Fundamental Investigations to increase the strength of thermoplastic-metal mixed joints by combining the mechanical joining and hot-melt adhesiv bonding

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Michael Gehde (†); Professor Dr.-Ing. Peter Mayr
• Subject Area: Plastics Engineering ; Polymer Materials ; Production Automation and Assembly Technology
• Term: from 2012 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 228187576

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes wurde eine neuartige Verfahrenskombination aus dem torsionalen Ultraschallschweißen und dem Clinchen zum Fügen von Metall und Kunststoff wissenschaftlich analysiert und aufbereitet. Durch den Ultraschallprozess wird hierbei eine Schmelzklebeverbindung zwischen Metall und Kunststoff erzeugt, wobei das plastifizierte thermoplastische Material selbst als Klebstoff fungiert. Auf zusätzliche Klebstoffe wird verzichtet. Zusätzlich wird durch den Clinchprozess ein Formschluss zwischen den Komponenten erzeugt. In der ersten Förderperiode wurden beide Einzelverfahren auf ihre Anwendbarkeit zum Fügen von Metall und Kunststoff untersucht und jeweils positiv bewertet. Bei Verwendung der Verfahrenskombination mit getrennter Anlagentechnik, das heißt Ultraschall-Schmelzkleben und anschließendes Clinchen, führte dies zu einer nochmaligen Steigerung der mechanischen Verbindungseigenschaften gegenüber den Einzelverfahren. Neben der Festigkeitserhöhung konnte das Fail-Safe-Verhalten kombiniert gefertigter Proben beim Versagen als entscheidender Vorteil detektiert werden. In der zweiten Förderperiode erfolgte die Entwicklung und Analyse einer kombinierten Anlagentechnik. Die Integration der Ultraschalltechnologie in die bestehende Anlagentechnik zum Clinchen war im Hinblick auf das hohlgebohrte Ultraschall-Sonotroden-Design sowie den konzentrisch in der Sonotrode geführten Clinchstempel ein innovativer Ansatz, welcher Herausforderungen bei der akustischen Abstimmung des Ultraschall-Schwingsystems und der konstruktiven Gestaltung des Clinchstempels mit sich brachte. Die Sonotrode wird hierbei sowohl als Werkzeug für den Ultraschall-Schmelzklebeprozess als auch als Niederhalter für den nachfolgenden Clinchprozess verwendet. Eine anwendungsgerechte Gestaltung der Fügezone in Form einer Steggeometrie am polymeren Fügepartner führt zusätzlich zu konstanten Prozessbedingungen (Prozesszeit und -energie, optische Anforderungen) beim Ultraschall-Schmelzkleben sowie zu gleichmäßigen Ausgangsbedingungen (Bauteildicke und Nullspalt) beim Clinchen. Bei Verwendung der kombinierten Anlagentechnik kann zusätzlich das durch den Ultraschall-Schmelzklebeprozess zurückbleibende Temperaturfeld für den Clinchprozess ausgenutzt werden. Es wurde gezeigt, dass das Clinchen in einen noch zum Teil plastifizierten thermoplastischen Fügepartner (Oberflächenschmelze) zu einem verbesserten Formschluss sowie geringeren Relaxationserscheinungen der Clinchverbindung führt. Dies resultiert in gesteigerten mechanischen Eigenschaften der Verbindung bei gleichzeitig geringeren Gesamtprozesszeiten. Unter Scherzug- bzw. Winkelschälbeanspruchung war eine Abhängigkeit der Versagenskräfte von verschiedenen Parametern festzustellen. Dazu zählen v.a. die Oberflächenvorbereitung des metallischen Fügepartners, die Plattenstärke, die Polarität des Thermoplasts sowie das Vorhandensein funktioneller, reaktiver Gruppen im Thermoplast. An den kombiniert hergestellten Metall-Kunststoff-Verbindungen wurden zusätzlich Analysen unter Temperatur- und Medienbeanspruchung durchgeführt. Sowohl die Salzsprühnebelprüfung als auch der Temperaturwechseltest zeigten Auswirkungen auf die Verbindungseigenschaften. Es wurde festgestellt, dass insbesondere die Ultraschall- Schmelzklebeverbindung durch ein Eindringen der Korrosionsschicht in die Grenzfläche (Salzsprühnebelprüfung) bzw. die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Kunststoff (Temperaturwechseltest) beeinflusst wird. Die Untersuchungen im Rahmen des DFG-Projektes zeigen, dass die Verfahrenskombination aus Ultraschall-Schmelzkleben und Clinchen neue Möglichkeiten für das Fügen von Metall und Kunststoff eröffnet. Sowohl für ungefüllte, faserverstärkte und endlosfaserverstärkte Thermoplaste war die Anwendbarkeit der kombinierten Prozesstechnik gegeben und führte zu hohen Haftfestigkeiten.

Publications

• Verbindungselement, mit diesem hergestellte Verbindung zwischen wenigstens zwei sich überlappenden Bauteilen und Verfahren zur Herstellung dieser Verbindung. DE 10 2011 001 522.1, Technische Universität Chemnitz, 2011
  Hälsig, A.; Georgi, W.; Bürkner, G.
  
• Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Metall-Kunststoff-Verbindung. DE 10 2011 051 301.9, Technische Universität Chemnitz, 2011
  Georgi, W.; Friedrich, S.; Gehde, M.; Lang, H.
  
• Hybrid Joining Technology – A New Method for Joining Thermoplastic to Metal. – ANTEC® 2013, Cincinnati, Ohio USA, 2013, ISBN: 978-1-68015-032-2
  Friedrich, S.; Georgi, W.; Gehde, M.; Mayr, P.
  
• Hybrid Joining Technology – A New Method for Joining Thermoplastic-Metal Mixed Components. – In: Proceedings of PPS: The International Conference of the Polymer Processing Society - Conference Papers, Volume number 1593, ISBN: 978-1632666550, Nürnberg, Deutschland, 2013
  Friedrich, S.; Georgi, W.; Gehde, M.; Mayr, P.
  
• Hybride Fügetechnologien – Eine neue Methode zur Herstellung von Metall-Kunststoff-Mischverbindungen, Große Schweißtechnische Tagung, 2013, ISBN: 978-3871556142
  Friedrich, S.; Georgi, W.; Gehde, M.; Mayr, P.
  
• Beitrag zum mechanischen Fügen von Metall-Kunststoff-Mischverbindungen. Wissenschaftliche Schriftenreihe Chemnitzer Fügetechnik Band 1, Dissertation, ISBN 978-3-944640-15-0, Chemnitz 2014
  Georgi, W.
  
• Hybride Fügetechnologien – Mischmaterialbauweisen. WAK-Symposium, 20.-21. Mai 2014, Karlsruhe
  Gehde, M.
  
• Clinching and torsional ultrasonic Welding - an innovative Process combination for Joining metal-polymer hybrid Structures. – In: PROCEEDINGS OF PPS: The International Conference of the Polymer Processing Society - Conference Papers, Volume number 1593, ISBN 978-3-9816007- 6-6, Dresden, Deutschland, 2017
  Brückner, E.; Georgi, W.; Gehde, M.; Mayr, P.
  
• Relaxation Behavior of Metal-Polymer Hybrid Structures Mechanically Joined by Clinching. – 17th Annual International Polymer Colloquium: University of Wisconsin–Madison, Wisconsin Institutes for Discovery, 2017
  Brückner, E.; Georgi, W.; Gehde, M.; Mayr, P.
  
• Relaxation Behavior of Metal-Polymer Hybrid Structures Mechanically Joined by Clinching. – ANTEC® 2017: Anaheim, California USA, ISBN: 978-0-692-88309-9, 2017
  Brückner, E.; Georgi, W.; Gehde, M.; Mayr, P.