Qualitätssicheres Vorbehandeln und Kleben durch den Einsatz optischer Emissionsspektroskopie - Safebond

Bei vielen Verbindungstechniken, wie z.B. Klebverfahren, spielt die Reinheit der Oberfläche eine entscheidende Rolle für die Qualität und die Zuverlässigkeit resultierender Verbindungen. Deshalb werden die Bauteile noch vor dem Kleben vorbehandelt, um die fertigungsbedingten Verunreinigungen zu entfernen und die Oberflächen ggf. zu aktivieren. Als eine mögliche Methode dafür kommt die Oberflächenvorbehandlung mittels Atmosphärendruckplasmen (AD-Plasmen) immer häufiger zum Einsatz. Da eine zerstörungsfreie Prüfung der Klebverbunde nur eingeschränkt möglich ist, ist eine zuverlässige Qualitätskontrolle der durchgeführten Plasmavorbehandlung von besonderer Bedeutung. Deshalb wurde im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens eine neuartige Inline-fähige Methode basierend auf der optischen Emissionsspektroskopie zur Überwachung und Beurteilung des Vorbehandlungsprozesses mittels AD-Plasmadüsen entwickelt und untersucht. Dabei dienten die Plasmadüsen nicht nur zur Vorbehandlung der Oberflächen, sondern auch als Anregungsquelle zur Erzeugung der optischen Emissionen für die Analytik. Als klebtechnisch relevante Werkstoffe wurden Aluminium und kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zur Untersuchung festgelegt. Als Kontaminationen, die bei der Fertigung und Weiterverarbeitung der Materialien eingesetzt werden, aber im Klebprozess die Adhäsionsbildung einschränken, wurden das Tiefeiehöl Multidraw PL61 für Aluminium und das Trennmittel Frekote 700NC für CFK ausgewählt. Diese konnten auf die zu untersuchenden Proben definiert aufgetragen werden. Zunächst wurde der Einfluss der Kontaminationsmenge sowie der AD-Plasmabehandlung auf die Festigkeit resultierender Klebverbunde für die beiden Werkstoffsysteme systematisch untersucht. Dabei wurden optimale Prozessparameter ermittelt, welche bei der anschließen den Bewertung spektroskopischer Überwachungsmethoden berücksichtigt wurden. Für die Messungen mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) wurde ein optisches Linsensystem in den Aufbau der Plasmaanlage integriert. Die vom AD-Plasma an der behandelten Oberfläche angeregten Emissionen wurden dabei mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Spektrometem erfasst und den dazugehörigen Elementen zugeordnet. Eine semiquantitative Bestimmung der Kontaminationsmenge konnte dann durch die Bildung des Peakflächenverhältnisses einer Nachweislinie der Kontamination in Relation zu einer Nach weislinie des Substrates erfolgen. So zeigten sich verschiedene Verhältnisse von Calciumund Natrium-Linien zu Aluminium- und Magnesium-Linien als gut geeignet für die Analytik an den mit Multidraw kontaminierten Aluminium-Substraten. Dies wurde auch in den anschließenden Messungen mittels der als Referenzmethode eingesetzten LlPS-Technik (Laserinduzierte Plasma-Spektroskopie) verifiziert. Die Untersuchung kontaminierter CFK-Proben erwies sich jedoch als schwierig, da sich Silizium in Frekote sowie Kohlenstoff im CFK mit Hilfe der verwendeten AD-Plasmen nur schwach anregen ließen. Die im Rahmen des Vorhabens entwickelte Analyse der angeregten optischen Emissionen wurde auch zur Charakterisierung der unter der Plasmadüse verfahrenen Proben während der Vorbehandlung erfolgreich erprobt. Dadurch konnte ein Konzept des neuartigen Inline-fähigen Verfahrens zur kostengünstigen Überwachung und Qualitätssicherung der ADPlasmavorbehandlung für die klebtechnischen Anwendungen erarbeitet werden.