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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie

Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC Dr. Hartwig Lohse

Geklebte Automobil-Anbauteileaus SMC

26. März 2009Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie

Dr. Hartwig Lohse

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Themen

SMCGeschichtliche EntwicklungZusammensetzung, HerstellungEigenschaftenGründe für die Verwendung im Automobilbau

Kleben als Fügeverfahren für SMCErfahrungen aus den USAAnwendungsbeispiele

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SMC – Sheet Molding Compound

SMC bezeichnet teigartige Pressmassen aus duroplastischen Reaktionsharzen (meist Polyseter-oder 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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SMC – Geschichte

1940: Erste Versuche mitGlasfaserverstärktenKunstoffen

1946: The Stout Forty Six Erstes Auto mit Vollkunst-stoffkarosserie

Entwickelt und gebaut von William Bushnell Stout und Games Slayter (Owens Corning)

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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 Tele-kommunikation

1963: Geklebte LKW-Fronthaube in den USA

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SMC – Geschichte

1963 – International LKW Haube, US

2-k-PU-Klebstoff

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SMC – Geschichte

1972: Durchbruch im Bereich der Automobil-industrie. Renault R5 bekommt Stoss-fänger aus SMC

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SMC – GeschichteAnfang der 70er Jahre: Kontinuierlicher

Herstellungsprozess für SMC durch Ver-wendung von Glas Rovings

1980: Audi Ur-Quatro Heckklappe 1982: Citroen BX mit SMC Haube und BMC

Heckklappe als erstes Großserien-Fahrzeugmit SMC/BMC Anbauteilen

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SMC – Zusammensetzung

Lediglich ca. 30 % der Inhaltsstoffe Rohöl-basierend

HarzGlas-fasern Füllstoffe Additive

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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 Harz-

Füllstoffmischung versehenen Trägerfolie • Durchlaufen verschiedener Rollen zur

Homogenisierung und Auspressen von Lufteinschlüssen

• Konfektionierung auf Rollen und ‚Reifung‘

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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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SMC - Gründe für die Verwendung imAutomobilbau

• Gewichtsersparnis gegenüber Stahl ca. 20 %

• Die gestalterische Freiheit erlaubt es eine Vielzahlvon 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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Kostenvergleich Stahl-/SMC-Heckklappe

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• Keine Korrosion

• Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlungerlaubt 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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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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Corvette - 1968 bis Heute

1968 1983

Heute

1968 begann GM einigeSMC Teile durch Kleben zufügen, heute wird nahezudie gesammte Karosse zu-sammen geklebt

Erfahrungen aus den USA

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Corvette – Beispiel Edition Z06 Fronthaube

Um eine signifikante Gewichtsersparnis zu erzielenwurde die Fronthaube aus SMC bzw. KohlefaserSMC gefertigt.

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Fahrerhaus Kenworth T2000

Substrate:KTL-lackiertes AluminiumKTL-lackiertes Stahlblech3 verschiedene SMC-TypenGlasfaserverstärktes

VinylesterharzKlebstoff:

2K-PUR


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Kabinenboden


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Rück-und Seitenwand


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SMC-Feuerwand –Klebstoffauftrag


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SMC-Feuerwand -Fügevorgang


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Aufkleben des SMC-Hochdaches


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Je nach Typ werden bis zu 30 kg 2-k PU Klebstoffe pro Fahrerhaus verwendet

Übersicht: Produktionslinie


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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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Jeep Wrangler Rubicon – Freedom Top

Die SMC Pressteile werden mit einem entsprechend der weißen, leicht texturierten SMC Innenseite eingefärbten

2-k-PU-Klebstoff ineinem Arbeitsgang

vollautomatischmiteinander verklebt

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Anwendungsbeispiele aus EuropaLKW – Airdeflector

Smart Roadster –Fronthaube & Heckdeckel

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LKW –Airdeflector

Verstärkungsprofil

Außenhaut

Befestigungspunkte zum Fahrerhaus

nur verklebt* mit der

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* Beim großem Airdeflectorzusätzliche Nieten zur Reduzierung von durch Schwingungen induzierten Schälkräften

LKW –Airdeflector

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Anforderungen:

Hohe Festigkeit

Zähelastisch, schwingungsresistent

Temperaturstabil

Alterungsbeständig

Schockbelastbarkeit

LKW –Airdeflector

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Klebstoffauswahl:

Zugsc

her

fest

igke

it

[MPa]

Dehnung [%]

10

20

30

40

100 200 300 400

Phenole

1-& 2-k Epoxide

2-k-Acrylate

Strukturelle 2-k-Polyurethane

1- & 2-k elastische Klebstoffe

LKW –Airdeflector

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LKW –Airdeflector Klebstoffauswahl:

Primerlos – Haftungsaufbau durch Wärme

Primer für gute SMC Haftung

hohe Festigkeit ~ 25 MPageringe Festigkeit ~ 5 MPa

E-Modul ~ 800 MPaE-Modul ~ 1 MPa

Reißdehnung ~ 70%hohe Reißdehnung ~ 200%

schnelle wärmeunterstützte Härtungerlaubt kurze Taktzeiten

langsame Vernetzung erfordert lange Taktzeiten

zwei-komponentigein-komponentig

2-k- PU-Klebstoff1-k-feuchtigkeitshärtender PU-Klebstoff

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Verwendeter Klebstoff:

Wärmeunterstützt härtender 2-k-PU Klebstoff

Gute Haftung auf SMC ohne Primer, lediglich Reinigung der Oberfläche mit Aceton

rel. lange offene Zeit von 15 Minuten

Schnelle Härtung bis zur Handlingsfestigkeitdurch Wärmebeschleunigung

gute mechanische Eigenschaften

gute Alterungs- und Medienbeständigkeit

LKW –Airdeflector

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2 k – PU Klebstoff

Zugfe

stig

keit

[MPa

]

Dehnung [%]

Kraft-Dehnungs-Diagramm

E-Modul: 800 MPa

Reißdehnung: 70 %

Zugfestigkeit: 26 MPa

LKW –Airdeflector

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2 k – PU KlebstoffAlterungsverhalten

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

Lap

She

ar V

alue

[M

Pa]

Series1 4,0 4,2 2,7 2,7 2,9 3,2 3,1 2,6 3,9

Room Temperature

- 30 °C 82 °C7 days water

soak @ 54 °C - imm.

7 days water soak @ 54 °C -

rec.

6 Week Cycle Test

SCAB Corrosion Test

8 Weeks DIN 50017

8 Weeks @ 70 °C

100 % Fiber Tear

Surface Prep:IPA wipe

Cure Conditions:Fixture Cure: 80 sec @ 140 °C+ 20 sec cool down+ 2 * 30 min @ 80 °C

LKW –Airdeflector

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Fertigungsablauf

Klebarbeitsplatz, - Kleben - Fügen - Spothärtung

Bereitstellung und Reinigung Außenteil/Ausschleusen fertiger Airdeflector

Wärmeunterstütze Aushärtung

LKW –Airdeflector

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Fertigungsablauf

Reinigen des Außenteils

und Überführen in die Klebstation

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Fertigungsablauf

Einlegen des Verstärungsprofils in die Fügevorrichtung

LKW –Airdeflector

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Fertigungsablauf

Klebstoffapplikation

LKW –Airdeflector

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Fertigungsablauf

Spot-Härtung mit Heißluft

4 Minuten, Lufttemperatur 150°C,

Objekttemperatur 130 °C

LKW –Airdeflector

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Fertigungsablauf

Endhärtung mit IR-Strahlern

10 Minuten, Objekttemperatur ~ 100 °CElstein IR-Strahler

LKW –Airdeflector

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Fertigungsablauf

Entnahme des fertigen Airdeflectors

LKW –Airdeflector

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Fertigungsbegleitende Qualitätssicherung

Kleben von Prüfkörpern unter Produktionsbedingungen

LKW –Airdeflector

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Fertigungsbegleitende Qualitätssicherung

Prüfen im Zugscherversuch

LKW –Airdeflector

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Seit 1997 ca 10,000bis 15,000 Stück/Jahr gefertigt

Kein Versagensfall bekannt

LKW –Airdeflector

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AnwendungsbeispieleLKW – Airdeflector

Smart Roadster –Fronthaube & Heckdeckel

Material: SMC/SMC & SMC/KTL

Stückzahlen: > 25,000/Jahr

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Beplankung (SMC)

Strukturteil(SMC)

Schließbügel(KTL)

Scharnier (KTL)

Smart RoadsterAufbau der Teile

Abb: smart

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Smart Roadster

Bauteil - Anforderungen:

keine Innenverkleidung Optik

Class A Oberfläche

Lackierung gemeinsam mitThermoplastbauteilen, Colormatching

Heckdeckel als Innenraumbauteil Emissionsvorgaben

Hohe Festigkeit Zähelastisch, Schwingungsresistent

Temperaturstabil Alterungsbeständig

Schockbelastbarkeit

passive Sicherheit (Crash)

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Klebstoff - Anforderungen:

Gute Haftung auf SMC und KTL ohne Primer, lediglich Reinigung der Oberfläche mit Isopropanol/Wasser

rel. lange offene Zeit von 15 Minuten

Schnelle Härtung bis zur Handhabungsfestigkeit durch Wärmebeschleunigung (Härtungszeit 2,5 min)

gute mechanische Eigenschaften (statische und dynamische Feststigkeit)

gute Alterungs- und Medienbeständigkeit

Smart Roadster

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Klebstoffauswahl:

Zugsc

her

fest

igke

it

[MPa]

Dehnung [%]

10

20

30

40

100 200 300 400

Phenole

1-& 2-k Epoxide

2-k-Acrylate

Strukturelle 2-k-Polyurethane

1- & 2-k elastische Klebstoffe

Smart Roadster

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Zugfe

stig

keit

[MPa

]

Dehnung [%]

Kraft-Dehnungs-Diagramm

E-Modul: 800 MPa

Reißdehnung: 70 %

Zugfestigkeit: 26 MPa

Smart Roadster

26

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Alterungsverhalten

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

Lap

She

ar V

alue

[M

Pa]

Series1 4,0 4,2 2,7 2,7 2,9 3,2 3,1 2,6 3,9

Room Temperature

- 30 °C 82 °C7 days water

soak @ 54 °C - imm.

7 days water soak @ 54 °C -

rec.

6 Week Cycle Test

SCAB Corrosion Test

8 Weeks DIN 50017

8 Weeks @ 70 °C

100 % Fiber Tear

Surface Prep:IPA wipe

Cure Conditions:Fixture Cure: 80 sec @ 140 °C+ 20 sec cool down+ 2 * 30 min @ 80 °C

Smart Roadster

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PressenBeplankungFronthaube

PressenStrukturteilFronthaube

Bohren / Fräsen

EinklebenEinleger

VerklebenFronthaube Primern Lackieren

Entgraten

Entgraten

Smart Roadster - Fertigungsablauf

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Fertigungsablauf - Kleben

Bereitstellung Substrat 1 Bereitstellung Substrat 2

reinigen reinigen

MischenTopfzeit

KomponeteA

KomponeteB

Klebstoffauftrag Klebstoffauftrag

Fügen

Fixieren

offene Zeit offene Zeit

weitgende Aushärtungbei erhöhter Temperaturbis zum Erreichen der Handlingsfestigkeit

Entnahme und Weiterbearbeitung

Smart Roadster

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Klebstofferwärmung mit dem Hot-Air-Impingement Verfahren

ErhitzteLuft

SMC Aussenhaut

SMC Strukturteil

Klebstoff

Isolierung

Aluminium-form

SMC Oberflächen-temperatur

Smart Roadster

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Smart Roadster

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Smart Roadster

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2 k – PU Klebstoff wärmeunterstützte Aushärtung

5060708090

100110120130140150160170

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Zeit [sec]

Tem

pera

tur im

Klebs

toff

[°C

]Erlaubt den Verzicht auf Oberflächenvor-behandlung (Primer oder Schleifen)

&

Die Erwärmung des Klebstoffs beschleunigt die Klebstoffhärtung

0

20

40

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140

00:00

00:40

01:20

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02:40

03:20

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06:40

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08:40

09:20

10:00

10:40

11:20

12:00

12:40

13:20

Zeit [min]

Tempe

ratu

r [°

C]

3,5 minutes

Smart Roadster

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Klebstofferwärmung mit dem Hot-Air-ImpingementVerfahren

Smart Roadster

30

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Smart Roadster

Klebprozess

Foto: smart

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Dr. Hartwig LohseTel.: 04822 [email protected]

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