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

MM4R

Recyclinggerechtes Multi-Material-Design für Leichtbaustrukturen (MM4R)

Laserbasierte Oberflächenstrukturierung zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit artgleicher und artfremder Materialien am Beispiel eines automobilen Cockpit-Querträgers.
© Fraunhofer IWS
Laserbasierte Oberflächenstrukturierung zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit artgleicher und artfremder Materialien am Beispiel eines automobilen Cockpit-Querträgers.
Gepulste Laser ermöglichen eine selektive Matrixentfernung an faserverstärkten Kunststoffen, um Verbunde zuverlässig im Spritzguss mit Kunststoff zu bilden.
© Fraunhofer IWS
Gepulste Laser ermöglichen eine selektive Matrixentfernung an faserverstärkten Kunststoffen, um Verbunde zuverlässig im Spritzguss mit Kunststoff zu bilden.

Thema und Ziele

Leichtbau-Fahrzeugstrukturen wie die im Projekt adressierte automobile Baugruppe „Cockpit-Querträger“ sind ein Schlüsselfaktor auf dem Weg zu einer ressourcenschonenden Mobilität. Neben technischen und ökonomischen Kriterien spielen zunehmend umweltbezogene und soziale Aspekte eine Rolle. In den letzten Jahren haben sich im Leichtbau hybride Bauweisen etabliert, die Stoff-, Gestalt- und Funktionsleichtbau verknüpfen. Durch den Einsatz von verstärkten Kunststoffen in Kombination mit Stahl können Umweltauswirkungen etwa im Vergleich zu Aluminium/Magnesium-Strukturen deutlich gesenkt werden. Die Kombination von thermoplastischen Faserverbund(FKV)-Hohlprofilen, Organoblechen und Spritzguss bietet weitere funktionale Vorteile: Mit nur einem einzigen Werkstoffsystem, welches zudem gut rezyklierbar ist (z. B. GF/PP), kann dabei größte Gestaltungsfreiheit realisiert werden.

Vorgehen

Das Fraunhofer IWS bringt seine langjährige Expertise auf dem Gebiet der laserbasierten Oberflächenmodifikation ein. Vor der Verbundherstellung werden die Multimaterial-Schnittstellen gezielt und individuell mit dem Laser vorbehandelt, indem sogenannte „Ankergeometrien“ in jeweils einen Fügepartner eingebracht werden. Bei der anschließenden Fügung kann deshalb auf zusätzliche Haftvermittler verzichtet und die Recyclingfähigkeit des Bauteils gesichert werden.

Ergebnisse

Mit der Realisierung von drei form- bzw. teilweise stoffschlüssigen Verbindungen (FKV zu Metall, FKV zu FKV und FKV zu Spritzguß) können zugleich meist erhöhte Verbundfestigkeiten (ggü. einer Klebung) erzielt werden. Die Übertragung der Laserprozesse von 2D-Proben auf die komplexe, dreidimensionale Form des Cockpit-Querträgers gelang durch die laser-systemtechnische Symbiose von Roboter-Handling und schneller opto-mechanischer X-Y-Z-Strahlablenkung. Letztere ermöglichte nicht nur das Erreichen industrietauglicher Prozesszeiten, sondern auch das Erzeugen gegenständig angewinkelter Ankergeometrien für eine multilaterale Belastungssituation im realen Einsatzfall.