Forschung bei Stahlklebeverbindungen

Ein modernes Auto enthält 15 bis 18 Kilogramm Klebstoff, der wertvolle Stahlbauteile zusammenfügt. Hochfeste Stahlklebverbindungen materialerhaltend zu trennen, ist aufgrund der hohen Festig- und Zähigkeiten sowohl der Stahlwerkstoffe und auch der Klebstoffe eine große Herausforderung.

Das Forschungsteam Prof. Dr.-Ing. Tim Michael Wibbeke und Dr. Aurélie Bartley vom Lehrgebiet Fertigungstechnologie Mechatronik der Hochschule Hamm-Lippstadt sowie Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut und Nick Chudalla vom Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn hat eine „eiskalte“ Lösung entwickelt.

Die Wissenschaftlerin und Wissenschaftler gehören zu den drei Finalistenteams für den Otto von Guericke-Preis 2023. Die Ergebnisse ihres Forschungsprojektes mit dem Titel „Analyse des Versagensverhalten geklebter Stahl-Verbindungen bei werkstoffschonenden Entfügen in der Karosserieinstandsetzung“ machen nachhaltige kreislaufwirtschaftliche Prozesse nicht nur in der Fahrzeugreparatur möglich.

Das Forschungs- und Transfernetzwerk AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. vergibt den mit 10.000 Euro dotierten Preis seit 1997 an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für besondere Innovationsleistungen auf dem Gebiet der vorwettbewerblichen Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF), die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit öffentlichen Mitteln gefördert wird.

Insbesondere im Automobilbau ist das Kleben als Fügetechnologie nicht mehr wegzudenken - von Leichtbaukarosserien, über Sicherheitsgläser bis hin zu Traktionsbatterien. Neun Prozent der gesamten jährlichen Klebstoffproduktion entfallen mittlerweile auf die Fahrzeugbranche.

Während Klebverbindungen für Produktion, Betrieb und auch bei einem Crash klare Vorteile bieten, bereiten sie bei Karosserieinstandsetzung jedoch große Probleme. Diese Probleme und diese Klebverbindungen haben die Forschenden jetzt erfolgreich gelöst.

Das neue „Heiß“ ist „Eiskalt“

Schweißpunkte an Karosseriestrukturen werden mit Spezialfräsen entfernt und Nieten herausgedrückt.

Wibbeke erklärt:
„Hochfeste, crashstabile Klebverbindungen mussten bislang bei relativ hohen Temperaturen von 350 bis 500 Grad Celsius, zum Beispiel mit einem speziellen Heißluftfön und mit Karosseriemeißeln, aufwendig entfügt werden.“

Bauteile, die eigentlich in die Wiederverwendung gehen sollten, wurden durch die mechanische Beanspruchung deformiert.

Meschut ergänzt:
„In Karosseriestrukturen haben wir häufig Mehrlagenverbindungen – das heißt, es sind mehrere Klebschichten übereinander angeordnet. Durch die hohen Temperaturen werden die darunterliegenden Klebschichten thermisch geschädigt.“

Dieses Verfahren ist weder kostengünstig noch nachhaltig. Im Rahmen des IGF-Projektes wurde daher nach einem neuartigen Ansatz gesucht, Klebverbindungen mittels tiefer Temperaturen schnell, einfach und nachhaltig sowie bauteilschonend zu lösen.

Die Wissenschaftlerin und Wissenschaftler ermittelten zunächst die Parameter, unter denen die Klebstoffe „effizient und kraftarm“ und ohne Verformung der Bauteile entfügt werden können.

Bartley hebt hervor:
„Wir konnten zeigen, dass bei einer kurzzeitigen Abkühlung von zirka minus 60 Grad Celsius die Werkstoffeigenschaften unbeeinflusst bleiben.  Das macht unser Verfahren besonders schonend und gut geeignet für die Kreislaufwirtschaft der Karosserieteile.“

Aufbauend auf diesen Forschungsergebnissen setzte das Team einen Demonstrator ein, der auf einer Trockeneisstrahlanlage basiert.

Chudalla beschreibt den Prozess zur Vorbereitung des materialschonenden Entfügens:
„Zur besseren Kälteeinbringung wurde ein Gemisch aus CO2 und Ethanol verwendet. Das verweilt auf dem Bauteil und kühlt die darunterliegende Klebschicht ab.“

„Extrem wirtschaftlich und nachhaltig“

Innerhalb von IGF-Projekten forschen Wissenschaft und Wirtschaft immer gemeinsam. Mittelständische Unternehmerinnen und Unternehmer bringen ihre langjährige Expertise aus der Praxis ein und sind ein Garant für anwendungsnahe und vor allem bedarfsgerechte Forschung.

Peter Vogel, Geschäftsführer der Vogel GmbH & Co. KG - Karosserie und Lackiercenter, und seine Mitarbeiter verwenden das Kaltentfügeverfahren seit April 2022. Der Unfallreparaturspezialist fasst die Wirkung der Forschungsergebnisse zusammen:
„Für uns ist eine effiziente, nachhaltige, schnelle Reparatur von Multimaterialmix-Karosserien extrem wichtig. Bei dem Kaltentfügeverfahren werden bestehende Strukturen entsprechend geschont und wir können damit eine schnellere und saubere Reparatur generieren. Das ist für uns extrem wirtschaftlich und nachhaltig.“

Dieses Projekt sei ein hervorragendes Beispiel dafür, wie anwendungsorientierte Gemeinschaftsforschung im vorwettbewerblichen Bereich für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) funktioniert, schätzt Rainer Salomon, Geschäftsführer der AiF-Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. – FOSTA ein.

Er erklärt:
„Allein über den Zentralverband Fahrzeug- und Karosserietechnik erreichen wir über 3.200 Unternehmen mit den IGF-Ergebnissen, die diese jetzt auch wirklich anwenden können. Da sie großserientauglich sind, bedeutet dies große Vorteile im Werkstoffkreislauf.“

Überall wo Stahl eingesetzt wird, könne das neue Entfügeverfahren ökonomische und ökologische Nachhaltigkeit steigern.

(Quelle: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V.)