„Die Fähigkeit von Klebstoffen und druckempfindlichen Bändern, an Kunststoffen zu haften, hängt stark von ihrer Oberflächenenergie ab“, betont Kremer. „Verbundwerkstoffe, wie starre faserverstärkte Kunststoffe, verbinden sich im Allgemeinen gut in Baugruppen mit Metallkomponenten und werden daher häufig als leichter Ersatz für Metallteile wie Kampfhelme und Freizeitfahrzeuge verwendet.“
Die Automobilindustrie ist seit langem führend bei Baugruppen aus gemischten Materialien., Kunststoff-Metall-Automobilanwendungen umfassen Front-End-Module, Pedalboxen, Bremspedale, Fahrer-Airbag-Gehäuse, Sitzpfannen, Reserveradschächte, Verteilerabdeckungen und Querträger.
“ hängt von der Anwendung und den Bedingungen ab, unter denen das Material arbeiten muss“, sagt Vasant Pednekar, leitender Ingenieur beim Kunststoffhersteller Lanxess Corp. “ Zum Beispiel wird Nylon typischerweise dort verwendet, wo höhere Temperaturanforderungen oder eine höhere Haltbarkeit erforderlich sind .,“
Während Kunststoff-Metall-Anwendungen in der Automobilindustrie beliebt sind, werden Verbindungen zwischen den beiden Materialien auch zur Montage von Geräten, Konsumgütern, Elektronik, Medizinprodukten und Windkraftanlagen verwendet.
Elektronische Hersteller verbinden Kunststoff-und Metallkomponenten wie interne und externe Gehäuse, die in Smartphones und anderen tragbaren Geräten verwendet werden. „Oft besteht die interne Stützstruktur aus dünnem Edelstahl oder Aluminium und ist mit einem dickeren Stück Kunststoff verbunden“, sagt Jay McKenna, Global Business Manager für microPEM Fasteners bei PennEngineering.,
Boote sind ein weiteres Produkt mit Mischmaterialbaugruppen. Marinehersteller verwenden seit Jahrzehnten Verbundwerkstoffe für Rümpfe, Motorräume, Masten, Ruder und andere Komponenten. Solche Baugruppen müssen sehr stark sein, und sie müssen oft in Salzwasserumgebungen halten.
„Metallteile werden immer benötigt, um Punktlasten für Verbundteile aufzunehmen und einen mechanischen Befestigungspunkt, Drehpunkt oder eine Last für die Verbundstruktur bereitzustellen“, bemerkt Andrew Rich, Präsident von Element 6, ein Beratungsunternehmen, das sich auf Automobil-Kohlefaser-Verbundwerkstoffe spezialisiert hat.,
Fügeverfahren
Kunststoff-oder Verbundteile werden typischerweise mit Metallplatten oder Strukturbauteilen entweder mit Klebstoffen oder Befestigungselementen verbunden.
Das Verbinden von Kunststoffen mit Metallen beinhaltet häufig mechanische Befestigungselemente wie Nieten oder Bolzen. Dies erfordert jedoch ein Lochbohren, was teuer sein kann. Die Komposit – und Metalldicken müssen insgesamt erhöht werden, um den Spannungskonzentrationen an den Loch-und Befestigungspunktlasten gerecht zu werden, wobei der Gewichtsvorteil geopfert wird. Einige Befestigungselemente stellen auch die Gefahr von Rost und Korrosion dar.,
Gewindeeinsätze sind eine Möglichkeit, Metallteile mit Gewindebefestigungen mit Kunststoffteilen zu verbinden. „Die häufigste Anwendung ist das Pressen von Messing-oder Stahleinsätzen in Kunststoffkomponenten, entweder durch thermische oder Ultraschallverarbeitung“, erklärt Marcus von EWI. „Dies wird erreicht, indem Polymer in eine Rändel auf dem Metallteil geschmolzen wird, die eine mechanische Verbindung wirkt, sobald der Kunststoff abgekühlt ist.“
Eine weitere Gewindebefestigungsoption für Mischmaterialbaugruppen sind selbstklemmende Befestigungselemente., Als Reaktion auf den verstärkten Einsatz von Kunststoff, der an Metall befestigt ist, hat PennEngineering kürzlich mehrere neue Produkte entwickelt.
„Die meisten unserer Befestigungselemente sind so konstruiert, dass sie sich zu Metall zusammenfügen und typischerweise zwei Paneele zusammenhalten“, betont McKenna. „Wir haben festgestellt, dass ein Befestigungselement, das sich durch die dünne Metallplatte erstreckt und dann in die dickere Kunststoffplatte einrastet, die besten Ergebnisse liefert.
„Die Räucherwirkung schneidet sich in den nicht leitenden Kunststoff ein und hält die beiden Blätter zusammen“, erklärt McKenna., „Dies kann oft eine Lösung sein, die bündig an der Ober-und Unterseite der Baugruppe ist.“
Das Kleben von Klebstoffen überwindet viele Probleme im Zusammenhang mit der Verwendung von Gewindebefestigungen zum Verbinden von Mischmaterialbaugruppen. Die gesamte verklebte Kontaktfläche ist am Lastmanagement beteiligt. Darüber hinaus isoliert die Klebstoff – und Grundierungskombination eine Oberfläche von einer anderen, was Probleme durch galvanische Wechselwirkung reduziert.
Die Verklebung sorgt für ein effizienteres Lastmanagement, sodass Dicke und Gewicht beider Materialien reduziert werden können. Und es gibt keine Löcher zum Bohren, Ausrichten oder Versiegeln.,
Klebstoffe werden jedoch nicht wie mechanische Befestigungselemente verwendet. Je nach Technologie benötigen Klebstoffe Sekunden, Minuten und gelegentlich Stunden zum Fixieren und Aushärten. Hersteller müssen warten, bis die Befestigung abgeschlossen ist, bevor sie Teile bewegen.
Kontrolle ist auch ein Faktor. Die Menge des abgegebenen Klebstoffs, die genaue Position des Klebstoffs und die auf die Baugruppe aufgebrachte Klemmkraft müssen sorgfältig kontrolliert werden, sonst wird die Bindung beeinträchtigt.
Während Klebstoffe praktisch jeden Kunststoff mit jedem Metall verbinden können, funktionieren einige Materialien besser als andere., „Nylon und ABS sind in der Regel die am einfachsten zu verbindenden Kunststoffe zu Metallen“, sagt Henkels Fazit. „Die Haftfestigkeit auf den Kunststoff ist nicht immer ideal, wenn Sie mit extrem glatten Kunststoffmaterialien wie Polypropylen oder mit schwer zu verklebenden Kunststoffen wie Polyethylen arbeiten. Grundierungen können jedoch die Haftfestigkeit von Kunststoffen erheblich erhöhen.
„Fast alle Klebetechnologien können verwendet werden, um Kunststoffe mit Metallen zu verbinden“, fügt Small hinzu.
“ Cyanacrylate, Acryl, Epoxide, Urethane, Elastomere und Silikone verbinden Kunststoffe zuverlässig mit Metallen.,“
Eine neue Technologie namens Hybrid Structural Instant Adhesive (wird diesen Herbst von Henkel eingeführt) wird Kunststoff-Metall-Klebeanwendungen verbessern. Es kombiniert schnellhärtende Cyanacrylatklebstoffe mit traditionellen Strukturtechnologien wie Epoxid-oder Methylmethacrylat.
„Dies sind zweiteilige, bei Raumtemperatur aushärtende Klebstoffe, die mit einem Dual-Cartridge-Spender aufgetragen werden“, sagt Small. „Sie bieten die schnellen Vorrichtungsgeschwindigkeiten von Cyanacrylaten mit der Haltbarkeit der Strukturtechnologie.,
„Hybride strukturelle Sofortklebstoffe können die meisten Kunststoffformulierungen, einschließlich schwer zu verklebender Kunststoffe, mit Metallsubstraten verbinden“, behauptet Small. „Der Schlüssel ist, dass sie es schneller machen. Fixture Speed unterscheidet den Hybrid von der reinen Strukturtechnik. Hybriden kommen in weniger als drei Minuten.“
Obwohl es derzeit unmöglich ist, Kunststoff mit Metall zu verschweißen, bieten mehrere neue RD-Projekte Potenzial.,
Avraham Benatar, Associate Professor of Materials Science Engineering an der Ohio State University, hat ein Verfahren zum Verbinden von Thermoplasten mit Metall mit einem erhitzten Werkzeug entwickelt. Das Metallsubstrat wird mit einem feinen Rändelmuster strukturiert und für eine voreingestellte Zeit erhitzt, indem es gegen ein heißes Werkzeug gedrückt wird, das bei hoher Temperatur gehalten wird. Dann wird die heiße Platte zurückgezogen und die kühle thermoplastische Platte wird für eine voreingestellte Zeit gegen die heiße Metalloberfläche gedrückt.
Das heiße Metall schmilzt die thermoplastische Oberfläche, was zu Strömung und Benetzung führt., Der geschmolzene Kunststoff fließt in die Rändel und bildet beim Abkühlen und Erstarren des Kunststoffs eine mechanisch ineinander greifende Verbindung. Eine Erhöhung der Aufheizzeit erhöht im Allgemeinen die Gelenkfestigkeit, bis ein Optimum erreicht ist.
Laut Benatar sind POLYETHYLEN hoher Dichte (HDPE)-Stahl-Verbindungen, die er mit der Technik hergestellt hat, etwas stärker und konsistenter als HDPE-Aluminium-Verbindungen. Für eine feste Heizzeit sind Polycarbonat – und HDPE-zu-Stahl-Verbindungen stärker als Polypropylen-und Acryl-zu-Stahl-Verbindungen.,
Ingenieure des Füge-und Schweißforschungsinstituts in Osaka, Japan, haben ein neues Verfahren namens Friction lap Welding entwickelt. Sie haben kürzlich einen Test durchgeführt, der erfolgreich Aluminium-und Nylonteile verbunden hat. Rundenverbindungen mit hoher Scherfestigkeit wurden über eine Vielzahl von Schweißparametern erhalten.
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