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Das Ziel des Teilvorhabens des Fraunhofer IWS bestand in der Prozessentwicklung zur Laserstrukturierung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Durch diese Oberflächenvorbehandlung wird eine optimale Anbindung der anschließend generierten metallischen Spritzschicht erreicht. Dies schafft die notwendigen Voraussetzungen für das abschließende Fügen von FKV- und Metallkomponenten mit einem Lötverfahren.

Innerhalb des Forschungsvorhabens wurden laservorstrukturierte Faserverbundwerkstoffe (kohlefaserverstärktes Duroplast) durch Thermisches Spritzen mit metallischen Schichten (Kupfer) oberflächenfunktionalisiert. Aus der Möglichkeit, fest haftende Schichten auf kerbfreien Substraten thermisch abzuscheiden, ergibt sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten – auch über das im Vorhaben adressierte Fügeverfahren hinaus. Beispielsweise können kunststoffbasierte Bauteile oberflächig mit metallischen Eigenschaften versehen werden um Verschleißbeständigkeit, Medienresistenz oder elektrische Leitfähigkeit zu steigern. Durch anschließende Fügeverfahren wird es möglich, metallisierte Leichtbaustrukturen (FKV-Basis) stoffschlüssig mit Metallkomponenten zu verbinden.

Für das Thermische Spritzen stellt die Substratvorbehandlung mittels Sandstrahlverfahren den verbreiteten Stand der Technik dar. In unseren Entwicklungsarbeiten konnten wir nachweisen, dass eine materialangepasste Laservorbehandlung zu einer signifikanten Verbesserung der Schichtanhaftung führt. Im Vergleich zu sandgestrahlten Proben konnte die Haftfestigkeit im Stirnzugtest mehr als verdoppelt werden, so dass Werte von 18,1 MPa erreicht wurden. Vergleichbare Steigerungen zeigten sich im Scherzug mit Festigkeiten von 18,2 MPa. Der Schlüssel ist hierbei eine Kombination aus laserbasierter Oberflächenaufrauhung und grabenförmigen Strukturelementen, die dem Schichtmaterial als mechanische Verankerungspunkte dienen.

Eindrücklich zeigen sich die Vorteile der Laservorbehandlung auch im 4-Punkt-Biegetest an beidseitig Kupfer-beschichteten Proben. Im Vergleich zur sandgestrahlter Referenz waren die laserstrukturierten Varianten deutlich belastbarer. Bei sandgestrahltem Substratmaterial kommt es infolge der Biegebelastung zum Versagen der Schichthaftung und infolgedessen zum Abplatzen der Metallschicht vom CFK. Im Gegensatz dazu blieb die metallische Beschichtung bei einer Laservorbehandlung auch nach dem mechanischen Bruch des CFK-Substrates noch intakt und zeigte keine Ablöseerscheinungen.

Die Laser-Oberflächenvorbehandlung bzw. Funktionalisierung kann sowohl lokal als auch großflächig umgesetzt werden. Für die wirtschaftliche Bearbeitung großer Flächen ist ein Aufskalieren des Strukturierungsprozesses notwendig. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden deshalb erste Untersuchungen realisiert, um den Prozess mittels diffraktiver optischer Elemente (DOE) zu parallelisieren wodurch die Bearbeitungsdauer signifikant gesenkt werden konnte. Im Rahmen der Untersuchungen zum Löten der beschichteten CFK-Elemente gegen Stahlkomponenten zeigte sich ein weiterer Vorteil der laservorbehandelten, metallisierten FKV-Proben. Durch die Laservorbehandlung kann der Austrieb des Flussmittels im Lötprozess effizienter erfolgen, wodurch im gefügten Bauteil geringere Mengen an Flussmittelresten verbleiben. Hierdurch werden positive Effekte auf die Langzeitbeständigkeit erwartet. In Korrosionstests zeigten sich die hergestellten Verbindungen resistent.

Mit der im Projekt erarbeitete Technologiekette konnte erstmals eine löttechnische Verbindung zwischen CFK und Stahl bzw. Aluminium demonstriert werden. Diese Fügetechnologie stellt eine aussichtsreiche Alternative für alterungsanfällige Klebeverbindungen dar. Für Teile der entwickelten Technologie wurden Schutzrechte angemeldet.