Grafenförstärkt lim för punktsvetsning (avslutat)

Syfte och mål

För att kunna kombinera hög prestanda och lättviktsteknik finns det ett stort antal material i moderna bilar, till exempel mjukt stål, borstål, sandwich-kompositer i aluminium och metall etcetera.

Således är sammanfogningsmetoder kritiska för bilens prestanda, särskilt säkerhet och hållbarhet. För att ytterligare förbättra användningen av strukturella limmer i OEM-tillämpningar, kommer detta projekt undersöka grafenmodifierade strukturella limmer. Projektet syftar till att använda grafen för att förbättra process- och materialegenskaperna hos strukturella limmer som används inom bilindustrin.

Projektet kommer att skräddarsy (a) limkompositionen, (b) grafenfunktionalisering / behandling och (c) processflödesinducerad anisotropi för att kunna leverera överlägsna (1) elektriska, (2) termiska, (3) mekaniska och (4) härdningsegenskaper.

Projektet samlar en tvärfunktionell projektgrupp som består av Volvo Cars som är en ledande global och nationell fordonstillverkare, det nybildade bilföretaget CEVT, den växande komposittillverkaren Lamera, Chalmers och RISE Research Institutes of Sweden med stor vetenskaplig expertis inom grafenkompositer och från samarbeten med industrin, Chalmers Industriteknik med bred kunskap inom grafenområdet, samt limtillverkarna Dow Automotive och Sika som har expertkunskap inom formulering av och egenskaper hos limmer.

Resultat

Projektet kan sammanfattas i fyra iterativa aktiviteter (WP1-4) med samordning och konsortiumbyggnad i WP0:

Fyllnadsvals-, modifierings- och formuleringsoptimeringsaktiviteter utfördes vid RISE och fokuserades på fyra olika typer av grafen spridda i fyra olika lösningsmedel. Formuleringarna införlivades i mållimmen och flera kolblandningar (CC) innehållande grafen och kimrök (för att kompensera för potentiella anisotropa effekter) valdes ut för (2) – (4).
2. Inkorporering av CC i fordonslim i standardmotståndspetssvetsning (RSW) -patroner utfördes vid SIKA och DuPont i flera koncentrationer, via skalbara blandningsförfaranden.
3. Morfologi och elektrisk ledningsförmåga hos prover framställda i (2) analyserades under pressflödesförhållanden som efterliknade RSW-processen, huvudsakligen med användning av kombinerade reologi-dielektriska test. Resultaten bekräftade anisotropin av limmet vid applicering medan en jämn ökning av max 50% i elektrisk konduktivitet för de högre CC-koncentrationerna registrerades.
4. RSW-tester utförda vid VCC bedömde svetsprocessfönstret (ett mått på processstabilitet) i termer av applicerad ström i förhållande till svetsdiameter och förekomst av svetsutdrivning. Generellt sett kan högre CC-koncentrationer potentiellt dra slutsatsen för bredare svetsfönster, men totalt sett identifierades inga slutgiltiga förbättringstrender. På Lamera AB tillverkades sandwichkompositer framgångsrikt med CC-förstärkta lim.

Projektet samlade framgångsrikt, relativt projektets storlek, ett stort antal partners med starkt industriellt stöd inom såväl Sverige som utomlands. Projektet har överträffat de testparametrar som ursprungligen sattes in, men resulterat i måttlig förbättring av elektrisk ledningsförmåga som inte tycktes ha radikal påverkan på limprestandan i punktsvetsförsök. Det skapade konsortiet har potential att utvecklas till en mer systematisk studie eftersom vikten av punktsvetsprestanda fortfarande är en aktuell industriell utmaning med hög prioritet.

Abstract in English

Graphene enhanced adhesives for spot welding
In order to combine high performance and lightweight technology, modern automotive car bodies include a wide range of materials, e.g. mild steel, boron steel, aluminium and metal sandwich composites etcetera. Thus, joining methods are critical for car performance, especially safety and durability. To further enhance the use of structural adhesives in OEM applications, this projects investigates graphene modified structural adhesives. The project aims to use graphene to enhance process and material properties of structural adhesives used in the automotive industry. Specifically, the project will tailor (a) the adhesive composition, (b) graphene functionalization / treatment and (c) the processing flow induced anisotropy in order to deliver superior (1) electrical, (2) thermal, (3) mechanical and (4) curing.
The project brings together a cross-functional project group.

Resultat
The project can be summarized into 4 iterative activities (WP1-4) with coordination and consortium building contained in WP0:

Filler selection, modification and formulation optimization activities were performed at RISE and were focused on 4 different graphenes dispersed in 4 different solvents. The formulations were incorporated in the target adhesives and several carbon mixtures (CC) containing graphene and carbon black (to offset potential anisotropic effects) were selected for (2)-(4).
2. Incorporation of CC into automotive adhesives into standard resistance spot welding (RSW) cartridges was performed at SIKA and DuPont in several concentrations, via scalable mixing procedures.
3. The morphology and electrical conductivity of samples prepared in (2) was analyzed in squeeze flow conditions mimicking the RSW process, mainly using combined rheology-dielectric tests. The results confirmed the anisotropy of the adhesive at application while a consistent increase of max. 50% in electrical conductivity for the higher CC concentrations was recorded.
4. RSW tests performed at VCC assessed the welding process window (a measure of process stability) in terms of applied current in relation to weld diameter and occurrence of weld expulsion. In general, higher CC concentrations could potentially infer broader welding windows, however, overall, no conclusive improvement trends were identified. At Lamera AB sandwich composites were successfully produced with the CC reinforced adhesives.

The project successfully brought together a large number of partners, relative to the size of the project, with strong industrial support within Sweden as well as abroad. The project has surpassed the testing parameters initially set up, however, resulting in moderate improvement of electrical conductivity that did not appear to radically influence the adhesive performance in spot welding trials. The consortium created has the potential to develop into a more systematic study as the importance of spot welding performance remains a current industrial challenge of high priority.

Utlysning:
Samverkansprojekt för kommersiella tillämpningar med grafen – våren 2018

Projektpartners: Chalmers, RISE, Chalmers Industriteknik, Volvo Cars, CEVT, Lamera AB, Dow Automotive och SIKA

Projektledare: Chalmers

E-mail: roland.kadar@chalmers.se

Bidrag: 1 000 000 kr

Projektets löptid: 15 maj 2018 - 30 aug. 2019

Relaterade styrkeområden: