Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
Dr. Hartwig Lohse
Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
26. März 2009 Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Dr. Hartwig Lohse Slide 1
Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
Dr. Hartwig Lohse
Themen SMC
Geschichtliche Entwicklung Zusammensetzung, Herstellung Eigenschaften Gründe für die Verwendung im Automobilbau
Kleben als Fügeverfahren für SMC Erfahrungen aus den USA Anwendungsbeispiele
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
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SMC – Sheet Molding Compound SMC bezeichnet teigartige Pressmassen aus duroplastischen Reaktionsharzen (meist Polyseteroder Vinylesterharze), Glasfasern (25 – 50 mm), Füllstoffen und Additiven zur Herstellung von Faserverbund-werkstoffen. Das in Folienform vorliegende Halbzeug wird nach Zuschneiden in beheizten Fliesspressen zum fertigen Bauteil, z.B. Automobilkarosserieteilen weiter verarbeitet.
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
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SMC – Geschichte 1940: Erste Versuche mit Glasfaserverstärkten Kunstoffen 1946: The Stout Forty Six Erstes Auto mit Vollkunststoffkarosserie Entwickelt und gebaut von William Bushnell Stout und Games Slayter (Owens Corning)
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SMC – Geschichte 1953: Das Handelsblatt berichtet über ‘Polyester-Pressmassen’ 1958: Polyester Prepregs (später benannt als SMC) werden für die Fertigung von Kabelboxen für die Deutsche Bundespost verwendet. SMC findet weitere Anwendungen im Bereich der Elektroindustrie und Telekommunikation 1963: Geklebte LKW-Fronthaube in den USA
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SMC – Geschichte
1963 – International LKW Haube, US 2-k-PU-Klebstoff Slide 6
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SMC – Geschichte 1972: Durchbruch im Bereich der Automobilindustrie. Renault R5 bekommt Stossfänger aus SMC
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SMC – Geschichte
Anfang der 70er Jahre: Kontinuierlicher Herstellungsprozess für SMC durch Verwendung von Glas Rovings 1980: Audi Ur-Quatro Heckklappe 1982: Citroen BX mit SMC Haube und BMC Heckklappe als erstes Großserien-Fahrzeug mit SMC/BMC Anbauteilen
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SMC – Zusammensetzung
Harz
Glasfasern
Füllstoffe
Additive
Lediglich ca. 30 % der Inhaltsstoffe Rohöl-basierend
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SMC – Herstellung • Automatisches Mischen der Harzkomponenten mit den Füllstoffen und Additiven • Aufrackeln auf eine Trägerfolie • Zugabe der auf Länge geschnittenen Glasfasern • Zuführen einer weiteren mit der HarzFüllstoffmischung versehenen Trägerfolie • Durchlaufen verschiedener Rollen zur Homogenisierung und Auspressen von Lufteinschlüssen • Konfektionierung auf Rollen und ‚Reifung‘ Slide 10
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SMC – Verarbeitung zum Bauteil Das folienförmige Halbzeug wird mittels Fliesspressen zum fertigen Bauteil, z.B. Automobilkarosserieteilen weiter verarbeitet. • Zuschneiden und Einlegen in die Form • Erweichung des SMC-Halbzeugs durch Wärme (140 – 165 °C) und Druck (ca. 100 bar) • Ausfüllen der Hohlräume der Form mit SMC • Aushärtung durch Wärmeaktivierung des Vernetzersystems
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SMC - Gründe für die Verwendung im Automobilbau • Gewichtsersparnis gegenüber Stahl ca. 20 % • Die gestalterische Freiheit erlaubt es eine Vielzahl von Geometrien wie runde und scharfe Kanten sowie flächige und voluminöse Formen darzustellen • Unter der Voraussetzung, dass eine Vielzahl von Fahrzeugvarianten mit jeweils 30,000 bis 100,000 jährlich gefertigt werden, zeigt SMC gegenüber Stahl Kostenvorteile, da die Werkzeugkosten geringer sind. Dieser Effekt wird noch durch kurze Facelift-Intervalle verstärkt Slide 12
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SMC - Gründe für die Verwendung im Automobilbau Kostenvergleich Stahl-/SMC-Heckklappe
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SMC - Gründe für die Verwendung im Automobilbau • Keine Korrosion • Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung erlaubt das ‚Verstecken‘ von Antennen zwischen der Außenhaut und dem inneren Verstärkungsteil • Sowohl on-line als auch off-line lackierfähig • Class A Oberfläche, • Ähnlicher Ausdehnungskoeffizient wie Stahl • Geräuschdämpfende Eigenschaften
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Kleben als Fügeverfahren für SMC Aufgrund der vielfältigen Vorteile, die das Kleben als Fügeverfahren bietet ist es für das dauerhafte Verbinden von Bauteilen aus SMC geradezu prädestiniert • • • • • •
gleichmäßige, flächige Krafteinleitung Möglichkeit verschiedenartige Materialien zu verbinden keine oder nur geringe Wärmebelastung der Fügeteile weitgehende Vermeidung von Oberflächenstörungen alterungsbeständig an die Klebaufgabe angepasste mechanische Eigenschaften des Klebstoffs erlaubt optimale Gebrauchseigenschaften • geräuschdämpfende Eigenschaften Slide 15
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Erfahrungen aus den USA Corvette - 1968 bis Heute 1968 begann GM einige SMC Teile durch Kleben zu fügen, heute wird nahezu die gesammte Karosse zusammen geklebt
1968
Heute
1983
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Corvette – Beispiel Edition Z06 Fronthaube Um eine signifikante Gewichtsersparnis zu erzielen wurde die Fronthaube aus SMC bzw. Kohlefaser SMC gefertigt.
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Erfahrungen aus den USA Fahrerhaus Kenworth T2000 Substrate: KTL-lackiertes Aluminium KTL-lackiertes Stahlblech 3 verschiedene SMC-Typen Glasfaserverstärktes Vinylesterharz Klebstoff: 2K-PUR Slide 18
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Fahrerhaus Kenworth T2000
Kabinenboden
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Fahrerhaus Kenworth T2000
Rück-und Seitenwand Slide 20
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Fahrerhaus Kenworth T2000
SMC-Feuerwand – Klebstoffauftrag Slide 21
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Fahrerhaus Kenworth T2000
SMC-Feuerwand -Fügevorgang Slide 22
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Fahrerhaus Kenworth T2000
Aufkleben des SMC-Hochdaches Slide 23
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Fahrerhaus Kenworth T2000
Übersicht: Produktionslinie
Je nach Typ werden bis zu 30 kg 2-k PU Klebstoffe pro Fahrerhaus verwendet
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Erfahrungen aus den USA Jeep Wrangler – Freedom Top
Um die Attraktivität des Fahrzeugs zu erhöhen wurde das Hardtop des Vorgänger-Modells grundlegend überarbeitet und bietet jetzt vielfältige Variationsmöglichkeiten
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Jeep Wrangler Rubicon – Freedom Top Die SMC Pressteile werden mit einem entsprechend der weißen, leicht texturierten SMC Innenseite eingefärbten 2-k-PU-Klebstoff in einem Arbeitsgang vollautomatisch miteinander verklebt
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Anwendungsbeispiele aus Europa LKW – Airdeflector
Smart Roadster – Fronthaube & Heckdeckel
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LKW – Airdeflector
Verstärkungsprofil nur verklebt* mit der Außenhaut Befestigungspunkte zum Fahrerhaus
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LKW – Airdeflector * Beim großem Airdeflector zusätzliche Nieten zur Reduzierung von durch Schwingungen induzierten Schälkräften
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LKW – Airdeflector Anforderungen: Hohe Festigkeit Schockbelastbarkeit Zähelastisch, schwingungsresistent Temperaturstabil Alterungsbeständig
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Klebstoffauswahl:
Zugscherfestigkeit [MPa]
LKW – Airdeflector
40
30
Phenole 1-& 2-k Epoxide 2-k-Acrylate
20
10
Strukturelle 2-k-Polyurethane
100
200
1- & 2-k elastische Klebstoffe 300 400
Dehnung [%]
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC LKW – Airdeflector
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Klebstoffauswahl:
1-k-feuchtigkeitshärtender PU-Klebstoff
2-k- PU-Klebstoff
ein-komponentig
zwei-komponentig
langsame Vernetzung erfordert lange Taktzeiten
schnelle wärmeunterstützte Härtung erlaubt kurze Taktzeiten
hohe Reißdehnung ~ 200%
Reißdehnung ~ 70%
E-Modul ~ 1 MPa
E-Modul ~ 800 MPa
geringe Festigkeit ~ 5 MPa
hohe Festigkeit ~ 25 MPa
Primer für gute SMC Haftung
Primerlos – Haftungsaufbau durch Wärme
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
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LKW – Airdeflector Verwendeter Klebstoff: Wärmeunterstützt härtender 2-k-PU Klebstoff Æ Gute Haftung auf SMC ohne Primer, lediglich Reinigung der Oberfläche mit Aceton Æ rel. lange offene Zeit von 15 Minuten Æ Schnelle Härtung bis zur Handlingsfestigkeit durch Wärmebeschleunigung Æ gute mechanische Eigenschaften Æ gute Alterungs- und Medienbeständigkeit
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
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LKW – Airdeflector Zugfestigkeit [MPa]
2 k – PU Klebstoff Kraft-DehnungsDiagramm E-Modul:
800 MPa
Reißdehnung:
70 %
Zugfestigkeit: 26 MPa Dehnung [%]
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC LKW – Airdeflector
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2 k – PU Klebstoff Alterungsverhalten 4,5 100 % Fiber Tear 4,0
Lap Shear Value [MPa]
3,5 3,0 2,5 Surface Prep: 2,0
IPA wipe
1,5
Cure Conditions: Fixture Cure: 80 sec @ 140 °C
1,0
+ 20 sec cool down + 2 * 30 min @ 80 °C
0,5 0,0
Room Temperature Series1
4,0
7 days water - 30 °C
4,2
82 °C
2,7
7 days water
soak @ 54 °C - soak @ 54 °C imm.
rec.
2,7
2,9
6 Week Cycle
SCAB
8 Weeks DIN
Test
Corrosion Test
50017
8 Weeks @ 70 °C
3,2
3,1
2,6
3,9
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LKW – Airdeflector Fertigungsablauf Klebarbeitsplatz, - Kleben - Fügen - Spothärtung Bereitstellung und Reinigung Außenteil/Ausschleusen fertiger Airdeflector Wärmeunterstütze Aushärtung
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Fertigungsablauf
Reinigen des Außenteils und Überführen in die Klebstation
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
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LKW – Airdeflector Fertigungsablauf
Einlegen des Verstärungsprofils in die Fügevorrichtung
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LKW – Airdeflector Fertigungsablauf
Klebstoffapplikation
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LKW – Airdeflector Fertigungsablauf
Spot-Härtung mit Heißluft 4 Minuten, Lufttemperatur 150°C, Objekttemperatur 130 °C
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LKW – Airdeflector Fertigungsablauf
Endhärtung mit IRStrahlern 10 Minuten, Objekttemperatur ~ 100 °C Elstein IR-Strahler
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
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LKW – Airdeflector Fertigungsablauf
Entnahme des fertigen Airdeflectors
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
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LKW – Airdeflector Fertigungsbegleitende Qualitätssicherung Kleben von Prüfkörpern unter Produktionsbedingungen
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
Dr. Hartwig Lohse
LKW – Airdeflector Fertigungsbegleitende Qualitätssicherung Prüfen im Zugscherversuch
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
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LKW – Airdeflector
Seit 1997 ca 10,000bis 15,000 Stück/Jahr gefertigt Kein Versagensfall bekannt
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
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Anwendungsbeispiele LKW – Airdeflector
Smart Roadster – Fronthaube & Heckdeckel Material: SMC/SMC & SMC/KTL Stückzahlen: > 25,000/Jahr
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC Smart Roadster Aufbau der Teile
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Beplankung (SMC)
Scharnier (KTL)
Strukturteil (SMC) Schließbügel (KTL)
Abb: smart
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Smart Roadster Bauteil - Anforderungen: Hohe Festigkeit
Schockbelastbarkeit
Zähelastisch, Schwingungsresistent
passive Sicherheit (Crash) Temperaturstabil
Alterungsbeständig
keine Innenverkleidung Æ Optik Class A Oberfläche Lackierung gemeinsam mitThermoplastbauteilen, Colormatching Heckdeckel als Innenraumbauteil Æ Emissionsvorgaben
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
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Smart Roadster
Klebstoff - Anforderungen: Æ Gute Haftung auf SMC und KTL ohne Primer, lediglich Reinigung der Oberfläche mit Isopropanol/Wasser Æ rel. lange offene Zeit von 15 Minuten Æ Schnelle Härtung bis zur Handhabungsfestigkeit durch Wärmebeschleunigung (Härtungszeit 2,5 min) Æ gute mechanische Eigenschaften (statische und dynamische Feststigkeit) Æ gute Alterungs- und Medienbeständigkeit
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
Dr. Hartwig Lohse
Klebstoffauswahl:
Zugscherfestigkeit [MPa]
Smart Roadster
40
30
Phenole 1-& 2-k Epoxide 2-k-Acrylate
20
10
Strukturelle 2-k-Polyurethane 1- & 2-k elastische Klebstoffe 100
200
300
400
Dehnung [%]
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
Dr. Hartwig Lohse
2 k – PU Klebstoff Kraft-DehnungsDiagramm E-Modul: Reißdehnung:
800 MPa 70 %
Zugfestigkeit [MPa]
Smart Roadster
Zugfestigkeit: 26 MPa Dehnung [%]
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster 4,5 100 % Fiber Tear 4,0
Alterungsverhalten
3,5 Lap Shear Value [MPa]
2 k – PU Klebstoff
3,0 2,5 Surface Prep: 2,0
IPA wipe
1,5
Cure Conditions: Fixture Cure: 80 sec @ 140 °C
1,0
+ 20 sec cool down + 2 * 30 min @ 80 °C
0,5 0,0
Room Temperature Series1
4,0
7 days water - 30 °C
4,2
82 °C
2,7
7 days water
soak @ 54 °C - soak @ 54 °C imm.
rec.
2,7
2,9
6 Week Cycle
SCAB
8 Weeks DIN
Test
Corrosion Test
50017
8 Weeks @ 70 °C
3,2
3,1
2,6
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster - Fertigungsablauf
Pressen Beplankung Entgraten Fronthaube Verkleben Fronthaube Pressen Strukturteil Fronthaube
Entgraten
Bohren / Fräsen
Primern
Lackieren
Einkleben Einleger
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster Fertigungsablauf - Kleben Bereitstellung Substrat 1
Komponete A
Bereitstellung Substrat 2
Komponete B
reinigen
reinigen Klebstoffauftrag
Mischen Topfzeit
Klebstoffauftrag
offene Zeit
offene Zeit Fügen Fixieren
weitgende Aushärtung bei erhöhter Temperatur bis zum Erreichen der Handlingsfestigkeit
Entnahme und Weiterbearbeitung
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster Klebstofferwärmung mit dem Hot-AirImpingement Verfahren
Erhitzte Luft
Klebstoff SMC Aussenhaut
Aluminium -form SMC Strukturteil Isolierun g
SMC Oberflächentemperatur
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster Klebstofferwärmung mit dem Hot-AirImpingement Verfahren
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster Klebstofferwärmung mit dem
Hot-Air-Impingement Verfahren
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster 2 k – PU Klebstoff
wärmeunterstützte Aushärtung 140
& Die Erwärmung des Klebstoffs beschleunigt die Klebstoffhärtung
Temperatur im Klebstoff [°C]
Temperatur [°C]
170 160 120 150 100
140 130 80
3,5 minutes
120 60
110 100 40 90 20
80 70 0 60
00 :0 0 00 :4 0 01 :2 0 02 :0 0 02 :4 0 03 :2 0 04 :0 0 04 :4 0 05 :2 0 06 :0 0 06 :4 0 07 :2 0 08 :0 0 08 :4 0 09 :2 0 10 :0 0 10 :4 0 11 :2 0 12 :0 0 12 :4 0 13 :2 0
Erlaubt den Verzicht auf Oberflächenvorbehandlung (Primer oder Schleifen)
50
0
30
60
90
Zeit 150 [min] 180
120
210
240
270
300
Zeit [sec]
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Dr. Hartwig Lohse
Smart Roadster Klebstofferwärmung mit dem Hot-AirImpingement Verfahren
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Strukturelles Kleben von Kunststoffen in der Fahrzeugindustrie Geklebte Automobil-Anbauteile aus SMC
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Smart Roadster Vielen
Dank für Ihre Klebprozess Aufmerksamkeit Fragen?
Foto: smart
Dr. Hartwig Lohse Tel.: 04822 95180
[email protected]
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