und mittelständische Unternehmen oft vor Probleme. Mit dem Gitter in der Klebfläche des Kunststoffbauteils können diese jetzt zuverlässig im Formschluss verbunden werden. Dabei können die Bauteile trocken ohne Klebstoff gefügt werden, wodurch genügend Zeit für die Positionierung vorhanden ist, und keine Gefahr von Verschmutzung durch Klebstoff besteht. Nach der Fixierung wird der Klebstoff durch Kanäle einspritzt und verteilt sich durch das Gitter hindurch in der Klebverbindung.

Auf Basis der im Projekt erreichten Ergebnisse wurden Gestaltungsempfehlungen entwickelt, die ein Erzeugen der Strukturen sowie eine Anwendung im Realen erleichtern und dem KMU nun für die Anwendung zur Verfügung stehen. Sie werden das bereits veröffentlichte DVS Merkblatt 1401 um wichtige Aspekte ergänzen.

Das Marktvolumen der additiven Fertigungsverfahren hat einen stetigen Zuwachs, und in diesem Marktsegment gibt es einen großen Anteil an KMU. Die hier erzielten Ergebnisse können für diese einen wertvollen und innovativen Beitrag liefern, wie z.B. eine anwendungsorientiere Auslegung von Klebverbindungen aus additiv gefertigten Komponenten. KMU, die als Dienstleister ihre Kunden hinsichtlich der Gestaltung von additiv gefertigten Bauteilen beraten, können durch die Forschungsergebnisse ihr Beratungsangebot entsprechend erweitern, wenn ihnen bisher die erforderlichen Kompetenzen in Bezug auf eine klebgerechte Auslegung gefehlt hat.