Überall dort, wo die Kombination aus Metall und polymeren Werkstoffen den Bauteilen optimale Eigenschaften verleihen soll, spielen hybride Werkstoffe eine wachsende Rolle. Insbesondere die Elektronikindustrie greift auf Materialverbunde aus Metall und Kunststoff zurück – zum Beispiel bei der Auslegung von Laptopgehäusen.
Die Hauptschwierigkeit der durch Spritzguss hergestellten Bauteile ist die nicht vorhandene Anbindung des Kunststoffs an die metallische Matrix. In der Vergangenheit sollten mechanische Verankerungspunkte wie Um- und Durchspritzpunkte dieses Problem lösen, doch war dafür ein erhöhter Materialeinsatz nötig. Heute sorgen Haftvermittlersysteme für einen sicheren Verbund der beiden sehr verschiedenen Werkstoffe. Die größte Hürde sind hier aber die sehr unterschiedlichen mechanischen Kennwerte von Metall und Kunststoff. Abweichende Ausdehnungskoeffizienten zum Beispiel können zu Delaminierungen und somit zum Versagen der Bauteile führen.
Dies wird durch Vestamelt X1333-P1 von Evonik Industries verhindert, das solche Spannungsspitzen ausgleicht. Bei diesem Haftvermittler handelt es sich um ein feinkörniges Pulver, welches mittels elektrostatischer Pulverbeschichtung auf metallische Substrate aufgebracht wird. Durch einen nachfolgenden Temperschritt im Umluft- oder Durchlaufofen wird das Pulver auf der Oberfläche des metallischen Trägers angesintert und geht mit Hilfe der besonderen chemischen Modifikation einen festen Verbund mit dem Metall ein. So beschichtete Teile können anschließend mittels Spritzguss mit Kunststoffen kombiniert werden.

Hohe Lagerstabilität – langes
Verarbeitungsfenster

Ein großer Vorteil dieser Systeme liegt in der Lagerstabilität: Ist ein Blech fertig beschichtet, geht es keine weiteren Reaktionen mit seiner Umwelt ein. Von anderen Systemen bekannte kleine Verarbeitungsfenster spielen hier keine Rolle. Selbst mehrere Wochen zwischen Beschichtung und Weiterverarbeitung lassen keinen negativen Einfluss auf die spätere Haftwirkung zwischen Metall und Kunststoff erkennen. Die elektrostatische Sprühbeschichtung eignet sich besonders für kleinere Serien oder für bereits vorgeformte Körper, die noch hinterspritzt werden sollen.
Für Großserien hat das Unternehmen ein Vestamelt-Lacksystem entwickelt, welches mittels Coil Coating auf metallische Bandware aufgebracht wird, bevor diese zu zwei- oder dreidimensionalen Bauteilen weiterverarbeitet wird. Beim Coil Coating Verfahren wird ein Metallband in der benötigten Breite und Dicke mittels Walzenauftrag in der gewünschten Schichtstärke aufgebracht und im Durchlaufofen getrocknet. Hierbei wird eine systembedingte Peak Metal Temperature (PMT) erreicht, die sicherstellt, dass der Lack optimal eingebrannt ist. Schichtdicken ab 10 µm aufwärts sind mit dieser Beschichtungsmethode reproduzierbar einstellbar. Somit sind bereits beschichtete Coils verfügbar (zum Beispiel von Hühoco Metalloberflächenveredelung, Wuppertal). Diese werden anschließend zu Inserts weiterverarbeitet, die ins Spritzgießwerkzeug eingelegt und hinterspritzt werden. Die materialsparende Beschichtungstechnologie ermöglicht einen kostengünstigen Prozess.

Dichtungseigenschaften als Vorteil
in der Elektronik

Der große Vorteil des beschriebenen Haftvermittlers ist die Schaffung neuer Auslegungskonzepte der Bauteile. Während bisher Stabilität durch mechanische Verankerungspunkte geschaffen werden musste, kann nun der Vorteil der stoffschlüssigen Verbindung genutzt werden, um Bauteile völlig neu auszulegen. Hierbei haben die Produktdesigner neue Freiheitsgrade, indem sie Bauteile filigraner auslegen können und damit unter Beibehaltung oder sogar Optimierung der mechanischen Eigenschaften Material einsparen. In der Regel kann sowohl beim Metall als auch beim Kunststoff Gewicht gespart werden – durch Reduktion der Materialstärke und durch eine optimierte Werkzeugauslegung. Berechnungen zufolge sind 20 Prozent Einsparpotenzial keine Seltenheit. Stehen Bauteildaten zur Verfügung, ist simulativ nachzuweisen, welches Einsparpotenzial realisiert werden kann.
Zahlreiche Anwendungsprojekte stellen die Leistungsfähigkeit des Haftvermittlers bereits unter Beweis. Neben der sehr guten Hafteigenschaft kann zudem die dichtende Wirkung genutzt werden, die gerade für elektronische Bauteile von Bedeutung ist.
So kann bei Hybridbauteilen an der Grenzfläche zwischen Metall und Kunststoff das Eindringen von Medien durch die erreichte stoffschlüssige Verbindung zuverlässig unterbunden werden. Hier zeichnet sich das Co-Polyamid Vestamelt als besonders chemikalienbeständig aus. Im Automobilbau macht man sich diese Eigenschaft schon längst zu Nutze: Polyamide werden dort unter anderem als Kraftstoffleitungen eingesetzt. Konnten bisher bei Steckverbindungen Medien mehr oder weniger ungehindert – und unterstützt durch Kapillarwirkungen – in den schmalen Spalt zwischen Kunststoff und Metall eindringen, so wirkt der Haftvermittler hier als Barriere.

Weitere Anwendungen im
Maschinenbau und der Bauindustrie

Im Maschinenbau erlangt Leichtbau eine immer größere Bedeutung, um rotierende und schwingende Massen möglichst gering zu halten. Diese Aufgabenstellung wird durch Hybridlösungen aufgegriffen. So können kraftübertragende Komponenten in Getrieben als Hybridbauteile ausgelegt werden. Was vor kurzer Zeit durch die hohen auftretenden Kräfte noch undenkbar war, kann durch die stoffschlüssige Verbindung der Werkstoffe realisiert werden.
Die Bauindustrie entdeckt die Vor-
teile der Materialverbunde unter anderem bei der Fassadengestaltung und bei Inserts in PVC-Fensterprofilen. Hier nutzt man die innovative Verbindungstechnologie, um mechanische Vorteile oder Gewichtseinsparungen zu erzielen.
Die große Zahl der Anwendungsbeispiele zeigt, dass eine Vielzahl von Werkstoffkombinationen einsetzbar sind. Während der Automobilbau vielfach auf Stahl oder Aluminium in Verbindung mit PA6 oder PP zurückgreift, finden im Elektronikbereich eher Metalle wie Magnesium, Titan oder Kupfer Einsatz. Genutzte Kunststoffe sind hier PC, PC/ABS und PBT sowie PVC im Baubereich. Dies stellt enorme Ansprüche an den Haftvermittler, da die Haftungsmechanismen stark von der Chemie des Materialpartners abhängen. Die besondere chemische Modifikation des Haftvermittlers und des korrelierenden Lacksystems lässt eine Vielzahl an Materialkombinationen zu. Daher sind die Einsatzmöglichkeiten in den unterschiedlichen Industriezweigen besonders vielfältig.
Bietet der vorhandene Fertigungs-prozess die Möglichkeit der nachträglichen Temperung der Bauteile, beispielsweise während einer Kathodischen Tauchlackierung (KTL), so kann die Möglichkeit der thermischen Vernetzung des Haftvermittlers zur weiteren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Bauteile genutzt werden. Temperaturen oberhalb 150?°C führen zu einem
Molekulargewichtsaufbau im Haftvermittler und damit zu einer nochmals verbesserten Performance. Auch ohne diesen Temperatureffekt erhalten die Bauteile eine enorme Torsions- und Biegesteifigkeit. Durch Tempern kann diese nochmals um etwa 10 Prozent gesteigert werden.
Positiver Nebeneffekt ist die erhöhte Temperaturbeständigkeit der Bauteile. Während Hybridbauteile mit nicht
vernetzter Haftvermittlerschicht eine
Dauergebrauchstemperatur von 120?°C aufweisen, kann die thermische Vernetzung diesen Einsatzbereich bis auf
etwa 150?°C – je nach Beanspruchung – erhöhen.

Neue Technologie
Stoffschlüssige Metall-Kunststoff-Verbindung durch Haftvermittler

Der neue Haftvermittler hilft dabei, Materialeinsparungen zu realisieren und die mechanischen Eigenschaften zu optimieren. Damit leistet Vestamelt einen wertvollen Beitrag zur ressourcenschonenden Produktion. Denn: Weniger Materialeinsatz ist gleichbedeutend mit Einsparpotenzial und damit der Triebfeder aller Industriezweige.

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Thomas Lange