Oberflächenaktivierung CfK-Verklebung

Verkleben statt Laminieren

Atmosphärendruckplasma macht CfK-Solarauto leichter. Ein Studententeam der Universität Leuven behandelte die CfK-Bauteile seines neuen Solar-Rennwagens vor der Verklebung mit Atmosphärendruckplasma und sparte damit viel Gewicht. Damit geht es zu der vom 18. bis 25. Oktober 2015 stattfindenden World-Solar-Challenge in Australien.

Nur die Sonne gibt ihm Kraft: Das energieeffiziente Solar-Fahrzeug Punch One vor seiner Reise zur Weltmeisterschaft in Australien. Dank Plasma-/Klebprozess wurde die CfK-Karosserie um mehrere Kilo leichter. (Bild: KU Leuvens/Rob Stevens)

Produktionsmanager Dokus Soetemans und seine fünfzehn belgischen Teamkollegen sind angehende Elektronik- oder Mechatronik-Ingenieure mit einem Durchschnittsalter von 21 Jahren. Sie bilden das diesjährige „Punch Powertrain Solar Team“. Seit über zehn Jahren bietet die Universität Leuven in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern ihren Master-Studenten ein besonderes Aufbaustudium: In nur 15 Monaten müssen die Teilnehmer des alle zwei Jahre durchgeführten Solar-Car-Projekts ein einsitziges Fahrzeug konstruieren, das seine Leistung allein aus der Energie der Sonne bezieht und sich dem Wettbewerb um das effizienteste Elektroauto der Welt stellt. Ziel ist die erfolgreiche Teilnahme an der längsten und härtesten Solarwagen-Rallye der Welt: Der World-Solar-Challenge in Australien.

Jedes Gramm zählt
Weniger Gewicht bedeutet weniger Energieverbrauch. Der neue Solarwagen Punch One sollte mit einem Gesamtgewicht von maximal 165 Kilogramm zehn Kilogramm leichter werden als sein Vorgänger und gut 25 Kilogramm leichter als die meisten Wagen. Sechs Quadratmeter der Fahrzeugoberfläche sind mit 391 ultradünnen Silizium-Solarzellen bestückt. Doch trotz deren geringem Gewicht bringen sie insgesamt 8 Kilogramm auf die Waage. Schwerster Teil des Wagens ist die Batterie mit 21 Kilogramm. An ihr konnte nicht gespart werden. Um dennoch die angestrebte Gewichtsreduzierung zu erreichen, wurde statt zwei Motoren nur einer mit 5 Kilowatt Leistung eingebaut. Radaufhängung und Steuersystem sind nun überwiegend aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CfK) gefertigt. Doch noch immer war das Auto zu schwer – die Karosserie musste leichter werden.

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Monocoque-Unterschale mit Rippen und Torsionsbox. (Bild: Punch Power Solar Team)

Die von den Studenten hergestellte selbsttragende Karosserie ist eine 1,72 Meter breite und 4,50 Meter lange Monocoque-Konstruktion aus Ober- und Unterschale, ebenfalls gefertigt aus CfK. Mit Hilfe der Vakuuminfusion fertigten die Studenten die Schalen aus verschiedenen Prepregs mit 0,08 Millimeter Textreme, einem UD-Gewebe und 0,23 Millimeter Twill-Gewebe. Als Kernmaterial dient Rohacell. Um Biegungsmomente abzuleiten, ist eine starke Verrippung integriert.

Bei den Solarwagen früherer Studententeams wurden diese statischen Aussteifungselemente laminiert. An allen Befestigungspunkten wurden in mehreren Schichten und Längen Prepreg-Streifen aufgebracht. Diese Fügemethode ist nicht nur arbeits- und zeitaufwendig, sie bringt auch Mehrgewicht.

Anordnung der aussteifenden Rippenstruktur in der Oberschale. (Bild: Punch Power Solar Team)

Kleben statt Laminieren
Als Alternative wurden verschiedene Klebstoffe von Henkel getestet. Aufgrund der starken Vibrationen war ein Klebstoff mit hoher Elastizität gefordert, andererseits eine kurze Offenzeit, um das schnelles Arbeiten zu ermöglichen. Gewählt wurde schließlich Loctite EA 466, ein schnell härtender, zweikomponentiger Epoxidharzklebstoff. Doch schon bei den ersten Zugscherkraft-Prüfungen kam es zum adhäsiven Versagen der Klebverbindung statt des erwarteten kohäsiven Bruchs. „Man sagte uns“, berichtet Soetemans, „das Problem sei nicht der Klebstoff, sondern das Material. Zum Teil läge die schlechte Haftung wohl an einem nicht ausreichenden Reinigungsgrad der Oberfläche, vor allem aber an einer vermutlich zu geringen Oberflächenenergie. Henkel riet uns, die Kunststoffoberflächen der Rippen mit Atmosphärendruckplasma (AD-Plasma) zu behandeln.“ Das Team folgte dem Rat und kurz darauf war der Kontakt zu dem belgischen Vertreter des deutschen Plasmaunternehmens Plasmatreat hergestellt.

Reinigen und Aktivieren mit AD-Plasma
Die vor zwanzig Jahren entwickelte Düsentechnologie Openair-Plasma ist in vielen Branchen im Einsatz. Das Verfahren nutzt ein potentialfreies, atmosphärisches Plasma zur Vorbehandlung von Oberflächen. Von einer intensiven, gepulsten Bogenentladung im Inneren von Plasmadüsen erzeugt, wird es am Düsenaustritt konditioniert. Zur Aktivierung einer Oberfläche kommt es durch die chemische und physikalische Wechselwirkung des Plasmas mit dem Substrat.

Vorbehandlung der CFK-Karosserie mit Openair-Plasma. Die mikrofeine Reinigungs- und simultane Aktivierungskraft des Plasmas führen zu einer deutlichen Erhöhung der Benetzbarkeit und Haftungseigenschaft der Kunststoffoberfläche. (Bild: Plasmatreat)

Das Verfahren fasst drei Arbeitsschritte in einem sekundenschnellen Vorgang zusammen: Es bewirkt die mikrofeine Reinigung der Kunststoffoberfläche, deren statische Entladung und simultan ihre Aktivierung. Das bewirkt eine homogene Benetzbarkeit der Materialoberfläche und eine langzeitstabile Haftung von Verklebungen oder Beschichtungen auch bei hoher Beanspruchung.

Zwei unterschiedliche Tests, einer vor und der andere nach dem Verkleben, sollten die Wirkung nachweisen. Im ersten Test ging es um die Bestimmung der Oberflächenenergie des CfK vor und nach der Plasmabehandlung. Hierzu führte Plasmatreat eine Kontaktwinkelmessung mit einem Mobile Surface Analyzer (MSA) von Krüss durch. Innerhalb einer Sekunde dosiert das mobile Messgerät automatisch zwei parallele Tropfen mit anschließender Messung der Kontaktwinkel und Berechnung der freien Oberflächenenergie. Das Resultat erlaubt fundierte Aussagen über die Benetzbarkeit durch wässrige oder organische Flüssigkeiten. Das Ergebnis: Während die zu verklebende glatte Seite des CfK-Musters im unbehandelten Zustand eine Oberflächenenergie von nur 24 mJ/m² aufwies, war der Wert nach der Plasmabehandlung auf 74 mJ/m² gestiegen – eine gute Voraussetzung für den Klebprozess. In der erneuten Zugscherkraft-Prüfung dann der Beweis: Das Bruchverhalten hatte sich verändert. Statt des früheren Adhäsionsbruchs lag nun der gewünschte Kohäsionsbruch vor.

Darstellung der verschiedenen Konstruktionsebenen des Solarwagens. (Bild: Punch Power Solar Team)

Leichter und schneller
Unter der Regie und Kontrolle ihres Produktionsmanagers übernahmen Mitglieder des Teams nun die Plasmabehandlung und das Verkleben aller aussteifenden Rippen in den beiden Karosserieschalen. Zur leichteren Anwendung hatte Plasmatreat eine nur 2,5 Kilogramm schwere Hand-Rotationsdüse zur Verfügung gestellt, die sonst für Laborzwecke oder Kleinanwendungen genutzt wird. Der Arbeitsablauf stellte sich als recht einfach heraus: Während eine Person die Plasmadüse über die zu behandelnde Flächen führte, folgte sofort im Anschluss die nächste Person mit dem Klebstoffauftrag. Etwas Druck brauchten die verklebten Rippen noch, dann konnte die Schale für eine Stunde bei 90°C zum Aushärten des Klebstoffs in den Ofen.

Während früher der Laminierprozess aller Aussteifungselemente über eine Woche benötigte, war es mit dem neuen Verfahren unter Einsatz von Plasma in drei Tagen getan. Auch dem Gewicht hat der Fügeprozess mit einer Einsparung von fast drei Kilogramm geholfen: Die angestrebten 165 Kilogramm Gesamtgewicht wurden genau erreicht. Im Oktober geht es nach Australien. Und alle Hoffnungen der jungen Studenten ruhen auf der Sonne.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Inès A. Melamies, Fachjournalistin.

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