Plasmagestütztes Fügen von Sandwichelementen im Leichtbau (PLASCOIL)

Ausgangssituation

Sandwichelemente bilden wichtige Komponenten des modernen Leichtbaus. Sie finden ihre Anwendung im Baugewerbe, in Fahrzeugen und im Consumerbereich. Ihr Aufbau besteht typischer Weise aus zwei metallischen Deckblechen, die durch einen geschäumten Kern aus PUR/PIR-Hartschaum schubfest verbunden sind. Innovationen kombinieren Sandwichmodule mit neuen Funktionalitäten wie z. B. Photovoltaik, Solarstromspeicher, RLT-Träger, hochdämmende Barrieren, schaltbare Wärmeleiter oder frei formbare Architekturelemente. Hinzu kommt der Einsatz neuer Hilfsmittel und die Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Die damit einhergehenden höheren statischen und dynamischen Beanspruchungen bergen aber auch das Risiko von Folgeproblemen. Eines der gefährlichsten Phänomene dieser Art stellt das sogenannte Blistering dar, d. h. die großflächige Delaminierung von Kern und Deckschicht.

Projektziel

Ziel des Vorhabens war die Aufklärung des Phänomens und den damit verbundenen Folgen wie Delamination, Aufwölbungen und Knittern der Deckschichten von Sandwichmodulen und darauf aufbauend eine praktische Vermeidungsstrategie.

Lösungsweg

Der Lösungsansatz stützte sich auf die Erforschung und Verbesserung der Adhäsion zwischen Kern- (PUR/ PIR) und Tragschicht (Coil) von Leichtbaumodulen und deren Beeinflussung mit den Mitteln der atmosphärischen Plasmabehandlung.

Ergebnisse

Zum Einsatz kam eine Vorbehandlung, welche mit minimalem Aufwand zum Erfolg führt. Als Alternative zu der praxisüblichen Primer- und Koronabehandlung wurden das Beflammen sowie die Plasmabehandlung von Coils getestet. Die Anwendung des Niederdruckplasmas schied aus technischen und betriebswirtschaftlichen Gründen aus, da die Arbeit im Hochvakuum, unter Schutzgas bzw. die Einspeisung von Precursoren Produkten mit höherer Wertschöpfung vorbehalten bleibt und zu komplizierten Schleusungsproblemen führt. Preferiert wurde das atmosphärische Plasma. Geeignete Verfahrensparameter wurden im halbtechnischen Maßstab ermittelt und dem Beflammen gegenübergestellt. Die Wirkung der Verfahren wurde durch Kontaktwinkelmessungen überprüft. Aus den Messdaten wurde die freie Oberflächenenergie nach dem OWRK-Modell (OWENS-WENDT-RABEL-KAEBLE) berechnet. Verschiedene Einflussfaktoren wurden mit Hilfe von mehrstufigen Versuchsplänen untersucht. Das Plasmaverfahren zeigte sich insgesamt wirksamer, nachhaltiger und materialschonender als das Beflammen. Während bei der Beflammung Oberflächentemperaturen von bis 130 °C auftraten, erreichte die Plasmabehandlung max. 45 °C.

Ein weiterer Forschungsgegenstand war die Grenzflächenphysik und -chemie des PUR/PIR-Hartschaums sowie dessen Verhalten unter Klimastress. Dazu standen Proben aus der Kernschicht von Sandwichmodulen mit und ohne Blistering zur Verfügung. Für die Analyse des Vernetzungsgrades des PIR/PUR-Schaumes wurde die ATR-Infrarotspektroskopie und eine Thermodesorptionsanalyse mittels GC-MS eingesetzt. Die Untersuchungen lieferte keine Hinweise darauf, dass die Vernetzung des Schaumes von einem Ortsgradienten über den Sandwichquerschnitt abhängig ist. Die mit Blistering identifizierten Proben zeigten Emissionen, die vor allem durch Triethylphosphat gekennzeichnet waren. Dies lässt einen Zusammenhang zwischen der Mechanik des Schaumes und der Rezepturierung (Flammschutz) vermuten. Die für hoch- und teilvernetzte Polymere entwickelte dynamisch-mechanische Analyse (DMA) wurde für eine oszillierende Schubbeanspruch von Hartschaumproben nach Klimalagerung eingesetzt. Generell bewirken Wärme und Feuchte ein Absinken der Schubfestigkeit bei dynamischer Beanspruchung, wobei die Dauer der Klimalagerung einen signifikanten Faktor darstellt.

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