Die Vorbereitung einer Oberfläche zur Erzeugung einer dauerhaft haltbaren Klebeverbindung kann durch verschiedene Bearbeitungsverfahren erfolgen.

Ausgabe 09 | 2023

Was beim Auftrag von Primern zu beachten ist

perfecdos GmbH

Damit eine Klebeverbindung zuverlässig hält, muss die zu verklebende Oberfläche vorher behandelt werden. Bei einer chemischen Vorbehandlung wird der richtige Primer mit der passenden Applikationsmethode je nach Beschaffenheit der Oberfläche ausgewählt. Probleme wie Overspray und Stillstandzeiten lassen sich dabei mit einem optimierten Auftrag und einer entsprechenden Ausgestaltung des Gesamtprozesses vermeiden.

Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche und damit dauerhaft haltbare Klebeverbindung ist, neben dem richtigen Klebstoff, die geeignete Vorbereitung der zu verklebenden Oberflächen, die auf unterschiedliche Weise erfolgen kann. Neben einer mechanischen Bearbeitung, also der Entfernung von unerwünschten Schichten, gibt es auch die Möglichkeit einer chemischen oder thermischen Bearbeitung sowie der Plasma-Oberflächenvorbehandlung.
Um die im industriellen Serienprozess notwendige Wiederholgenauigkeit der Klebeverbindung erzielen zu können, müssen möglichst alle für die Verklebung relevanten Parameter gleich bleiben. Neben den Eigenschaften und Inhaltsstoffen des Klebstoffes, den Umgebungsparametern wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit und dem verwendeten Auftragssystem ist auch die Beschaffenheit der zu verklebenden Oberflächen entscheidend. Auch hier müssen stets identische Bedingungen herrschen.
Dies lässt sich nur durch entsprechende Vorbehandlung der Oberflächen erreichen. Bei der Reinigung der Oberflächen werden Verschmutzungen wie zum Beispiel Fette entfernt. Reicht die Reinigung nicht aus, weil die Oberfläche mit einer Oxidschicht oder einer anderen die Adhäsion mindernden Schicht bedeckt ist, müssen diese Schichten mechanisch durch Schmirgeln, Schleifen, Strahlen oder Fräsen entfernt werden.
Das nun für die Verklebung freigelegte Grundmaterial muss anschliessend für die Verklebung vorbereitet werden. Dabei geht es im ersten Schritt um die Benetzbarkeit des Grundmaterials. Ob ein Tropfen sich auf einer Oberfläche ausbreitet, hängt vom Verhältnis der Kohäsionskräfte innerhalb des Tropfens zu den Adhäsionskräften gegenüber der Oberfläche ab. Überwiegen die Adhäsionskräfte den Kohäsionskräften, wird der Tropfen sich auf der Oberfläche ausbreiten und sie vollständig benetzen. Dies ist der ideale Zustand für die Verklebung des Grundmaterials.
Bei nicht oder nur schlecht benetzbaren Materialien ist eine Vorbehandlung zum Beispiel mit Plasma denkbar. Ob eine Oberfläche von einer Flüssigkeit benetzt werden kann oder nicht, hängt von ihrer chemischen Zusammensetzung, der Oberflächenmorphologie (Rauigkeit) und den an der Grenzfläche auftretenden Wechselwirkungen wie Van-der-Waals-Kräften ab.
Die Benetzbarkeit einer Oberfläche kann zum Beispiel mit einem Wassertropfen überprüft werden. Bildet der Wassertropfen eine Kugel, so ist der Werkstoff schlecht benetzbar. Hier müssen die Oberflächen der zu verklebenden Bauteile vorbehandelt werden. Verläuft der Wassertropfen hingegen auf dem zu fügenden Bauteil, kann davon ausgegangen werden, dass es sich um eine gut benetzbare Oberfläche handelt, die eine zuverlässige Adhäsion ermöglicht.
Im Folgenden soll auf die Vorbehandlung von Oberflächen zur Verklebung mittels chemischer Bearbeitung durch den Einsatz von Haftvermittlern näher eingegangen werden.

Was sind Primer?
Haftvermittler oder auch Primer sind Substanzen, die in der Grenzfläche unmischbarer Stoffe eine enge physikalische oder chemische Bindung herstellen. Haftvermittler werden sehr oft als Primer (lateinisch: primus – erster) bezeichnet und werden vor dem Auftrag des Mediums appliziert, das für eine gute Adhäsion sorgt.
Die Haftung von unterschiedlichen Werkstoffen oder Komponenten in einem Fertigungsprozess hängt von der Oberflächenenergie ab. Eine flächige Benetzung tritt nur auf, wenn die Oberflächenenergie des Substrats höher ist als die des Mediums. Metall und Glas haben von Natur aus eine hohe Oberflächenenergie, während unpolare Kunststoffe oft schwer benetzbar sind. Auch Recyclingprozesse können die Benetzbarkeit beeinträchtigen. Um die Oberflächenspannung zu erhöhen, werden Haftvermittler eingesetzt, was jedoch zusätzliche Prozessschritte erfordert. Zudem sind lösemittelhaltige Primer eine Herausforderung für Arbeitsschutz und Lagerhaltung. Beim Einsatz solcher Primer können Spannungsrisse entstehen.

Anforderungen an Primer
Primer können sehr unterschiedliche Wirkmechanismen aufweisen und werden für Klebeanwendungen entsprechend der zu erfüllenden Funktion formuliert. Dabei sind Primer immer im Kontext der gesamten Anforderungen an die Klebeaufgabe zu betrachten. So muss der verwendete Primer zum Material der Oberfläche passen, die für eine Verklebung vorbereitet werden soll. Für Metalloberflächen werden zum Beispiel andere Primer verwendet als für Kunststoffoberflächen. Des Weiteren dürfen zwischen Klebstoff und Haftvermittler keine unerwünschten Reaktionen oder Wechselwirkungen entstehen.
Der Primer wird ausserdem an die Anforderungen der geplanten Verklebung angepasst. Soll die Klebverbindung beständig gegen Witterung und andere äussere Einflüsse sein, müssen die Substrate nach dem Zusammenbringen nachjustierbar oder wiederlösbar sein. Wenn die Klebestelle eine Kraft übertragen soll, wird der Primer entsprechend für diese Ausgabe ausgewählt. Weitere Anforderungen sind beispielsweise die Elastizität der Klebung, ihr Spaltfüllvermögen sowie die Widerstandsfähigkeit gegen bestimmte Umgebungs- oder Bauteiltemperaturen sowie Chemikalien.
Auch die Einsatzumgebung kann für bestimmte Primer nicht geeignet sein. Ein hoher Lösemittelgehalt beispielsweise kann durch die Evaporierung nach dem Auftrag einen negativen Einfluss auf das Substrat, seine Umgebung oder Teile der Produktionsmaschine haben.

Technische Herausforderungen bei der Verwendung von Primern
Aufgrund der sehr unterschiedlichen Formulierung von Haftvermittlern kann keine generelle Aussage über die jeweils bestmögliche Applikationsmethode im automatisierten industriellen Serienprozess getroffen werden. Vielmehr müssen auch hier die unterschiedlichen Einflussfaktoren berücksichtigt werden, um am Ende eine passende und zuverlässige Lösung zu finden.
Die Applikationsmethoden lassen sich grundsätzlich in berührende Verfahren mit Pinsel, Schwamm, Tampon oder Rolle und nicht berührende Verfahren wie Sprühen, Träufeln oder Jetten unterteilen. Je nach Formulierung des Haftvermittlers und der Ausgestaltung des Produktionsprozesses, im Rahmen dessen der Primer aufgetragen werden soll, sind die Auftragsarten unterschiedlich gut geeignet.
Der händische Auftrag bei Kleinserien oder Einzelstücken ist meist unproblematisch möglich. Allerdings müssen auch hier die für den Gesundheitsschutz notwendigen Massnahmen ergriffen werden. Gerade bei dem händischen Auftrag besteht die Gefahr, dass Primer mit aggressiven Inhaltsstoffen wie Lösungsmitteln die Gesundheit der Anwender schädigen. Bei der Prozessplanung und der Auslegung der Fertigung muss beachtet werden, dass Lösungsmittel in der Regel sehr leicht entzündlich sind. Neben der Brand- und Explosionsgefahr sowie anderen Gefahren für die Gesundheit, kann der Lösungsmitteldampf auch ungewollte Auswirkungen auf die Maschine und auf die Bauteile haben. Ebenso können durch die Flüchtigkeit des Lösungsmittels auch die Dosierwerkzeuge durch ein Antrocknen des Primers unbrauchbar für einen wiederholgenauen Auftrag werden, beispielsweise durch Krustenbildung auf dem Schwamm oder Festsetzung der Füllstoffe des Primers an der Öffnung des Dosiersystems. Auch bei der Planung und Ausgestaltung eines voll-automatisierten Primerauftrags müssen diese Aspekte berücksichtigt werden. Eine Absaugvorrichtung muss giftige und aggressive Lösungsmittel-Ausdunstungen entfernen. Des Weiteren muss das Eintrocknen des Primers auf dem Dosierwerkzeug vermieden werden, da sonst die Integration eines aufwendigen, zusätzlichen Reinigungsprozesses nötig wird. Alternativ kann hier auch mit Verbrauchsmaterialien mit einer kurzen Einsatzzeit gearbeitet werden, wobei auch dieser Austausch automatisiert werden muss, was wiederum zusätzlichen Aufwand und Kosten verursacht.
Bei der Auftragung ist darauf zu achten, dass die Menge des Primers möglichst geringgehalten wird, um überflüssigen Lösungsmitteldampf und die damit verbundene Gefahren durch die aggressiven Inhaltsstoffe des Primers möglichst gering zu halten.

Häufig verwendete Auftragsverfahren
Bei den gängigen Auftragsverfahren von Primern können sich für Anwender eine Reihe von Problemen ergeben. So kann beim Auftrag mit Sprühventilen der Primer über den Overspray Bereiche von Substrat und Maschine erreichen, an denen er unerwünscht ist. Stillstandzeiten für die Reinigung der Anlage von dem Overspray oder die Notwendigkeit einer Maskierung der Bereiche des Substrats, an die kein Primer gelangen darf, verursachen erhebliche Zusatzkosten. In zahlreichen Fällen ist die Arbeit mit einer Maskierung zudem technisch nicht möglich. Beim berührenden Auftrag mit Schwämmen oder Stempeln trocknet der Primer selbst bei kurzen Stillstandzeiten ein. Das Auftragssystem muss nun so behandelt werden, dass nach dem Stillstand wieder ein präzises Auftragsergebnis erzielt werden kann. Es gilt, ein Verkrusten zu vermeiden oder nach dem Ende des Stillstandes zu beseitigen.
Das kostet wiederum Zeit und bedarf zusätzlicher Maschinenkomponenten für Spülung sowie Austausch, die wiederum ihrerseits Fehler und Probleme verursachen können. Beim berührenden Auftrag mit Dosierventilen stellen die niedrige Viskosität der Primer, die schnelle Evaporation und die dadurch notwendige Geschwindigkeit des Auftrags eine Herausforderung dar.

Lösungsansätze für einen optimierten Auftrag
Die zuvor beschriebenen Probleme lassen sich durch einen optimierten Auftrag und eine spezielle Ausgestaltung des Gesamtprozesses vermeiden. Durch den Einsatz eines Jetventils wird die Varianz im Dosiervolumen sowie der Overspray verhindert, ein Prozessstilstand durch Eintrocknen des Haftvermittlers am und im Dosiersystem umgangen sowie ein schneller Auftrag ermöglicht.
Durch seine hohe Dosiergenauigkeit – die Wiederholgenauigkeit des Jetventils liegt in der Regel bei 99 Prozent – sind Fehler durch abweichende Primermengen fast ausgeschlossen. Der angepasste Materialeinsatz spart dabei nicht nur Kosten, sondern dient auch dem Gesundheitsschutz. Linien werden bei diesem Dosierverfahren dadurch erzeugt, dass ein Punkt neben dem anderen mit einer sehr hohen Frequenz von bis zu 300 Hz gesetzt wird. Damit lässt sich beispielsweise bei einem Tropfendurchmesser von 0,5 mm mit einer Überlappung von 30 Prozent eine dosierte Linie von 105 mm Länge pro Sekunde erzeugen.
Das erlaubt unter anderem eine einfache Programmierung des Dosiersystems für Rampen oder Kurven. Beim Jetten entfallen zudem der Justierhub und die zusätzliche Bewegung des Applikators, was zu deutlich kürzeren Taktzeiten als beim Kontaktdosieren führt. Auch Bauteil- und Positionstoleranzen sind bei diesem Verfahren weniger kritisch. Da das Ventil direkt von der Anlagensteuerung aus kontrolliert werden kann, haben Anwender ein hohes Mass an Flexibilität hinsichtlich der Variantenvielfalt der zu produzierenden Baugruppen. Dies ist zum Beispiel gerade in der Elektronikfertigung ein wichtiger Aspekt.
Der Auftrag mittels geschlossener Tropfen hilft dabei, Overspray komplett auszuschliessen. Die Primer enthalten einen sehr hohen Anteil an Lösungsmittel und sind daher sehr schnell flüchtig. Durch den Auftrag mit geschlossenen Tropfen wird das Medium an der Stelle des Bauteils appliziert, an der die Wirkung des Primers benötigt wird. Alle anderen Bereiche des Bauteils werden nicht mit dem Primer benetzt oder durch Overspray kontaminiert.
Durch die Wahl eines Dosiersystems, das zu den physikalischen Eigenschaften des Mediums und der Dosieraufgabe passt, kann der Auftragsprozess stabiler und sicherer ausgestaltet werden. Stillstandzeiten durch eingetrocknetes Material lassen sich vermeiden. Beim Jetten kann darüber hinaus eine einfache Prozessüberwachung mit einer Lichtschranke realisiert werden, die bei einer Kontaktdosierung nur mit einer kostenintensiveren, optischen Kontrolle möglich ist. Die Sensoren der Lichtschranke werden automatisch gereinigt, sodass Verschmutzungen keine Fehlfunktionen verursachen.

INFOS | KONTAKT
perfecdos GmbH
Ödenpullach 1
D-82041 Oberhaching
T +49 (0)89 9042019-0
www.perfecdos.com
info@perfecdos.com

April

wire, Düsseldorf

Internationale Fachmesse für Draht und Kabel
15. bis 19. April
www.wire.de

Tube, Düsseldorf

Internationale Rohr-Fachmesse
15. bis 19. April
www.tube.de

Siams, Moutier

Der Treffpunkt der Mikrotechniken. Fachmesse für Automation, Werkzeugmaschinen und Zulieferung
16. bis 19. April
www.siams.ch

HANNOVER MESSE, Hannover

Weltleitmesse der Industrie mit dem Leitthema «Energizing a Sustainable Industry»
22. bis 26. April
www.hannovermesse.de

Intertool, Wels

Österreichs Fachmesse für Fertigungstechnik
23. bis 26. April
www.intertool.at