Projekte

Punktförmiges Fügen für stabile Hybridverbindungen

Belastungsgerechte Hybridverbindungen aus Metallen und Thermoplasten werden für industrielle Anwendungen immer bedeutsamer. Erforderlich sind effiziente Fügeprozesse, mit denen entsprechend des konkreten Lastfalls feste Verbindungen schnell und reproduzierbar hergestellt werden können. Die HeatPressCool integrative Technologie (HPCi®) ermöglicht das prozesssichere Fügen verschiedener Materialspezies ohne den Einsatz von Zusatzstoffen wie Klebstoff, Schrauben oder Nieten und bei Fügezeiten innerhalb weniger Sekunden.

Funktionsprinzip

HPCi®-Fügezangen zum sekundenschnellen Fügen von Metall mit Kunststoff.
© Fraunhofer IWS Dresden
HPCi®-Fügezangen zum sekundenschnellen Fügen von Metall mit Kunststoff.

Die Kombination aus schneller lokaler Erwärmung des Metallteils und gleichzeitigem Anpressen eines Thermoplast-Bauteils lässt den Kunststoff an der Kontaktstelle schmelzen. Er benetzt das Metall und erstarrt dort direkt im Anschluss des Erwärmungsprozesses. Zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit wird die Metalloberfläche bei Bedarf strukturiert oder mit einem Haftvermittler beschichtet. Auch klebtechnisch problematische Werkstoffe wie etwa POM oder AlMg3 eignen sich ausgezeichnet für den HPCi®-Prozess.

Flexible Geometrie

Fügen eines Probekörpers aus glasfaserverstärktem Polyamid und Aluminium.
© Fraunhofer IWS Dresden
Fügen eines Probekörpers aus glasfaserverstärktem Polyamid und Aluminium.
Auslegung der Induktoren mittels multiphysikalischer Simulation.
© Fraunhofer IWS Dresden
Auslegung der Induktoren mittels multiphysikalischer Simulation.

Laserstrahlung kann eine dynamische Strahlformung verschiedene Aufheizprofile flexibel erzeugen und damit häufig variierende Verbindungsgeometrien herstellen. Bei höheren Fertigungsstückzahlen sorgt die Volumenerwärmung der Metalle mit angepassten Induktoren für minimale Fügezeiten und hohe Energieeffizienz. Eine direkte Zugänglichkeit zum metallischen Fügepartner ist dabei nicht erforderlich. Die Induktoren lassen sich bezüglich Fügeteilgeometrie und –werkstoff auslegen. Für die Integration in vollautomatische Montageprozesse wurde eine Fügezange entwickelt, die bevorzugt punktförmige Verbindungen herstellt. Ein im Außenfeld arbeitender Ringinduktor umschließt den Druckstempel, der die Fügepartner miteinander verpresst. Die prozessintegrierte Steuerung und Regelung von Verfahrweg sowie lokaler Fügetemperatur ermöglichen sowohl die Minimierung der Fügezeit als auch die Inline-Dokumentation der erzielten Fügequalität. Die HPCi®-Fügezange arbeitet sowohl bei einseitiger als auch zweiseitiger Zugänglichkeit und lässt sich an klassische Industrieroboter adaptieren. Das Werkzeug eignet sich damit für die Anwendung im Karosseriebau, um widerstandspunktgeschweißte Metallkonstruktionen in Multi- Material-Designs umzuwandeln.

Anwendungsfelder

Möglicher Anwendungsbereich: Fügen einer Hybrid B-Säule im Karosseriebau.
© Fraunhofer IWS Dresden
Möglicher Anwendungsbereich: Fügen einer Hybrid B-Säule im Karosseriebau.
Neben Anwendungen der Metall-Thermoplast- Verbindungen im Leichtbau (z. B. Automobilindustrie, Luftfahrt- oder Sportgeräteindustrie) stehen der Einsatz im Bereich der Elektronikfertigung im Fokus aktueller Forschungsarbeiten und Industrieüberführungen. Ein weiteres Anwendungsfeld erschließt sich auf dem Gebiet der Industrie und Haushaltsgüter sowie Möbelindustrie.

Nachhaltigkeit

REM Aufnahme einer zerstörend geprüften Polypropylen-Aluminium Verbindung.
© Fraunhofer IWS Dresden
REM Aufnahme einer zerstörend geprüften Polypropylen-Aluminium Verbindung.

Durch den Verzicht auf Zusatzwerkstoffe entfallen z. B. Sicherheitsmaßnahmen, die beim Verarbeiten oder Lagern von reaktiven Klebstoffen notwendig sind. Die Technologie ermöglicht auch das wiederholte Lösen der grundsätzlich stabilen HPCi®-Verbindung. So können Teile einfacher repariert und am Ende des Lebenszyklus sortenrein getrennt werden. In Verbindung mit biobasierten Kunststoffen können so nachhaltige Hybridbauteile entstehen.