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Feste Verbindung zwischen Leichtbauwerkstoffen

| Redakteur: Linda Kuhn

Der Leichtbau birgt ein großes Potenzial für die Industrie. Mit Materialien wie faserverstärkten Kunststoffen und Leichtmetallen lassen sich Bauteile mit geringerer Masse herstellen. Eine Herausforderung ist dabei die feste Verbindung der verschiedenen Werkstoffe. Forscher der TU München (TUM) arbeiten daran, diese Fügetechniken zu optimieren.

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André Heckert, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWB, positioniert den Laser für das Fügen von Metall-Kunststoff-Verbindungen.
André Heckert, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWB, positioniert den Laser für das Fügen von Metall-Kunststoff-Verbindungen.
(Ulrich Benz / TUM)

Ob in der Automobilindustrie, im Flugzeugbau oder in der Raumfahrt: Weniger ist mehr, wenn es um das Gewicht geht. Autos und Flugzeuge verbrauchen weniger Kraftstoff, wenn sie leichter sind, und haben daher auch einen geringeren CO2-Ausstoß. Bei Elektroautos ist das Gewicht besonders entscheidend: Je leichter das Auto, desto größer die Reichweite, die mit einer Batterieladung möglich ist.

Neben Leichtmetallen wie Aluminium werden zunehmend faserverstärkte Kunststoffe genutzt. Dabei ist es wichtig, das jeweilige Material an der richtigen Stelle einzusetzen. Metalle etwa werden dort benötigt, wo hohe Druckfestigkeit und geringe Elastizität

Verbindung ohne Klebstoff und Schrauben

gefordert sind – also zum Beispiel bei Schraubverbindungen. So kommt es bei komplexen Produkten wie dem Automobil zum Einsatz beider Werkstoffe und dementsprechend zu Mischverbindungen aus Kunststoff und Metall.

Die Herausforderung besteht darin, Kunststoff- und Metallkomponenten möglichst effizient, schnell und stabil zu fügen, also fest miteinander zu verbinden. Bisher wurden die Werkstoffe vor allem durch Klebstoffe gefügt, erklärt Alexander Fuchs vom Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (IWB) der TUM. Doch dieser Prozess ist aufwendig: Der Klebstoff muss dosiert und aufgetragen werden. Während er aushärtet, müssen die Komponenten, die geklebt werden, fixiert sein.

Auch die Verbindung der Werkstoffe mithilfe von Schrauben und Nieten hat Nachteile: Durch das zusätzliche Material der Verbindungselemente nimmt die Masse der Bauteile zu. Es besteht außerdem die Gefahr, dass die Bohrungen die Struktur schädigen und somit die Festigkeit des faserverstärkten Kunststoffs vermindern. Am IWB wird an Verfahren gearbeitet, mit denen sich Metalle und schmelzbare Kunststoffe mithilfe von Wärme hochfest ineinanderfügen lassen. Dafür wird zunächst die Oberfläche des Metalls durch Laserstrahlung strukturiert und mit kleinen Hohlräumen versehen.

Festerer Verbund durch Laser-Oberflächenbehandlung

André Heckert, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWB, untersucht unter anderem, wie verschiedene Laser-Oberflächenbehandlungen die Festigkeit des Kunststoff-Metall-Verbundes beeinflussen. Durch die Laserstrahlung können Strukturen im Bereich von Nanometern bis einigen Millimetern Höhe erzeugt werden. „Welche Oberflächenstruktur die besten Verbundeigenschaften ermöglicht, hängt von den eingesetzten Werkstoffen ab“, erklärt Heckert. Er fand heraus, dass ein Rillenmuster von einigen Zehntelmillimetern Tiefe besonders bei Kunststoffen geeignet ist, die mit Kurzfasern verstärkt sind. Feine Oberflächenstrukturen, die durch den Einsatz von gepulsten Lasersystemen generiert werden, sind hingegen besonders effektiv bei sogenannten endlosfaserverstärkten Kunststoffen.

Nach der Strukturierung mit dem Laser werden Metall und Kunststoff zusammengepresst. Das Metall wird in diesem Zustand erhitzt, bis der Kunststoff schmilzt und die Hohlräume füllt. Nach dem Abkühlen ist eine stabile Verbindung entstanden. Um die für das Fügen nötige Hitze zu erzeugen, nutzen die Wissenschaftler drei unterschiedliche Verfahren. Eine Möglichkeit, um den Kunststoff zum Schmelzen zu bringen, ist der Einsatz von Laserstrahlung. Beim Reibpressfügen wird die Wärmeenergie wiederum in Form von Reibung erzeugt. Ein zylindrisches Werkzeug rotiert dazu unter definiertem Druck auf der Metalloberfläche.

Eine dritte Methode ist das sehr schnelle Fügen mithilfe von reaktiven Nanofolien. Nanofolien erzeugen bei Zündung punktuell Temperaturen von 1000 bis 1500 °C. Mit dieser Technologie können etwa metallische Kabelhalter über eine thermoplastische Zwischenschicht in kürzester Zeit an den Rumpf von Flugzeugen gefügt werden. MM

* Weitere Information: Tanja Mayer, TU München, Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (IWB), Tel. (0 89) 28 91 55 51, Tanja.Mayer@iwb.tum.de

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