Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC

Transcription

Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie
Dr. Hartwig Lohse
Geklebte Automobil-Anbauteile
aus SMC
26. März 2009
Dr. Hartwig Lohse
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Dr. Hartwig Lohse
Themen
SMC

Geschichtliche Entwicklung
Zusammensetzung, Herstellung
Eigenschaften
Gründe für die Verwendung im Automobilbau
Kleben als Fügeverfahren für SMC
Erfahrungen aus den USA
Anwendungsbeispiele
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Dr. Hartwig Lohse
SMC – Sheet Molding Compound
SMC bezeichnet teigartige Pressmassen aus
duroplastischen Reaktionsharzen (meist Polyseteroder Vinylesterharze), Glasfasern (25 – 50 mm),
Füllstoffen und Additiven zur Herstellung von
Faserverbund-werkstoffen.
Das in Folienform vorliegende Halbzeug wird nach
Zuschneiden in beheizten Fliesspressen zum
fertigen Bauteil, z.B. Automobilkarosserieteilen
weiter verarbeitet.
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Dr. Hartwig Lohse
SMC – Geschichte
1940: Erste Versuche mit
Glasfaserverstärkten
Kunstoffen
1946: The Stout Forty Six
Erstes Auto mit Vollkunststoffkarosserie
Entwickelt und gebaut von
William Bushnell Stout und
Games Slayter (Owens Corning)
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Dr. Hartwig Lohse
SMC – Geschichte
1953: Das Handelsblatt berichtet über
‘Polyester-Pressmassen’
1958: Polyester Prepregs (später benannt als
SMC) werden für die Fertigung von
Kabelboxen für die Deutsche Bundespost
verwendet.
SMC findet weitere Anwendungen im
Bereich der Elektroindustrie und Telekommunikation
1963: Geklebte LKW-Fronthaube in den USA
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Dr. Hartwig Lohse
SMC – Geschichte
1963 – International LKW Haube, US
2-k-PU-Klebstoff
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Dr. Hartwig Lohse
SMC – Geschichte
1972: Durchbruch im Bereich der Automobilindustrie. Renault R5 bekommt Stossfänger aus SMC
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Dr. Hartwig Lohse
SMC – Geschichte
Anfang der 70er Jahre: Kontinuierlicher
Herstellungsprozess für SMC durch Verwendung von Glas Rovings
1980: Audi Ur-Quatro Heckklappe
1982: Citroen BX mit SMC Haube und BMC
Heckklappe als erstes Großserien-Fahrzeug
mit SMC/BMC Anbauteilen
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Dr. Hartwig Lohse
SMC – Zusammensetzung
Harz
Glasfasern
Füllstoffe
Additive
Lediglich ca. 30 % der Inhaltsstoffe Rohöl-basierend
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Dr. Hartwig Lohse
SMC – Herstellung
• Automatisches Mischen der Harzkomponenten mit
den Füllstoffen und Additiven
• Aufrackeln auf eine Trägerfolie
• Zugabe der auf Länge geschnittenen Glasfasern
• Zuführen einer weiteren mit der HarzFüllstoffmischung versehenen Trägerfolie
• Durchlaufen verschiedener Rollen zur
Homogenisierung und Auspressen von
Lufteinschlüssen
• Konfektionierung auf Rollen und ‚Reifung‘
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Dr. Hartwig Lohse
SMC – Verarbeitung zum Bauteil
Das folienförmige Halbzeug wird mittels Fliesspressen
zum fertigen Bauteil, z.B. Automobilkarosserieteilen
weiter verarbeitet.
• Zuschneiden und Einlegen in die Form
• Erweichung des SMC-Halbzeugs durch Wärme (140
– 165 °C) und Druck (ca. 100 bar)
• Ausfüllen der Hohlräume der Form mit SMC
• Aushärtung durch Wärmeaktivierung des
Vernetzersystems
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Dr. Hartwig Lohse
SMC - Gründe für die Verwendung im
Automobilbau
• Gewichtsersparnis gegenüber Stahl ca. 20 %
• Die gestalterische Freiheit erlaubt es eine Vielzahl
von Geometrien wie runde und scharfe Kanten
sowie flächige und voluminöse Formen darzustellen
• Unter der Voraussetzung, dass eine Vielzahl von
Fahrzeugvarianten mit jeweils 30,000 bis 100,000
jährlich gefertigt werden, zeigt SMC gegenüber
Stahl Kostenvorteile, da die Werkzeugkosten
geringer sind. Dieser Effekt wird noch durch kurze
Facelift-Intervalle verstärkt
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Dr. Hartwig Lohse
Automobilbau
Kostenvergleich Stahl-/SMC-Heckklappe
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Dr. Hartwig Lohse
Automobilbau
• Keine Korrosion
• Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung
erlaubt das ‚Verstecken‘ von Antennen zwischen
der Außenhaut und dem inneren Verstärkungsteil
• Sowohl on-line als auch off-line lackierfähig
• Class A Oberfläche,
• Ähnlicher Ausdehnungskoeffizient wie Stahl
• Geräuschdämpfende Eigenschaften
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Dr. Hartwig Lohse
Kleben als Fügeverfahren für SMC
Aufgrund der vielfältigen Vorteile, die das Kleben als
Fügeverfahren bietet ist es für das dauerhafte Verbinden
von Bauteilen aus SMC geradezu prädestiniert
•
•
•
•
•
•
gleichmäßige, flächige Krafteinleitung
Möglichkeit verschiedenartige Materialien zu verbinden
keine oder nur geringe Wärmebelastung der Fügeteile
weitgehende Vermeidung von Oberflächenstörungen
alterungsbeständig
an die Klebaufgabe angepasste mechanische
Eigenschaften des Klebstoffs erlaubt optimale
Gebrauchseigenschaften
• geräuschdämpfende Eigenschaften
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Dr. Hartwig Lohse
Corvette - 1968 bis Heute
1968 begann GM einige
SMC Teile durch Kleben zu
fügen, heute wird nahezu
die gesammte Karosse zusammen geklebt
1968
Heute
1983
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Dr. Hartwig Lohse
Corvette – Beispiel Edition Z06 Fronthaube
Um eine signifikante Gewichtsersparnis zu erzielen
wurde die Fronthaube aus SMC bzw. Kohlefaser
SMC gefertigt.
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Dr. Hartwig Lohse
Fahrerhaus
Kenworth T2000
Substrate:
KTL-lackiertes Aluminium
KTL-lackiertes Stahlblech
3 verschiedene SMC-Typen
Glasfaserverstärktes
Vinylesterharz
Klebstoff:
2K-PUR
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Dr. Hartwig Lohse
Fahrerhaus Kenworth T2000
Kabinenboden
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Dr. Hartwig Lohse
Rück-und Seitenwand
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Dr. Hartwig Lohse
SMC-Feuerwand –
Klebstoffauftrag
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Dr. Hartwig Lohse
SMC-Feuerwand -Fügevorgang
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Dr. Hartwig Lohse
Aufkleben des SMC-Hochdaches
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Dr. Hartwig Lohse
Übersicht:
Produktionslinie
Je nach Typ werden bis zu 30 kg 2-k PU Klebstoffe pro
Fahrerhaus verwendet
Dr. Hartwig Lohse
Jeep Wrangler – Freedom Top
Um die Attraktivität des Fahrzeugs zu
erhöhen wurde das Hardtop des
Vorgänger-Modells grundlegend
überarbeitet und bietet jetzt vielfältige
Variationsmöglichkeiten
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Dr. Hartwig Lohse
Jeep Wrangler Rubicon – Freedom Top
Die SMC Pressteile
werden mit einem
entsprechend der
weißen, leicht
texturierten SMC
Innenseite eingefärbten
2-k-PU-Klebstoff in
einem Arbeitsgang
vollautomatisch
miteinander
verklebt
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Dr. Hartwig Lohse
Anwendungsbeispiele aus Europa
LKW – Airdeflector
Smart Roadster –
Fronthaube & Heckdeckel
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Verstärkungsprofil
nur verklebt* mit der
Außenhaut
Befestigungspunkte
zum Fahrerhaus
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
* Beim großem Airdeflector
zusätzliche Nieten zur
Reduzierung von durch
Schwingungen induzierten
Schälkräften
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Anforderungen:
Hohe Festigkeit
Schockbelastbarkeit
Zähelastisch,
schwingungsresistent
Temperaturstabil
Alterungsbeständig
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Dr. Hartwig Lohse
Klebstoffauswahl:
Zugscherfestigkeit [MPa]
LKW –
Airdeflector
40
30
Phenole
1-& 2-k Epoxide
2-k-Acrylate
20
10
Strukturelle
2-k-Polyurethane
100
200
1- & 2-k elastische
Klebstoffe
300
400
Dehnung [%]
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LKW –
Airdeflector
Dr. Hartwig Lohse
Klebstoffauswahl:
1-k-feuchtigkeitshärtender
PU-Klebstoff
2-k- PU-Klebstoff
ein-komponentig
zwei-komponentig
langsame Vernetzung erfordert
lange Taktzeiten
schnelle wärmeunterstützte Härtung
erlaubt kurze Taktzeiten
hohe Reißdehnung ~ 200%
Reißdehnung ~ 70%
E-Modul ~ 1 MPa
E-Modul ~ 800 MPa
geringe Festigkeit ~ 5 MPa
hohe Festigkeit ~ 25 MPa
Primer für gute SMC Haftung
Primerlos – Haftungsaufbau durch
Wärme
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Verwendeter
Klebstoff:
Wärmeunterstützt härtender 2-k-PU Klebstoff
Æ Gute Haftung auf SMC ohne Primer, lediglich
Reinigung der Oberfläche mit Aceton
Æ rel. lange offene Zeit von 15 Minuten
Æ Schnelle Härtung bis zur Handlingsfestigkeit
durch Wärmebeschleunigung
Æ gute mechanische Eigenschaften
Æ gute Alterungs- und Medienbeständigkeit
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Zugfestigkeit [MPa]
2 k – PU Klebstoff
Kraft-DehnungsDiagramm
E-Modul:
800 MPa
Reißdehnung:
70 %
Zugfestigkeit: 26 MPa
Dehnung [%]
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LKW –
Airdeflector
Dr. Hartwig Lohse
Alterungsverhalten
4,5
100 % Fiber Tear
4,0
Lap Shear Value [MPa]
3,5
3,0
2,5
Surface Prep:
2,0
IPA wipe
1,5
Cure Conditions:
Fixture Cure:
80 sec @ 140 °C
1,0
+ 20 sec cool down
+ 2 * 30 min @ 80 °C
0,5
0,0
Room
Temperature
Series1
4,0
7 days water
- 30 °C
4,2
82 °C
2,7
7 days water
soak @ 54 °C - soak @ 54 °C imm.
rec.
2,7
2,9
6 Week Cycle
SCAB
8 Weeks DIN
Test
Corrosion Test
50017
8 Weeks @ 70
°C
3,2
3,1
2,6
3,9
Slide 35
17
Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Fertigungsablauf
Klebarbeitsplatz,
- Kleben
- Fügen
- Spothärtung
Bereitstellung und Reinigung
Außenteil/Ausschleusen
fertiger Airdeflector
Wärmeunterstütze
Aushärtung
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Dr. Hartwig Lohse
Fertigungsablauf
Reinigen des Außenteils
und Überführen in die
Klebstation
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Fertigungsablauf
Einlegen des
Verstärungsprofils in die
Fügevorrichtung
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Fertigungsablauf
Klebstoffapplikation
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Fertigungsablauf
Spot-Härtung mit
Heißluft
4 Minuten,
Lufttemperatur 150°C,
Objekttemperatur 130
°C
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Fertigungsablauf
Endhärtung mit IRStrahlern
10 Minuten,
Objekttemperatur
~ 100 °C
Elstein IR-Strahler
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Fertigungsablauf
Entnahme des fertigen
Airdeflectors
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Fertigungsbegleitende
Qualitätssicherung
Kleben von Prüfkörpern
unter
Produktionsbedingungen
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Fertigungsbegleitende
Qualitätssicherung
Prüfen im
Zugscherversuch
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Dr. Hartwig Lohse
LKW –
Airdeflector
Seit 1997 ca 10,000bis 15,000 Stück/Jahr gefertigt
Kein Versagensfall bekannt
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Dr. Hartwig Lohse
Anwendungsbeispiele
LKW – Airdeflector
Smart Roadster –
Fronthaube & Heckdeckel
Material: SMC/SMC
& SMC/KTL
Stückzahlen:
> 25,000/Jahr
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Smart Roadster
Aufbau der Teile
Dr. Hartwig Lohse
Beplankung (SMC)
Scharnier (KTL)
Strukturteil
(SMC)
Schließbügel
(KTL)
Abb: smart
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Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster
Bauteil - Anforderungen:
Hohe Festigkeit
Schockbelastbarkeit
Zähelastisch,
Schwingungsresistent
passive Sicherheit (Crash)
Temperaturstabil
Alterungsbeständig
keine Innenverkleidung Æ Optik
Class A Oberfläche
Lackierung gemeinsam mitThermoplastbauteilen,
Colormatching
Heckdeckel als Innenraumbauteil Æ Emissionsvorgaben
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Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster
Klebstoff - Anforderungen:
Æ Gute Haftung auf SMC und KTL ohne
Primer, lediglich Reinigung der Oberfläche
mit Isopropanol/Wasser
Æ rel. lange offene Zeit von 15 Minuten
Æ Schnelle Härtung bis zur Handhabungsfestigkeit
durch Wärmebeschleunigung (Härtungszeit 2,5 min)
Æ gute mechanische Eigenschaften (statische
und dynamische Feststigkeit)
Æ gute Alterungs- und Medienbeständigkeit
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Dr. Hartwig Lohse
Klebstoffauswahl:
Zugscherfestigkeit [MPa]
Smart Roadster
40
30
Phenole
1-& 2-k Epoxide
2-k-Acrylate
20
10
Strukturelle
2-k-Polyurethane
1- & 2-k elastische
Klebstoffe
100
200
300
400
Dehnung [%]
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Dr. Hartwig Lohse
Kraft-DehnungsDiagramm
E-Modul:
Reißdehnung:
800 MPa
70 %
Zugfestigkeit [MPa]
Smart Roadster
Zugfestigkeit: 26 MPa
Dehnung [%]
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25
Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster
4,5
100 % Fiber Tear
4,0
Alterungsverhalten
3,5
Lap Shear Value [MPa]
3,0
2,5
Surface Prep:
2,0
IPA wipe
1,5
Cure Conditions:
Fixture Cure:
80 sec @ 140 °C
1,0
+ 20 sec cool down
+ 2 * 30 min @ 80 °C
0,5
0,0
Room
Temperature
Series1
4,0
7 days water
- 30 °C
4,2
82 °C
2,7
7 days water
soak @ 54 °C - soak @ 54 °C imm.
rec.
2,7
2,9
6 Week Cycle
SCAB
8 Weeks DIN
Test
Corrosion Test
50017
8 Weeks @ 70
°C
3,2
3,1
2,6
3,9
Slide 52
Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster - Fertigungsablauf
Pressen
Beplankung Entgraten
Fronthaube
Verkleben
Fronthaube
Pressen
Strukturteil
Fronthaube
Entgraten
Bohren /
Fräsen
Primern
Lackieren
Einkleben
Einleger
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Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster
Fertigungsablauf - Kleben
Bereitstellung Substrat 1
Komponete
A
Bereitstellung Substrat 2
Komponete
B
reinigen
reinigen
Klebstoffauftrag
Mischen
Topfzeit
Klebstoffauftrag
offene Zeit
offene Zeit
Fügen
Fixieren
weitgende Aushärtung
bei erhöhter Temperatur
bis zum Erreichen der
Handlingsfestigkeit
Entnahme und Weiterbearbeitung
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Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster
Klebstofferwärmung mit
dem Hot-AirImpingement Verfahren
Erhitzte
Luft
Klebstoff
SMC Aussenhaut
Aluminium
-form
SMC Strukturteil
Isolierun
g
SMC Oberflächentemperatur
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27
Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster
Klebstofferwärmung mit
dem Hot-AirImpingement Verfahren
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Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster Klebstofferwärmung mit dem
Hot-Air-Impingement Verfahren
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28
Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster
wärmeunterstützte Aushärtung
140
&
Die Erwärmung des
Klebstoffs
beschleunigt die
Klebstoffhärtung
Temperatur im Klebstoff [°C]
Temperatur [°C]
170
160
120
150
100
140
130
80
3,5 minutes
120
60
110
100
40
90
20
80
70
0
60
00
:0
0
00
:4
0
01
:2
0
02
:0
0
02
:4
0
03
:2
0
04
:0
0
04
:4
0
05
:2
0
06
:0
0
06
:4
0
07
:2
0
08
:0
0
08
:4
0
09
:2
0
10
:0
0
10
:4
0
11
:2
0
12
:0
0
12
:4
0
13
:2
0
Erlaubt den Verzicht
auf Oberflächenvorbehandlung (Primer
oder Schleifen)
50
0
30
60
90
Zeit 150
[min] 180
120
210
240
270
300
Zeit [sec]
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Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster
Klebstofferwärmung
mit dem Hot-AirImpingement
Verfahren
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Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster
Vielen
Dank für Ihre
Klebprozess Aufmerksamkeit
Fragen?
Foto: smart
Dr. Hartwig Lohse
Tel.: 04822 95180
hartwig-lohse@t-online.de
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30