SB_21578NLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchung und
Optimierung
der mechanischen
Langzeiteigenschaften von
Klebverbindungen aus
additiv gefertigten
Kunststoffbauteilen

Untersuchung und Optimierung
der mechanischen
Langzeiteigenschaften von
Klebverbindungen aus additiv
gefertigten Kunststoffbauteilen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.578 N
DVS-Nr.: 08.3389
Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.578 N / DVS-Nr.: 08.3389 der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 590
Bestell-Nr.: 170700
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Schlussbericht vom 28.03.2024
zu IGF-Vorhaben Nr. 21578 N
Thema
Untersuchung und Optimierung der mechanischen Langzeiteigenschaften von
Klebverbindungen aus additiv gefertigten Kunststoffbauteilen
Berichtszeitraum
01.01.2021 bis 31.10.2023
Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung
Technische Universität Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik, Braunschweig

Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ............................................................................................................. 1
2. Stand der Forschung und Technik ....................................................................... 2
2.1. Fused Deposition Modeling (FDM) ................................................................ 2
2.2. Digital Light Processing (DLP) ....................................................................... 3
2.3. Anisotropie von additiv gefertigten Bauteilen ................................................. 4
2.4. Kleben von additiv gefertigten Bauteilen ........................................................ 7
3. Problemstellung und Zielsetzung ......................................................................... 8
3.1. Methodischer Ansatz zur Erreichung des Forschungsziels ............................ 8
4. Fügeteilwerkstoffe und Klebstoffauswahl (AP 1) ................................................ 10
4.1. Fügeteilherstellung mittels additiver Fertigung ............................................. 11
4.1.1. Fügeteile mit Fused Deposition Modeling (FDM) ................................ 11
4.1.2. Optimierung der Prozessparameter für das FDM-Verfahren ............... 12
4.1.3. Fügeteile mit Digital Light Processing (DLP)....................................... 14
4.2. Übersicht der Fügeteile ................................................................................ 15
5. Probenherstellung (AP 2) ................................................................................... 16
5.1. Ermittlung der optimalen Klebstoffaushärtung (AP 2.1) ............................... 17
5.2. Vermessung der Oberflächentopografie (AP 2.2) ........................................ 20
5.3. Bestimmung der Bauteildichte und Inhomogenitäten (AP 2.3) ..................... 21
6. Prüfverfahren für FDM-Kunststoffklebungen ...................................................... 24
6.1. Belastung auf Schub .................................................................................... 24
6.2. Belastung auf Zug ........................................................................................ 26
7. Quasistatische Kurzzeitbelastung (AP 3) ........................................................... 27
7.1. Belastung auf Schub .................................................................................... 28
7.2. Belastung auf Zug ........................................................................................ 29
VI

8. Statische Langzeitbelastung (AP 4) ................................................................... 31
8.1. Statische Langzeitbelastung bei Raumtemperatur ....................................... 32
8.2. Statische Langzeitbelastung bei 50°C ......................................................... 33
9. Dynamische Langzeitbelastung, Dauerschwingversuch (AP5) .......................... 35
9.1. Ermittlung der zu prüfenden Schwingfrequenz ............................................ 35
9.2. Dauerschwingversuche mit Schubbelastung ............................................... 37
9.3. Dauerschwingversuche mit Zugbelastung ................................................... 41
10. Künstliche Alterung (AP 6) ................................................................................. 42
10.1. Klimawechseltest ......................................................................................... 42
10.2. Klimawechseltest, Schubbelastung .............................................................. 43
10.2.1. Klimawechseltest, Schubbelastung mit Agomet F 300 ........................ 45
10.3. Klimawechseltest, Zugbelastung .................................................................. 46
10.4. Dauerschwingversuch bei 50 °C (AP 6) ....................................................... 47
10.5. Statische Belastung im Klimawechseltest PR 308.2 (AP 6) ......................... 48
11. Maßnahmen (AP 7) ............................................................................................ 50
12. Zusammenfassung ............................................................................................. 53
13. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den
Zielen des Projektes ........................................................................................... 54
14. Erläuterung der Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ...... 60
15. Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der Forschungsergebnisse unter
besonderer Berücksichtigung kleiner und mittelständischer Unternehmen ........ 61
15.1. Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse .. 61
15.2. Innovativer Beitrag der Ergebnisse und industrielle
Anwendungsmöglichkeiten .......................................................................... 61
16. Verwendung der Zuwendungen ......................................................................... 63
16.1. Wissenschaftlich-technisches Personal (Einzelansatz A.1 des
Finanzierungsplans) ..................................................................................... 63
16.2. Geräte (Einzelansatz B des Finanzierungsplans) ........................................ 63
VII

16.3. Leistungen Dritter (Einzelansatz C des Finanzierungsplans) ....................... 63
17. Fortgeschriebener Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ......................... 64
17.1. Durchgeführte Transfermaßnahmen während der Projektlaufzeit ................ 64
17.2. Geplante Transfermaßnahmen nach der Projektlaufzeit .............................. 66
17.3. Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts ......................................................................................... 68
18. Quellenverzeichnis ............................................................................................. 69
19. Normenverzeichnis............................................................................................. 75
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Schematische Darstellung der verwendeten Druckverfahren .............. 3
Abbildung 2: Unterschiedliche Prozessparameter zum Aufbau eines AF-Bauteils ... 4
Abbildung 3: Günstige und ungünstige Belastungsrichtung ..................................... 5
Abbildung 4: Erwärmung einer SLS-Probe bei zyklischer Belastung (links) [van10];
CT-Aufnahme einer SLS-Probe mit Poren (rechts) [van10]................. 6
Abbildung 5: Darstellung des Ablaufplans ................................................................ 8
Abbildung 6: Software PrusaSlicer und 3D-Drucker Prusa i3 MK3S+ .................... 12
Abbildung 7: FDM-Verfahren, Bauteilorientierung auf dem Druckbett und
Prozessparameter ............................................................................. 12
Abbildung 8: Bruchbilder bei unterschiedlicher Fülldichte und Bauteilorientierung 13
Abbildung 9: Software Chitubox und 3D-Drucker Elegoo Mars 2 Pro .................... 14
Abbildung 10: Delamination von FDM-ABS-VE nach Reinigung mit Isopropanol
(rechts) .............................................................................................. 16
Abbildung 11: Fügevorrichtungen ............................................................................ 16
Abbildung 12: DSC - 1. Aufheizung von SikaForce-840 L07 .................................... 17
Abbildung 13: DSC - 1. Aufheizung von Henkel Loctite HY 4070 ............................ 18
Abbildung 14: DSC - 1. Aufheizung von Panacol Penloc GTI .................................. 18
Abbildung 15: DSC - 1. Aufheizung von 3M Scotch-Weld DP 8010 ......................... 19
Abbildung 16: Oberflächen von FDM-ABS-HO und FDM-ABS-VE .......................... 20
Abbildung 17: Oberflächen von DLP-Epoxid-Acryl und der ABS-Platte ................... 20
Abbildung 18: CT-Untersuchung von FDM-ABS-VE, Schnittbild .............................. 21
VIII

Seite 1 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21578 N
1. Einleitung
Die additive Fertigung (AF), umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, hat sich
mittlerweile in der Industrie aufgrund der großen konstruktiven Freiheiten und stetigen
Verbesserungen bei der Qualität zur Fertigung von Endprodukten etabliert [Gib21].
Bereits jetzt finden additive Verfahren zur Herstellung von Serienbauteilen Anwendung
[Woh23]. Aufgrund der schnellen Entwicklung des 3D-Drucks ist zu erwarten, dass dieses
Verfahren bald flächendeckend in kleineren bis mittleren Serienprozessen eingesetzt
wird, bei denen die Druckerzeugnisse mit anderen Baugruppen zu einem Produkt
verbunden werden. Bisher gibt es nur begrenzte Untersuchungen zu geeigneten
Fügetechniken für die additive Fertigung. Viele herkömmliche Fügeverfahren kommen
aufgrund der notwendigen Materialkombination nicht in Frage. Das Kleben hingegen
bietet aufgrund der variablen Gestaltungsmöglichkeiten der Fügezonen sowie der
Kombinationsmöglichkeit unterschiedlicher Materialien eine hervorragende Fügetechnik
für additiv gefertigte Bauteile.
Die Notwendigkeit zur Trennung additiv hergestellter Bauteile verursacht der begrenzte
verfügbare Bauraum der Fertigungsanlagen. Weitere verfahrensspezifische
Einschränkungen, wie orientierungsabhängige Oberflächengüten und mechanische
Eigenschaften sowie Nachbehandlungsschritte (z.B. die Entfernung von Stützstrukturen),
können ebenfalls eine Trennung von Bauteilen erfordern. Die im Vergleich zu
konventionellen Fertigungsverfahren hohen Stückkosten für mittels AF hergestellter
Bauteile machen nur dort einen Einsatz sinnvoll, wo die Gestaltungsfreiheit
gewinnbringend genutzt werden kann [Bau16]. Daher kommt den für die AF geeigneten
Fügetechnologien – wie dem Kleben – eine besondere Bedeutung zu, um neben
verfahrensbedingter Bauteiltrennung auch eine gezielte Kombination von additiv und
konventionell gefertigten Bauteilen zu ermöglichen. Die Lebensdauer einer solchen
Klebung zu gewährleisten, stellt aufgrund der besonderen Fügeteileigenschaften eine
besondere Herausforderung dar [Fis19, Ger19].

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21578 N
2. Stand der Forschung und Technik
Die Bezeichnung „Additive Fertigung“ (AF) wurde in Anlehnung an den englischen
Terminus „Additive Manufacturing“ in der VDI-Richtlinie 3405 [Vdi13] eingeführt. Im
allgemeinen Sprachgebrauch wird häufig auch von 3D-Druck gesprochen. Unter AF
werden sämtliche Technologien verstanden, bei denen im Gegensatz zu konventionellen
Verfahren das Bauteil nicht durch das Abtragen oder Umformen, sondern sukzessives
Hinzufügen von Material aufgebaut wird [Geb13, Gib21]. Obwohl die additive Fertigung
ursprünglich für den Bau von Prototypen entwickelt wurde, haben sich die jeweiligen
Fertigungsprozesse derart stark verbessert, dass heutzutage auch Funktionsbauteile mit
komplexen Geometrien für die Endanwendung in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt
werden können [Neg13]. Es ist somit wenig überraschend, dass die additive Fertigung in
den letzten Jahren ein zunehmendes Interesse der Industrie auf sich gezogen hat. Hierzu
zählen Wirtschaftszweige wie z.B. die Automobilindustrie [3Drb, Hal18, Köl18], Luft- und
Raumfahrt [3Dn, Hie18, Liu17] und Elektrotechnik [3Dra, Ger1838], aber auch die
Bekleidungsindustrie [Has17, Mel14], Medizintechnik [Wu15] und das Bauwesen [Reu,
Fil18].
Im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren werden einzelne Schichten
sukzessiv aus dem 3D-CAD-Modell im sogenannten Slicing-Prozess generiert. Dabei
wird das Bauteil virtuell in horizontale Schichten zerlegt und anschließend durch das
jeweilige additive Fertigungsverfahren physikalisch schichtweise aufgebaut [Gru15].
2.1. Fused Deposition Modeling (FDM)
In der industriellen Anwendung der additiven Fertigung entfallen die meisten verkauften
Geräte auf die Technologie des Strangablegeverfahrens, synonym auch Fused
Deposition Modelling (FDM), 1989 von Stratasys patentiert [aca16, Cru89].
Beim FDM handelt es sich um ein Extrusionsverfahren, bei dem ein thermoplastischer
Kunststoff aufgeschmolzen und anschließend über eine beheizte Düse gepresst wird.
Dabei entsteht ein dünner Kunststoffstrang, aus dem durch gezieltes Verfahren der Düse
in der x-y-Ebene unterschiedliche Konturen und Flächen erzeugt werden können. Durch
das Absenken der Bauplattform in der z-Ebene können auf diese Weise Schicht für

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21578 N
Schicht komplexe Bauteile hergestellt werden [Gib21]. In Abbildung 1, links, ist das
Verfahren schematisch dargestellt.
DIN EN ISO 172962
Abbildung 1: Schematische Darstellung der verwendeten Druckverfahren
2.2. Digital Light Processing (DLP)
Diese Verfahren basiert auf der Stereolithografie SLA (stereolithograph apparatus), dem
Ursprung aller 3D-Druckverfahren. Ein erster Entwurf wurde 1984 durch Charles Hull
patentiert und 1988 kam die erste käufliche Maschine des Unternehmens 3D Systems
auf den Markt [Hul84]. Die Stereolithografie verwendet das Prinzip der
Photopolymerisation, um 3D-Modelle aus einem UV-empfindlichen Harz herzustellen.
Dabei verfestigt sich beim Auftreffen eines Lasers auf das Harz dieses an der besagten
Stelle, so dass Schicht für Schicht das Objekt aufgebaut wird. Die Stereolithografie schafft
damit eine der hochwertigsten Oberflächen, die existierende Drucktechnologien derzeit
bieten.
Das DLP-Verfahren verwendet anstelle des Lasers einen Videoprojektor, um einen
größeren Bereich mit erhöhter Druckgeschwindigkeit abzudecken. Hierbei sind
inzwischen die über Kopf bauenden Maschinen weit verbreitet, Abbildung 1, rechts. Die
Bauplattform taucht von oben so tief in ein nach unten mit einem Glasboden
abgeschlossenes Harzbad ein, dass zwischen Bauplattform und Glasboden genau eine
Schichtdicke Harz eingeschlossen wird. Ein DLP-Projektor projiziert den aktuellen
Bauteilquerschnitt von unten durch die Glasplatte auf diese Schicht und verfestigt sie so.