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Hybride Verbindung

Fügealternative – Aluminium infiltriert Carbongewebe

| Autor / Redakteur: Mathias Liewald und Lukas Marx / Peter Königsreuther

Das Fügen von Carbonfasergewebe mit über der Solidustemperatur liegendem Aluminium ist ein aktuelles Forschungsprojekt am Institut für Umformtechnik (IFU) an der Universität Stuttgart.
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Das Fügen von Carbonfasergewebe mit über der Solidustemperatur liegendem Aluminium ist ein aktuelles Forschungsprojekt am Institut für Umformtechnik (IFU) an der Universität Stuttgart. (Bild: Marx)

Der hybride Leichtbau ist auf einem rasanten Weg, nicht nur die Automobilfertigung zu verändern. Dabei sucht man stets nach günstigen Fügemethoden der meist verschiedenen Werkstoffpartner. Forschern hilft dabei nun der teilflüssige Materialzustand.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe vereinbaren hervorragende Festigkeiten mit einer geringen Dichte und sind deshalb für den Leichtbau von wachsender Bedeutung. Dennoch werden traditionelle, metallische Werkstoffe aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und der verhältnismäßig günstigen Herstellung nicht nur in der Automobilbranche weiterhin unverzichtbar bleiben. Fahrzeugkarosserien, die aus beiden Werkstoffen konzipiert sind, erfordern geeignete Fügemethoden. Während mechanische Verfahren wie Nieten oder Schrauben meist mit einer Schädigung der Faser einhergehen und oftmals Lochleibung verursachen, unterliegen Klebeverbindungen grundsätzlich Alterungsprozessen. Durch Aushärtezeiten und Oberflächenpräparationen sind sie zudem kostenintensiv und zeitaufwendig.

Zur Lösung dieser Problemstellung befasst sich das IFU Stuttgart seit zwei Jahren mit der Entwicklung eines neuartigen Fügeverfahrens, das auf der Formgebung im teilflüssigen Materialzustand beruht. Dabei werden zwei Aluminiumbleche mittels zweier Elektroden konduktiv auf ein Temperaturniveau knapp oberhalb der Solidustemperatur der Aluminiumlegierung erwärmt (Bild 3).

Thixotrope Eigenschaften nutzen

In diesem Materialzustand besitzen Metalllegierungen, deren Zusammensetzung nicht eutektisch sein darf, thixotrope Eigenschaften: Wirken Scherkräfte auf den Werkstoff ein, verringert sich dessen Viskosität. Nach Abbau der Scherbelastung wird die vorherige Strukturstärke wiedererlangt. Beim klassischen Thixoforming wird dieses Materialverhalten ausgenutzt, um in einem Hub komplex geformte Bauteile in der sogenannten near-net-shape-Qualität zu fertigen. Im Falle des neuartigen Fügeprozesses kann das Metall infolge der temporären Entfestigung ein dazwischenliegendes Carbonfasergewebe infiltrieren und auf diese Weise eine feste Verbindung zwischen Blech und Gewebe erzeugen (Bild 2).

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