Refine
Document Type
- Doctoral Thesis (3) (remove)
Language
- German (3)
Has Fulltext
- yes (3)
Keywords
- Oberflächenvorbehandlung (3) (remove)
Faculty / Organisational entity
In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst der potentielle Einfluss makroskopischer Oberflächentopographieunterschiede auf die Langzeitbeständigkeit geklebter Aluminiumverbunde untersucht. Fokussiert wurde hierbei auf die durch Vorbehandlungsverfahren induzierte Veränderung technischer Rauhigkeitsgrade sowie die damit einhergehende Vergrößerung der adhäsiv wirksamen Oberfläche. Die Trennung der sich infolge der eingesetzten Vorbehandlungsverfahren überlagernden Einflussfaktoren Oberflächentopographie und Oberflächenchemie konnte durch die Generierung unterschiedlicher Rauheitsgrade bei gleichzeitiger Nivellierung der chemischen Oberflächenzustände sichergestellt werden. Erreicht wurde dies durch einen chemisch einheitlichen, die Haftgrundvorbereitung abschließenden Nachbehandlungsprozess. Ein signifikanter Einfluss der im µm-Bereich detektierten, makroskopischen Topographieunterschiede auf die technischen Eigenschaften adhäsiv gefügter Aluminium-Epoxidharzverbunde kann ausgeschlossen werden. Die Resultate der Untersuchungen zur Wirkungsweise der durch Alterungssimulationen induzierten Schädigungsmechanismen zeigten, dass für eine sinnvolle Beurteilung der Langzeitbeständigkeit unterschiedlich vorbehandelter Aluminium-Epoxidharz-Klebungen die Anwendung einzelner, standardisierter Alterungstests oftmals nicht ausreicht. Die Auswirkungen der simulierten Alterungsprozesse auf die technischen Eigenschaften der geklebten Aluminiumverbunde sind sowohl abhängig von der Art, Dauer und Intensität der dominierenden Schädigungsmechanismen, als auch von den durch die jeweilige Vorbehandlung generierten Zuständen der Substratoberflächen. Die jeweilige Haftgrundvorbereitung hat somit einen erheblichen Einfluss auf die Sensitivität der Klebung gegenüber unterschiedlichen Alterungsprozessen. Die phänomenologischen Betrachtungen in Form der durchgeführten Festigkeitsuntersuchungen deuten an, dass die Kinetik der korrosiven Klebschichtunterwanderung weder von der Art des Epoxidharzsystems, noch von den Spezifikationen der im Rahmen dieser Untersuchungen verwendeten Aluminiumlegierungen maßgeblich abhängt. Die Sensitivität dieser Klebungen, insbesondere gegenüber korrosiven Schädigungsmechanismen, wird von den durch die Haftgrundvorbereitung generierten Oberflächenzuständen dominiert. Die Ergebnisse der parallel durchgeführten oberflächenanalytischen Untersuchungen lieferten zur Erklärung der phänomenologischen Resultate ein weitgehend uneinheitliches Bild. Lediglich anhand der Analysen zur submikroskopischen Morphologie unterschiedlich vorbehandelter Fügeteiloberflächen konnte eine Korrelation mit den phänomenologischen Untersuchungen zur Langzeitbeständigkeit geklebter Aluminium-Epoxidharz-Verbunde in korrosiven Medien hergestellt werden. Die daraus abgeleitete Hypothese hinsichtlich eines signifikanten Einflusses der "Nanomorphologie" von Fügeteiloberflächen auf die Kinetik der korrosiven Klebschichtunterwanderung wurde durch zusätzliche Untersuchungen überprüft und bekräftigt. Hierbei erwies sich der entwickelte beschleunigte Korrosionstest als durchaus nützlich, da die unterschiedlich vorbehandelten Klebungen im Vergleich zu dem wesentlich zeitintensiveren Salzsprühtest innerhalb relativ kurzer Zeit phänomenologisch vergleichbare Schadensbilder aufweisen. Das aus den vorliegenden Untersuchungen abgeleitete Erkärungsmodell baut auf der Theorie der oberflächengesteuerten, grenzschichtnahen Polymerbeeinflussung auf. Dieses Postulat der sich in Abhängigkeit des chemischen Oberflächenzustandes verändernden Polymerisationsgrade in der Interphase zwischen Festkörperoberfläche und Klebstoff wird erweitert um den Einfluss sogenannter Nanomorphologien, also einer in submikroskopischen Dimensionen vorliegenden Feinstrukturierung der Fügeteiloberfläche. Eine durch Festkörperoberflächen induzierte selektive Adsorption von Klebstoffbestandteilen, die Entstehung schwacher Polymerzonen (weak boundary layers) oder andere potentielle Heterogenitäten innerhalb der Adhäsionszone werden somit in Richtung Substratbulk verschoben. Anstatt einer scharf ausgeprägten Phasengrenze zwischen Polymer und Substratoberfläche entsteht somit eine Grenzzone, die aufgrund ihrer fein verteilten Zusammensetzung aus Oxid und Klebstoff zusätzlich Verbundwerkstoffeigenschaften aufweisen kann. Die Frage nach dem aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht höchsten Effizienz von Wirkmechanismen bei der Oberflächenvorbehandlung zur Erzielung langzeitbeständiger Aluminiumklebungen wird hier - im Rahmen der in der vorliegenden Arbeit betrachteten Parameter und unter der Prämisse chemisch reaktiver Festkörperoberflächen - mit der Generierung dünner, nanoskopisch strukturierter Oberflächenmorphologien beantwortet.
Thermoplastische Faserkunststoffverbunde (TP-FKV) werden aufgrund ihres Leichtbaupotentials zusammen mit Metallen vermehrt in Multimaterialstrukturen eingesetzt [1, 2]. Der Einsatz TP-FKV ermöglicht das thermische Fügen, wobei die Benetzung der Metalloberfläche mit Polymer und hierdurch die Zug-Scher-Festigkeit der Verbindung mit steigendem Fügeweg ebenfalls ansteigt. Im Rahmen der Arbeit wurde der Fügeweg als Indikator für eine qualitätsgesicherte Fügung mittels induktiver Erwärmung validiert.
Der Fügeweg wird maßgeblich durch die Fügetemperatur, den Fügedruck und die verwendeten Materialien bestimmt. Um den im Prozess gemessenen Fügeweg als Qualitätssicherungsmerkmal nutzen zu können sind bei der Beurteilung der Messkurven auch mechanische und insbesondere thermische Dehnungen zu berücksichtigen. Diese Einflüsse konnten durch analytische Methoden erfasst, bewertet und bei der Beurteilung des Fügeweges entsprechend herausgerechnet werden.
Zur quantitativen Bewertung wurden TP-FKV/Stahl-Verbindungen durch induktives Fügen hergestellt und der Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Prozessparameter, Witterung und Wechsellasten auf die Verbindungsfestigkeit untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass für alle untersuchten TP-FKV in Kombination mit einer laserstrukturierten Stahloberfläche Verbindungsfestigkeiten im Bereich von Referenzklebungen erreicht wurden. Durch den Einsatz von für das jeweilige Matrixpolymer optimierten Haftvermittlern auf den Stahloberflächen konnten ebenfalls gute Verbindungsfestigkeiten erreicht werden. Das Schädigungsverhalten der TP-FKV/Stahl-Verbindung nach Bewitterung beziehungsweise Wechsellasten wurde anhand von Schliffbildanalysen und Simulationen analysiert. Die Arbeit schließt mit der Implementierung des induktiven Fügens in eine Fertigungszelle.
Diese Dissertation widmet sich der fertigungsintegrierten spektroskopischen Prozessanalytik
zur technischen Qualitätssicherung struktureller Glasklebungen. Glas als Werkstoff mit
seiner einzigartigen Eigenschaft der Transparenz ist in vielen Bereichen unverzichtbar. Wichtig
zur Verbesserung der Festigkeit und Langzeitbeständigkeit von Glasklebungen ist eine
Vorbehandlung der Oberfläche. Aufgrund des chemischen Aufbaus und der Reaktivität der
Glasoberfläche muss diese in einen für die Klebung geeigneten Zustand versetzt werden.
Die Applikation von Haftvermittlern und die Einhaltung der Prozessparameter sind für die
Qualität der Klebung entscheidend. Bislang fehlen Methoden zur zerstörungsfreien Qualitätssicherung
von Klebungen. Das Konzept zur prozessintegrierten Qualitätssicherung von
Glasklebungen soll Analyseverfahren zur Beurteilung der Reinigungswirkung (Kontaminationsfreiheit)
und zur Wirksamkeit der klebtechnischen Funktionalisierung bereitstellen. Die
Hypothese unterstellt, dass sich die Qualität der Oberflächenvorbehandlung und somit die
Qualität der Glasklebung hinsichtlich Zuverlässigkeit und Beständigkeit mit spektroskopischer
Analysetechnik überwachen lässt. Als spektroskopische zerstörungsfreie Analysemethoden
werden die UV-Fluoreszenzanalyse, die Infrarotspektroskopie und die Röntgenfluoreszenzanalyse
eingesetzt. Die Forschungsergebnisse bieten die Möglichkeit Klebprozesse mit
Glaswerkstoffen robust und qualitätssicher auszulegen.