Fügealternative – Aluminium infiltriert Carbongewebe

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Stiefelmayer-Lasertechnik GmbH & Co. KG

IFU Institut für Umformtechnik Universität Stuttgart

Konduktive Erwärmung genutzt

Zu Beginn des Fügeverfahrens wird eine Sandwich-Struktur, bestehend aus Metallblechen und dazwischen liegendem Carbongewebe, zwischen zwei Elektroden gespannt. Graphitfolie dient dabei als Trennmittel und verhindert ein Anhaften des Blechwerkstoffs an den Elektroden. Anschließend wird dieser Lagenaufbau so lange erhitzt, bis das Metall in den teilflüssigen Materialzustand übergeht und infolge der Elektrodenpresskraft die Faserbündel des Carbongewebes infiltriert. Während das Fügeverfahren langfristig auf eine industrienahe, schweißzangenähnliche Apparatur übertragen werden soll, wird momentan ein thermomechanischer Schweißsimulator (Gleeble 3800c, Dynamic Systems Inc.) genutzt. Dieses Gerät ermöglicht die konduktive Erwärmung von stromleitenden Materialien und erreicht dabei Aufheizraten von bis zu 10.000 °C/s. Um die Oxidation der Versuchsproben zu vermeiden, werden die Fügeversuche derzeit im Vakuum durchgeführt. Die Prozessparameter Presskraft, Probentemperatur und Heizleistung können in Form von zeitabhängigen Profilen über Quicksim, die Steuerungssoftware des thermomechanischen Prüfsystems Gleeble 3800c, eingestellt werden.

Drei Parameter verkürzen die Taktzeit

Grundlagenuntersuchungen haben gezeigt, dass mithilfe des neu entwickelten Verfahrens stoffschlüssige Verbindungen zwischen Carbonfasern und einer Aluminiummatrix hergestellt werden können. Aktuell beschäftigt sich die Forschergruppe am IFU Stuttgart mit der Optimierung dieses Fügeprozesses sowie mit Festigkeitsanalysen und Untersuchungen zum Infiltrationsgrad der Faserbündel. Erstere beinhaltet vor allem die Regelung des Erwärmungsprozesses, der im Rahmen der ersten Versuchsreihen noch mithilfe von Thermoelementen gesteuert wurde. Zwei auf der nach innen gerichteten Oberfläche eines der beiden Bleche aufgeschweißte Thermodrähte ermöglichen eine stetige Anpassung der Heizleistung während des Fügeprozesses, um die zuvor einprogrammierte Zieltemperatur von circa 600 °C zum Ende einer vordefinierten Erwärmungsphase zu erreichen. Das Aufschweißen der Thermodrähte gestaltet sich jedoch als sehr zeitaufwendig, außerdem versagt die Schweißverbindung häufig während des Einspannens der Probe in das Prüfsystem.

Da die gemessenen Temperaturkurven zudem ein beträchtliches Rauschen verzeichnen, wurde in den nächsten Versuchsreihen die Prozessgröße Heizleistung zur Steuerung der Erwärmung genutzt. Dadurch konnte die Taktzeit erheblich reduziert werden. Es zeigte sich jedoch, dass dieselben Einstellungen bei makroskopisch identischen Proben zu voneinander abweichenden Temperaturverläufen und somit zu unterschiedlichen Versuchsergebnissen führen können.

Abstecken der Prozessgrenzen

Es wird vermutet, dass bereits geringe Unterschiede zwischen den Proben (etwa die Orientierung einzelner Gewebelagen zueinander) verschiedene Aufheizraten zur Folge haben, da die Erwärmung konduktiv und somit in Abhängigkeit vom elektrischen Widerstand erfolgt. Deshalb wird derzeit der Abstand der beiden Elektroden zueinander (Stroke) zur Regelung des Erwärmungsprozesses genutzt.

Während der Erwärmung bewirkt die Wärmeausdehnung der Probe eine stetige Stroke-Zunahme, das heißt, die Elektroden werden von der sich erwärmenden Probe auseinandergedrückt. Diese Prozessphase endet jedoch mit dem Überschreiten der Solidustemperatur im Metall. Indem das Prüfsystem darauf programmiert wird, diesen Zeitpunkt der beginnenden Aufschmelzung (Stroke-Abfall) zu detektieren und an diesem Punkt den Erwärmungsvorgang zu beenden, kann der Prozess zuverlässig und reproduzierbar geregelt werden.

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