Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

CHIMERA

Funktionalisierung von laserstrukturierten Faser-Kunststoff-Verbunden durch Thermisches Spritzen (CHIMERA)

Maskenfreies Beschichten von glasfaserverstärktem Thermoplast dank Laserstrukturierung vor Thermischen Spritzen mit Kupfer.
© Fraunhofer IWS
Maskenfreies Beschichten von glasfaserverstärktem Thermoplast dank Laserstrukturierung vor Thermischen Spritzen mit Kupfer.

CHIMERA vereint die Stärken des Metalls mit dem Leichtbaupotenzial des FKV in einer hochflexiblen Fertigungsstrecke.
 

Motivation: Hybridmaterialien mit mehreren Funktionen

Moderne Anwendungen funktionsintegrierter Bauteile gehen mit neuen Anforderungen an Materialien und Fertigung einher. Im Bereich zukunftsträchtiger Mobilitäts- und Verkehrskonzepte müssen beispielsweise verschiedene Eigenschaften wie geringes Gewicht, Langzeitbeständigkeit und elektromagnetische Abschirmung gleichzeitig erfüllt werden. Eine Lösung für dieses Beispiel bieten Bauteile aus Kunststoff, welche mit Fasern verstärkt und metallisch beschichtet werden.

Ziele und Vorgehen

Im Projekt CHIMERA wird die Funktionalisierung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff durch metallische Schichten weiterentwickelt. Durch die Kombination zweier Teilprozesse, dem Laserstrukturieren und dem thermischen Spritzen, sollen gewichtsreduzierte Metall-Faserverbund-Hybride mit optimierter Verbundfestigkeit und Langzeitbeständigkeit hergestellt werden. Demonstrator im Projekt ist ein Gehäusebauteil zur elektromagnetischen Abschirmung. Das Langzeitverhalten der Hybridmaterialien wird auf Computermodellen basierend prognostiziert und diese Prognose den über einen langen Zeitraum unter realen Einsatzbedingungen ermittelten Daten angenähert. So entsteht eine digitaler Prüfstand, welcher in der Lage ist eine Langzeit-Prognose zu erstellen.

Innovationen und Perspektiven

Das Projektvorhaben bietet eine hochflexible Prozesskette um kunststoffbasierte Bauteile flächig oder lokal mit typischen Eigenschaften von Metallen zu versehen und so einen funktionellen Mehrwert bei minimalem Zusatzgewicht der Bauteile zu generieren. Die Marktfähigkeit von Hybridwerkstoffen und damit verbundener Fertigungsverfahren kann dadurch signifikant erhöht werden.

Mikroskopische Aufnahme eines Querschnitts mit APS Kuper-Beschichtung; oben: Sandgestrahlt, ungenügende Beschichtung, gelber Kasten: mit Kupfer gefüllter Riss und eingeschlossene Korundteilchen vom Sandstrahlen; unten: laserstrukturiert, geschlossene Kupferschicht mit Verankerung im FKV.
Mikroskopische Aufnahme eines Querschnitts mit APS Kuper-Beschichtung; oben: Sandgestrahlt, ungenügende Beschichtung, gelber Kasten: mit Kupfer gefüllter Riss und eingeschlossene Korundteilchen vom Sandstrahlen; unten: laserstrukturiert, geschlossene Kupferschicht mit Verankerung im FKV.
Demonstratorbauteil (Gehäusedeckel) mit Zinkbeschichtung für elektromagnetische Abschirmung.
© Fraunhofer IWS
Demonstratorbauteil (Gehäusedeckel) mit Zinkbeschichtung für elektromagnetische Abschirmung.

Ergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurde der Laserprozess zur Interface-Strukturierung der FKV-Komponente erfolgreich weiterentwickelt und auf das thermisch sensible thermoplastische Matrixmaterial (PA6) übertragen. Eine optimale und materialschonende Laserstrukturierung erfolgte mittels Ultrakurzpulslaser. Für die Sicherung einer hohen Schichtanhaftung wurde eine Kombination aus (voll)flächigem Aufrauen und gitterförmigen Grabenstrukturen als zielführend ermittelt. Insbesondere über die Dimensionierung der Grabenstrukturen kann Einfluss auf die Schichtanhaftung und die Ausbildung einer geschlossenen oder unterbrochenen Schicht (gitterförmig entlang der Grabenstrukturen) genommen werden. Je nach Beschichtungsprozess können hieraus geschlossene aber auch gitterförmige Beschichtungen resultieren. Im Rahmen des Projektes erfolgte weiterhin der Nachweis, dass sich die Prozessgeschwindigkeit auf dem sensiblen Material durch Parallelbearbeitung und die Nutzung hoher Laserleistungen um ein Vielfaches steigern lässt. Dies ermöglicht wirtschaftliche Fertigungsbedingungen.

Gemeinsam mit den Projektpartnern wurden zwei Beschichtungsverfahren (atmosphärisches Plasmaspritzen APS sowie Lichtbogendrahtspritzen LDS) und zwei unterschiedliche Schichtmaterialien (Kupfer und Zink) weiterentwickelt und verglichen. Mit beiden Verfahren und Schichtsystemen lassen sich nach der Laservorbehandlung haftfeste Schichten abscheiden deren elektromagnetische Abschirmwirkung charakterisiert wurde. Die angestrebte Funktion einer elektromagnetischen Abschirmung konnte sowohl mit flächig geschlossenen als auch gitterförmig ausgebildeten Spritzschichten erreicht werden. Bei Frequenzen von 120 MHz konnten die angestrebten Dämpfungen von 60 dB realisiert werden.

Die erfolgreiche Beschichtung der dreidimensionalen Demonstratorgeometrie, ein Gehäusedeckel, erfolgte durch eine segmentweise und lückenlose Laserbearbeitung sowie eine angepasste mehrstufige Beschichtungsstrategie.

Die Prozesskette (Laservorbehandeln und Thermisches Spritzen) wurde erfolgreich auf ein weiteres Substratmaterial (glasfaserverstärktes Sheet-Mold-Compound (SMC) übertragen. Die Ergebnisse zeigen, dass auch auf diesem weit verbreiteten Composit vergleichbare Beschichtungsergebnisse und damit Funktionen erzielt werden können.

Als weiteres Projektziel wurde auch die Möglichkeit zum maskenfreien, selektiven Beschichten untersucht. Hierbei wurde durch die lokale Laser-Aufrauhung und die APS-Beschichtung das lokal definierte, nachhaltige Beschichten nachgewiesen. Dies spart bei nicht-vollflächiger Beschichtung zusätzliche Prozessschritte und Maskierungsmaterial ein.

Neben den Fertigungsprozessen entstand als wesentliches Projektergebnis im Konsortium ein virtueller Prüfstand für neuartige Hybridmaterialien aus Organoblech und Kupferbeschichtung zur statischen Festigkeit mit Mikromodellierung. Als relevante kritische Größe zur Prognose der statischen Festigkeit von beschichteten Hybridbauteilen aus unterschiedlichen Materialkombinationen wurde die Scherfestigkeit erkannt. Auch für die Langzeitfestigkeit zeigt der virtuelle Prüfstand plausible Ergebnisse. Hierfür wurden angepasste Methoden zur Prüfung und Charakterisierung der Hybridverbundbauteile unter verschiedenen Belastungszuständen entwickelt. Die gemessenen Werte zeigen gute Übereinstimmung mit den simulativen Ergebnissen für das Gesamtmaterialmodell des kupferbeschichteten FKV-Substrates. Damit eignet sich der entstandene virtuelle Prüfstand zur Bewertung von Bauteilen unter konkreten industriellen Lastfällen.