Projekte

HPCi® - Technologie zum thermischen Direktfügen von Faserverbundwerkstoffen

Fügezange
© Fraunhofer IWS
Fügezange

Innovative Leichtbaukonzepte für Karosserie- und Flugzeugbau vertrauen zunehmend auf das Multi-Material-Design. Eine besondere Herausforderung stellt dabei der Fügeprozess dar. Hierzu sind effiziente Prozessketten erforderlich, bei denen abgestimmt auf den konkreten Lastfall eine optimierte Vorbehandlungs- und Fügetechnologie sowie angepasste Werkzeuge zur Prozesssimulation und Eigenschaftscharakterisierung zum Einsatz kommen.

Post- und In-Mould Assembly-Prozesse, mechanische Fügeverfahren wie Schrauben und Nieten und das Kleben sind bisher gängige Verfahren, um zuverlässig artungleiche Fügeverbindungen herzustellen. Spezifische Restriktionen dieser Verfahren ergeben sich insbesondere durch:

  • eingeschränkte Geometriekomplexitäten,
  • lokale Querschnittsverminderungen mit gestörtem Kraftfluss bei Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV),
  • die Notwendigkeit zur Einbringung von Zusatzmaterialien
  • sowie verlängerte Prozesszeiten.

Deshalb werden neue Fügeverfahren ohne die genannten Restriktionen und mit kurzen Fügezeiten gesucht.

Lösung

Prinzip Thermisches Direktfügen
© Fraunhofer IWS Dresden
Prinzip Thermisches Direktfügen

Basierend auf ausgeprägtem Werkstoffwissen und Prozess- Knowhow zu laser- und plasmabasierten Fertigungsverfahren werden am Fraunhofer IWS Dresden neben Oberflächenvorbehandlung und Klebtechnologien auch Verfahren zum thermisch induzierten Fügen untersucht. Die thermischen Direktfügeverfahren zeichnen sich durch kurze Fügezeiten und die Substitution von Zusatzmaterial (z. B. Klebstoff) aus.

Beim Fügen von Mischverbindungen aus Metall und Thermoplast greift das IWS auf belastungsgerechte Oberflächenstrukturierungen, haftvermittelnde Schichten und unterschiedliche Erwärmungskonzepte zurück. Die applikationsangepasste Erwärmung erfolgt mit Laserstrahlung, Heizelementen oder Induktion.

Auf Basis numerischer Simulationen wird der erforderliche Wärmeeintrag an die jeweilige Werkstoffpaarung sowie Fügeteilgeometrie technologieabhängig angepasst, um ein ausreichendes Schmelzvolumen ohne Schädigungen der Grundmaterialien zu erhalten.

Ergebnisse

mechanische Charakterisierung / thermisches Direktfügen
© Fraunhofer IWS Dresden
mechanische Charakterisierung / thermisches Direktfügen
Mittelarmlehne eines PKWs
© Fraunhofer IWS
Mittelarmlehne eines PKWs

In einem ersten Schritt wird die Metalloberfläche belastungsgerecht strukturiert oder mit generativ aufgebauten Strukturen versehen, um eine bestmögliche Anbindung des aufgeschmolzenen thermoplastischen Materials zu ermöglichen. Um die Effizienz derartig ausgebildeter Oberflächenstrukturen nicht nur auf einen reinen Formschluss sowie schwache nicht-kovalente Wechselwirkungen (Van-der-Waals-Kräfte) zu beschränken, kann die Festigkeit dieser Metall-Thermoplast-Mischverbindungen werkstoffspezifisch durch Applikation haftvermittelnder Schichten nochmals signifikant erhöht werden. Die so ausgebildete Direktverbindung vereint die Wirkprinzipien form- und stoffschlüssiger Fügeverfahren.

Für das wirtschaftliche Fügen hochkomplexer Bauteilgeometrien aus Metall und Thermoplasten wurden am Fraunhofer IWS Dresden unterschiedliche applikationsangepasste Erwärmungskonzepte hinsichtlich ihrer Einsatzpotenziale und -grenzen untersucht. So wurde im Rahmen des BMBF – Projektes „LaserLeichter“ eine Technologie zum laserunterstützten thermischen Fügen von Baustahl und Aluminium mit glasfaserverstärktem PA6 – Material entwickelt, die mit dem Kleben vergleichbare Übertragungsfestigkeiten bei extrem kurzen Fügezeiten garantiert. Zum Aufbau eines Materialmodells wurden Prüfungen unter verschiedenen Belastungsbedingungen durchgeführt. Dies ermöglicht eine präzise Nachbildung der Fügestelle für FEM-Bauteilsimulationen.

Die Ergebnisse fließen in aktuelle Demonstratordesigns – Entwicklungen (Multi-Material Batteriegehäuse und Mittelarmlehne) der Projektpartner ein und ermöglichen so ein stringentes Multimaterialdesign von der Auslegung bis zum Serienbauteil.

Das dem Bericht zugrunde liegende FE-Vorhaben „LaserLeichter“ wurde im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 13N12878 durchgeführt.