Erbslöh Aktiengesellschaft 1 1. Fachkolloquium Integration eines Laservorbehandlungssystems in eine...
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ErbslöhAktiengesellschaft
1
1. Fachkolloquium
Integration eines Laservorbehandlungssystems in eine moderne klebtechnische Serienfertigung
Ergebnisse
Dipl.-Ing Ralf Hoseam TC Kleben, Carlstr. 50, Übach-Palenberg
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ErbslöhAktiengesellschaft
2
Ausgewählte Materialien
SMC
ABS
Stahl feuerverzinkt
AlMgSi0.5 6016
AlMgSi0.5 6040
AlMgSi0.5 6043 pulverbeschichtet
AlMgSi0.5 6043 eloxiert
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ErbslöhAktiengesellschaft
3
Vorbehandlungen
Entfettung mit Isopropanol
Entfettet + Atmosphärenplasma
Entfettet + SACO
ArF Excimerlaservorbehandlung
ND-YAG Laservorbehandlung
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ErbslöhAktiengesellschaft
4
Probenmatrix
Ungealtert 2W Kataplasma 10W VDA 621 415
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ErbslöhAktiengesellschaft
5
Klebstoffe
3M DP 490
Vantico (Huntsman) Agomet F330
Henkel Teroson Teromix 6700
Dow Automotive Betamate 1496
Forbo Helmitin Helmipur 800T
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ErbslöhAktiengesellschaft
6
Oberflächenanalysen
UV-VIS-Spektroskopie – optische Eigenschaften der Oberfläche
WIM – Änderung der Topographie bzw. Rauhigkeit der Oberfläche
XPS – chemische Zusammensetzung der Oberfläche bis zu 4 nm
REM/EDX – Topographie/chemische Elemente in der Oberfläche bis zu 2,5 µm je nach Erreger- spannung
Kontaktwinkelmessung – Bestimmung der Oberflächenenergie
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ErbslöhAktiengesellschaft
7
Kontaktwinkelmessung
KAFg
KF
KG
F
KFA
FG
KG
KF
= Klebstoff= Fügeteil= Atmosphäre= Kontaktwinkel= Oberflächenspannung Substrat= Oberflächenspannung Klebstoff= Grenzflächenspannung zwischen Klebstoff und Fügeteil
KG
KFFGα
cos
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ErbslöhAktiengesellschaft
8
Reflektionsspektrum
AlMgSi0.5 eloxalArF 193 nm, 40Hz200 Pulses
200 400 600 800 1000 1200 14000
20
40
60
80
100
E002 (untreated) E004 (460 mJ/cm²) E006 (230 mJ/cm2) E007 (130mJ/cm²)
Ersteller: Horn-SolleDatei: Projektnummer: Datum: 29,09,03
Refl
ecta
nce
[%
]
Wavelength [nm]200 400 600 800 1000 1200 1400
80
100
120
140
160
N004(440mj/cm²) N005(235mj/cm²) N006(475mj/cm²) N002(untreated)
Ersteller: Horn-SolleDatei: Projektnummer: Datum: 30,09,03
Refl
ecta
nce
[%
]Wavelength [nm]
AlMgSi0.5 6040ArF 193 nm, 40Hz200 Pulses
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ErbslöhAktiengesellschaft
9
Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit
Weißlichtinterferenz :ArF-193
nm
0 200 400 600 800 1000
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
AlMgSi0.5 pulverlackiert AlMgSi0.5 eloxiert ABS SMC
mitt
lere
Rau
hig
keit
Rm
[µ
m]
Energiedichte in mJ/cm²
Pulverlack: Anstieg der Rauhigkeit schon bei geringen Energie-dichten (< 100 mJ/cm²)
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ErbslöhAktiengesellschaft
10
Oberflächenmodifizierung
Bis 300 mJ: Zunahme des Al 2pPeaks durch Reduktion der Oberflächenkontamination.
Ab 300 mJ/cm²: Abnahme der Signalintensität durch Änderung der Oberflächenmorphologie.
Aufspalten der Peaks zeigt eine chemische Verschiebung von AL2O3 zu ALOX.
:AlMgSi0.5 eloxiert
:XPS
:ArF-193nm
78 77 76 75 74 73 72
0
1000
2000
3000
4000 as received 100 mJ/cm² 130 mJ/cm² 300 mJ/cm² 490 mJ/cm² 1000 mJ/cm² Al203 Referenz
Ersteller: Horn-SolleDatei: Projektnummer: Datum: 11,12,02
Cou
nts/
s
Bindungsenergie eV
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ErbslöhAktiengesellschaft
11
Oberflächenmorphologie AlMgSi0.5 6043 pulverbeschichtet
REM
unbearb. 30 mJ/cm²
40 mJ/cm²
45 mJ/cm²
50 mJ/cm²
35 mJ/cm²
ArF-193nm Excimer-Laser
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ErbslöhAktiengesellschaft
12
Oberflächenmorphologie AlMgSi0.5 6043 eloxiert
120mJ/cm²
185 mJ/cm²
270 mJ/cm²
670 mJ/cm²
720 mJ/cm²
200Pulse 50 Hz
Variation der Energiedichte Ab Energiedichten von 120 mJ /cm² (100 oder 200 Pulse)findet ein Aufschmelzen derEloxalschicht statt.Die Schicht wird weiss und es bilden sich Schmelztropfen auf der Oberfläche.Mit steigender Energiedichte wächst die Größe der Schmelztropfen.
ArF-193nm Excimer-Laser
REM-Aufzeichnung
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ErbslöhAktiengesellschaft
13
Oberflächenmorphologie AlMgSi0.5 6043 eloxiert
REM/EDX
Al rot O grün
EDX-Darstellung von Aluminium undSauerstoff.Entfernung der Eloxalschicht bis aufSchmelztropfen und unbehandelteBereiche (grün)
AlMgSi0.5 eloxiertNd-YAG behandelt
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ErbslöhAktiengesellschaft
14
Prüfungen der Klebverbindungen
Zugscherprüfung (ZGS) nach DIN EN 1465
2 Wochen Kataplasma + ZGS
10 Wochen VDA-Wechseltest 621415 + ZGS
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ErbslöhAktiengesellschaft
15
Zugscherprüfung in Anlehnung an DIN EN 1465
Temperatur = RT Prüfgeschwindigkeit = 5 mm/min
100
12,5
25
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ErbslöhAktiengesellschaft
16
Kataplasmatest
Lagerung der Proben bei:
100% rel. Luftfeuchtigkeit
8h bei –21°C
16h bei 70°C
Geschlossene Atmosphäre
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ErbslöhAktiengesellschaft
17
VDA Wechseltest (VDA 621415)
Lagerung der Proben bei:
24h Salzsprühtest
6h Schwitzwassertest
3h Raumtemperatur
6h bei 100°C
2h bei Raumtemperatur
5h bei –30°C
66h bei RT
3x
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ErbslöhAktiengesellschaft
18
Laservorbehandlung von SMC
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
Kle
bfe
stig
keit
Mit
telw
ert
[N/m
m2]
Vantico Agomet F330 Scotch Weld DP 490
Klebstoff
Vergleich von Oberflächenvorbehandlungen bei SMC
Isopropanol
Isopropanol Kataplasma
Laser
Laser Kataplasma
100
12,5
25
100
12,5
25
s. DiagrammMaterial 2
s. Diagramm Klebstoff
s. DiagrammAushärtung
RT 24h
Material 1
TemperaturRT
Prüfgeschwindigkeit
5mm/min
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ErbslöhAktiengesellschaft
19
Laservorbehandlung von ABS
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
Kle
bfe
stig
keit
Mit
telw
ert
[N
/mm
2]
Vantico Agomet F330 Scotch Weld DP 490
Klebstoff
Isopropanol
Isopropanol Kataplasma
Laser
Laser Kataplasma 100
12,5
25
100
12,5
25
s. DiagrammMaterial 2
s. Diagramm Klebstoff
s. DiagrammAushärtung
RT 24h
Material 1
TemperaturRT
Prüfgeschwindigkeit
5mm/min
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ErbslöhAktiengesellschaft
20
Laservorbehandlung von feuerverzinktem Stahl
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
Kle
bfe
stig
keit
Mit
telw
ert
[N/m
m2]
Forbo Helmipur 800 T Scotch Weld DP 490
Klebstoff
Vergleich von Oberflächenvorbehandlungen bei feuerverzinktem Stahl
Isopropanol
Laser
Laser Kataplasma
100
12,5
25
100
12,5
25
s. DiagrammMaterial 2
s. Diagramm Klebstoff
s. DiagrammAushärtung
RT 24h
Material 1
TemperaturRT
Prüfgeschwindigkeit
5mm/min
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ErbslöhAktiengesellschaft
21
Vorbehandlungen bei Aluminium verklebt mit Helmipur 800T
Alu
min
ium
601
6
Alu
min
ium
604
0
Alu
min
ium
604
3el
oxie
rt
Alu
min
ium
604
3pu
lver
b.
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
Kle
bfe
stig
keit
[N
/mm
^2]
Material
Isopropanol
Atmosphärenplasma
ND-YAG-Laser
SACO
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ErbslöhAktiengesellschaft
22
Parameterauswahl
Laserparameter 1 (schmilzt Oberfläche auf)
Parameter kombiniert die Parameter 1+2
Laserparameter 2 (Reinigungsparameter)
Laser in Atmosphäre
Laser im Flammsilikatstrom
Laser im Heliumstrom
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ErbslöhAktiengesellschaft
23
Kontaktwinkelmessungen
Material 6016 (A)
Ungealtert
K: sofort, M nach 60min, L nach 24h
Normale Atmosphäre
78,06 78,09 78,25
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
80
Ob
erfl
äch
enen
erg
ie [
mN
/m]
6016A01K0XX
6016A02K0XX
6016A03K0XX
78,03
62,54
77,54
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
80
Ob
erfl
äch
enen
erg
ie [
mN
/m]
6016A01M0XX
6016A02M0XX
6016A03M0XX
78,25
70,1
77,85
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
80
Ob
erfl
äch
enen
rgie
[m
N/m
]
6016A01L0XX
6016A02L0XX
6016A03L0XX
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ErbslöhAktiengesellschaft
24
Aluminium 6040 – Teromix 6700
0
5
10
15
20
Zu
gsc
her
fest
igke
it i
n
[N/m
m^
2]
keine LasPar 1 LasPar 2 LasPar 3
sofort verklebt
Luft Schutzgas Flammsilikat.
0
5
10
15
20
Zu
gsc
her
fest
igke
it i
n
[N/m
m^
2]
keine LasPar 1 LasPar 2 LasPar 3
sofort verklebt
Luft Schutzgas Flammsilikat.
Ohne Alterung 10W VDA-Wechseltest
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ErbslöhAktiengesellschaft
25
Verklebung Al 6016 mit Betamate 1496
Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Al 6016 in MPa
05
10
1520
253035
sofort verklebt
nach 1h
nach 24h
sofort verklebt, VDA621-415
nach 1h, VDA621-415
nach 24h, VDA621-415
Laser, Normalatmosphäre
Laser, Schutzgas
keine Vorbehandlung
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ErbslöhAktiengesellschaft
26
Verklebung Al 6016 mit Teromix 6700
Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Al 6016 in MPa
0
5
10
15
20sofort verklebt
nach 1h
nach 24h
sofort verklebt, VDA621-415
nach 1h, VDA621-415
nach 24h, VDA621-415
Laser, Normalatmosphäre
Laser, Schutzgas
Laser, Flammsilikat.
keine Vorbehandlung
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ErbslöhAktiengesellschaft
27
Verklebung Al 6040 mit Betamate 1496
Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Al 6040 in MPa
05
10
1520
253035
sofort verklebt
nach 1h
nach 24h
sofort verklebt, VDA621-415
nach 1h, VDA621-415
nach 24h, VDA621-415
Laser, Normalatmosphäre
Laser, Schutzgas
keine Vorbehandlung
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ErbslöhAktiengesellschaft
28
Verklebung Al 6040 mit Teromix 6700
Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Al 6040 in MPa
0
5
10
15
20sofort verklebt
nach 1h
nach 24h
sofort verklebt, VDA621-415
nach 1h, VDA621-415
nach 24h, VDA621-415
Laser, Normalatmosphäre
Laser, Schutzgas
Laser, Flammsilikat.
keine Vorbehandlung
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ErbslöhAktiengesellschaft
29
Verklebung Al 6043 eloxiert mit Betamate 1496
Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Al 6043 in MPa
0
5
10
15
20
25
30sofort verklebt
nach 1h
nach 24h
sofort verklebt, VDA621-415
nach 1h, VDA621-415
nach 24h, VDA621-415
Laser, Normalatmosphäre
Laser, Schutzgas
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ErbslöhAktiengesellschaft
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Verklebung Al 6043 eloxiert mit Teromix 6700
Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Al 6043 in MPa
0
5
10
15
20sofort verklebt
nach 1h
nach 24h
sofort verklebt, VDA621-415
nach 1h, VDA621-415
nach 24h, VDA621-415
Laser, Normalatmosphäre
Laser, Schutzgas
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