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EFB-Forschungsbericht Nr. 459

PreFiHy - Prefinished light metal polymer hybrid parts

efb459

Verfasser:
M. Sc. Peter Scholz, Dipl.-Ing. Dieter Weise, Prof. Dr.-Ing. Dirk Landgrebe, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik, Chemnitz - Dr. Michaela Gedan-Smolka, Dr.-Ing. Ines Kühnert, Dipl.-Ing. Matthieu Fischer, Prof. Dr. Brigitte Voit, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. - Didier Garray, Jacques Halleux, Sirris – Centre Collectif de l'Industrie Technologique Belgique, Seraing - Sebastien le Craz, Jessica Denayer, AC&CS – CRM GROUP Advanced Coatings & Construction Solutions, Centre de Recherches Métallurgiques, Liège

108 Seiten (sw, 74 teils farbige Abb., 28 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-509-1

Preis (Digital) EUR 60,00

Preis (Print) EUR 68,00

Summary

Within the framework of the European collective research project the project consortium consisting of the Fraunhofer Institute of Machine Tools and Forming Technology IWU together with the Leibniz Institute of Polymer Research Dresden (IPF) and the Belgian Centre for Research in Metallurgy (CRM) and The Collective Centre for the Belgian Technology Industry Sirris deals with the development of relevant technologies and process routes for the efficient manufacturing of ready to use hybrid parts.

The innovative approach of the project is the connection between the metal and the plastic that shall consist of adhesive bond in the form of a 2-in-1 (adhesion promoter + surface finishing) powder-coating system. In the novel functional powder coating formulation a latent adhesive function is integrated which can be used for chemical bonding in subsequent efficient industrial processes (e.g. injection moulding) in order to create structural parts.

Thus, additional thermoplastic materials can be connected to the pre-coated metal resulting in multi-material parts with high-bond-strength in a cost-efficient way. Product costs can be lowered by a quarter of current final product costs by introducing this high-performance, 2-in-1 coating system to the market saving several pre-treatment steps and additional glue application.

On that basis several powder coating systems were produced by the Leibniz Institute of Polymer Research Dresden using the new crosslinking mechanism. The aim of the coating development was to achieve a maximum bonding strength with retention of the forming stability at the same time. In parallel the Belgian Centre for Research in Metallurgy developed a large-scale method which makes it possible to pre-treat the aluminum sheets in an efficient way using roll coating technology. In order to evaluate the forming stability of the various powder coatings as a function of the pre-treatment method, the Fraunhofer IWU developed a testing concept from forming point of view. With the aid of this method, preferred coating systems could be selected by applying an evaluation matrix.

Using an interior demonstrator component from the automotive sector, the applicability and the advantages of the novel joining technology could be demonstrated by the example of a 3D complex geometry.

In summary, it can be seen that a low-cost method has been developed on the basis of the project results, enabling the industry to efficiently produce hybrid composites with excellent bonding strength. By eliminating cost-intensive pre-treatment steps, the process chain can be shortened and costs can be saved.
The aims of the research project were achieved.

The project " PreFiHy - Prefinished light metal polymer hybrid parts " Ref.-No. AiF 122 EBR was financed and supervised by the EFB. In the scope of the CORNET - European Research Programme "PreFiHy" was funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy via the Federation of Industrial Research Associations. The report is published as EFB-Forschungsbericht Nr. 459.

Zusammenfassung

Im Rahmen des europäische Gemeinschaftsforschungsprojektes beschäftigt sich das Projektkonsortium bestehend aus dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU zusammen mit dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF) und den belgischen Partnern „Centre for Research in Metallurgy" (CRM) und dem kollektiven Zentrum der belgischen technologischen Industrie Sirris mit der Entwicklung von Technologien und Prozessrouten, welche es ermöglichen Hybridbauteile schneller und effizienter produzieren zu können.

Dabei liegt der innovative Ansatz des Projektes in den Bindeschichten zwischen der metallischen Komponente und dem Kunststoff begründet. Durch den Einsatz einer umformstabilen, funktionalisierten 2-in-1-Pulverlackformulierung, welche neben der Funktion der Oberflächenveredelung auch eine latent haftvermittelnde Funktion besitzt, wird die stoffschlüssige Verbindung des Hybridbauteils während des Spritzgießprozesses hergestellt. Auf diese Weise können Thermoplaste kostengünstig auf das entsprechend vorbeschichtete Metall aufgebracht werden mit dem Resultat eines Hybrid-Verbundes, der eine ausgezeichnete Verbundfestigkeit aufweist.

Durch den Entfall kostenintensiver Vorbehandlungsschritte und der Haftvermittlerapplikation kann die Prozesskette verkürzt und somit Kosten eingespart werden.

Aufbauend auf dieser Grundlage wurden vom IPF mehrere Pulverlacksysteme mit einem neuen Vernetzungsmechanismus entwickelt, welche diese Eigenschaftskombination aufweisen. Parallel dazu entwickelte CRM eine auf die Lackrezepturen abgestimmte Methode, die es ermöglicht die eingesetzten Aluminiumbleche effizient vorzubehandeln. Zur Bewertung der Umformstabilität der verschiedenen Lacksysteme wurde durch das Fraunhofer IWU ein Prüfkonzept entwickelt, mit dessen Hilfe geeignete Vorzugslacke ausgewählt wurden. Anhand eines Interieur-Demonstratorbauteils aus dem Automobilsektor konnten die Vorzüge der neuartigen Verbindungstechnik durch Sirris im Spritzgussprozess nachgewiesen werden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass auf Basis der Projektergebnisse eine kostengünstige Methode entwickelt wurde, die es der Industrie ermöglicht Hybrid-Verbunde mit einer ausgezeichneten Verbundfestigkeit effizient herzustellen. Durch den Entfall kostenintensiver Vorbehandlungsschritte kann die Prozesskette verkürzt und somit Kosten eingespart werden.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Table of Content

Summary
Zusammenfassung
List of Figures
List of Tables
List of Abbreviations and Symbols
List of Abbreviations
Symbols
1 State of the Art and Research
1.1 Technics to favour adhesion between metal and overmoulded plastic
1.2 Metal coating technologies - water based surface treatment
1.3 Metal coating technologies – powder coatings
2 Scientific-and technical approach
2.1 The scientific and Economic Problem
2.2 Research Objectives
2.3 Innovation Target
2.4 Work Outline
3 Project Consortium
3.1 Overview
4 Results in Detail
4.1 Coupon tests - reference data
4.1.1 Reference components characterization (IWU and IPF)
4.1.2 First level coating (IPF)
4.1.3 Testing concept formability (IWU)
4.1.4 Coupon tests concerning adhesion (IPF and Sirris)
4.2 Innovative bonding system development
4.2.1 Selection and optimisation of pre-treatment (CRM)
4.2.2 Coating development (IPF)
4.2.3 Evaluation forming behaviour (IWU)
4.2.4 Evaluation and adhesion improvement (IPF)
4.2.5 Evaluation corrosion behaviour (CRM)
4.3 Process chain
4.3.1 Conventional process chain (all)
4.3.2 New process chain (all)
4.3.3 Process variants (IWU)
4.4 Demonstrator
4.4.1 Overview demonstrator geometries (Sirris)
4.4.2 Manufacturing of the metallic insert (IWU)
4.4.3 Hybridisation by injection moulding (Sirris)
4.4.4 Mechanical performance (Sirris)
5 Presentation of the scientific-technical and economic benefits
6 References
7 Appendix