1: Technologien zur polymerchemischen Modifikation und Oberflächenaktivierung der Kunststoffe

Um die Auswirkungen der Additive einschätzen zu können wurden zunächst umfassende werkstoffmechanische und polymerchemische Charakterisierungen des Ausgangsmaterials vorgenommen. Die Ermittlung einiger hochdynamischer Werkstoffkennwerte erfolgte am ILK, TU Dresden an spritzgegossenen Probekörpern. Im Weiteren wurden basierend auf dem Stand der Technik mögliche Additive für eine Verbesserung der Haftfestigkeiten zwischen Metall und Kunststoff ausgewählt und charakterisiert. Die chemische Modifizierung erfolgte maßgeblich durch bifunktionelle Epoxydharze sowie durch niedermolekulare, mehrwertige Carbonsäuren. Des Weiteren erfolgten Voruntersuchungen bezüglich der chemischen Modifikation und Wirkungsweise der ausgewählten Additive in Abhängigkeit der Konzentration durch nasschemische Beschichtung der Metallkomponenten. Die ausgewählten Rezepturen wurden auf den Extrusions- und Co-Extrusionsprozess übertragen und hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Fließfähigkeit und thermischer Stabilität beurteilt. Die Ermittlung der Haftfestigkeiten infolge chemischer Polymermodifikation erfolgte an spritzgegossenen Scherzugproben unter Variation der Metalleinleger, deren thermischer und mechanischer Vorbehandlung, der Additive und deren Konzentrationen. Die Proben wurden unter Nutzung umfangreicher Magnesiumhalbzeuge aus der Herstellung des IMF, TU Freiberg sowie Metalleinlegern mit dort aufgebrachten Oberflächenstrukturen hergestellt.

Abbildung: Scherzugfestigkeiten der Metall-Kunststoffverbunde mit verschiedenen Metalleinlegern unterschiedlicher Vorbehandlung und Temperatur sowie Polymeren mit verschiedenen Additiven im konditionierten oder trockenen Zustand

2: Modellierung des Grenzschichtverhaltens Metall/Kunststoff

Die Grenzschichten des Metall-Kunststoff-Verbundes werden mit Hilfe von Finiten Elementen numerisch untersucht. Dabei kommen sowohl element- als auch flächenbezogene Kohesivzonenmodelle zur Anwendung und werden hinsichtlich Ergebnissgenauigkeit und Berechnungsaufwand verglichen. Die Modelle dienen ferner der Ermittlung lokaler Spannungsverteilungen in der Fügezone und werden anhand von Versuchsergebnissen mit Scherzugproben experimentell validiert. Die effizienten Modellierungsvarianten werden in der Folge in der numerischen Sensitivitätsanalyse und inversen Parameteridentifikation zur Ermittlung der immanenten Freiwerte der Modelle angewendet. Die Modelle basieren auch auf Werkstoffparametern der Leichtmetalle, die aus Versuchsergebnissen des IMF, TU Freiberg abgeleitet wurden.

3: Prozesstechnologien zur Erzeugung von Verbunden mit kompakten und geschäumten Polymerschichten

Zur Verarbeitbarkeit der additivierten Polymere wurden umfangreiche Prozessparameterstudien durchgeführt. Damit konnte eine Anpassung der Temperaturführung des Spritzgießprozesses auf die individuellen Viskositätseigenschaften der additivierten Compounds sowie eine Minimierung negativer Wechselwirkungen durch Spaltprodukte aus der thermischen Beanspruchung erfolgreich umgesetzt werden.

Abbildung: Beispiel von materialspezifischen Temperaturverteilungen in der Plastifiziereinheit der Spritzgießmaschine für das Referenzmaterial und ein additiviertes Compounds

4: Ermittlung prozessbedingter Eigenspannungen und Grenzflächenhaftung

Basierend auf geometrischen Untersuchung der Fügezone des Kunststoffteils der Scherzugproben wurde die lokale thermische Schwindung infolge der Angussgestaltung nachgewiesen. Aus den Erkenntnissen wurde eine neuartige Prüfkörpergeometrie sowie ein entsprechendes Spritzgießwerkzeug als Formeinsatz konzipiert, konstruiert und in Betrieb genommen.

 

Abbildung:Topografische Analyse (mittels GOM Atos) der Kunststoffkomponente eines Scherzugprobekörpers mit Soll-Ist-Vergleich