Fraunhofer IWS in Dresden Stoffschlüssiges Fügen von Metall und Kunststoff jetzt auch ohne Klebstoff

Redakteur: Peter Königsreuther

Ein neues Verfahren zum Fügen verschiedener Materialien hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS aus Dresden entwickelt. Das sogenannte thermische Direktfügen verpresse laserstrukturierte Metallkomponenten mit thermoplastischen Teilen und erwärme diese Kombination dann lokal. Zu sehen unter anderem auf der JEC World 2018 in Halle 5A am Stand E46/56.

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Am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS haben die Forscher ein laserunterstütztes Verfahren zum Fügen von Kunststoffen mit Metallen erarbeitet. Es nennt sich Heatpresscool-Integrative (IPCI) und eingne sich etwa, um aufwändige Verklebungen zu ersetzen. Demonstriert würden die Voreile anhand dieses Demonstrators im Rahmen der JEC World 2018.
Am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS haben die Forscher ein laserunterstütztes Verfahren zum Fügen von Kunststoffen mit Metallen erarbeitet. Es nennt sich Heatpresscool-Integrative (IPCI) und eingne sich etwa, um aufwändige Verklebungen zu ersetzen. Demonstriert würden die Voreile anhand dieses Demonstrators im Rahmen der JEC World 2018.
(Bild: IWS)

Durch dieses Vorgehen schmilzt der Thermoplast, dringt in die Laserstrukturen des Metallteils ein und haftet dann sicher an dessen Oberfläche, sagen die IWS-Forscher. Eine eigens entwickelte Fügezange erzeuge so binnen Sekunden robuste Verbindungen. Das Verfahren nennen die „Heatpresscool-Integrative“ (HPCI). Es eigne sich vor allem dafür, um aufwändige Klebeprozesse zu ersetzen.

Nichts geht ohne effiziente Füge-Prozesskette

Moderner Leichtbau erfordert häufig die Kombination von Metall- mit Kunststoffteilen, sagen die Forscher. Für den Einsatz in der industriellen Fertigung seien zusätzlich effiziente Prozessketten notwendig, welche die Vorbehandlung und Fügetechnik auf den konkreten Lastfall hin abgestimmt in Einklang bringen müssten. Ebenso spielten Werkzeuge zur Prozesssimulation und Eigenschaftscharakterisierung eine wichtige Rolle. Eine neue Entwicklung des Fraunhofer IWS Dresden erfüllt diese Anforderungen gut, heißt es: Das HPCI vereine langjährige Erkenntnisse der Klebetechnik mit modernen systemtechnischen Entwicklungen auf dem Gebiet der Laser-Remotetechnologie. Damit schafften es die Forscher ihr selbstgesetztes Ziel, und zwar produktive Lösungen zum stoff- und formschlüssigen Fügen zu erarbeiten, zu erreichen.

Rascher Wärmeeintrag per Laser

Der eigentliche Verbindungsprozess, so die Dresdener Experten, gestaltet sich simpel: Der vorstrukturierte metallische Fügepartner wird mit dem Kunststoff verpresst. Gleichzeitig wird das Metall an der Fügestelle erwärmt und der Thermoplast partiell aufgeschmolzen, so die Erklärung dazu. Um dieses Verfahren für den industriellen Einsatz fit zu machen, entwickelten die Wissenschaftler eine modular aufgebaute Fügezange, die, wie es weiter heißt, sich etwa anstelle einer Punktschweißzange an einem Roboterarm montieren lässt. So könne bewährte Anlagentechnik auch im Multimaterialmix zum Einsatz kommen.

Auch das gehört zur Kompetenz der IWS-Forscher:

Eine besondere Herausforderung bestehe in der gleichmäßigen Erwärmung der metallischen Fügepartner. Denn außer der induktiven Erwärmung sei ein ebenfalls erarbeiteter Lösungsansatz diesen Prozess per Laser durchzuführen. Der Einsatz einer zweidimensionalen Laserstrahloszillation ermöglicht eine extrem schnelle Bewegung und Steuerung des Strahles, so die Forscher. Diese erlaube es, das Temperaturfeld dynamisch anzupassen, um die spezifischen Wärmeableitungsbedingungen der Fügeteile zu kompensieren.

Hohes Leichtbaupotenzial ist belegt

Gemeinsam mit Industrie- und Forschungspartnern evaluierte das Fraunhofer IWS das entwickelte Verfahren anhand eines komplexen Technologiedemonstrators, heißt es. Dabei ersetzten die Forscher eigenen Schilderungen gemäß eine reine Schweißbaugruppe aus Baustahl durch ein Multimaterialdesign aus Organoblech und metallischem Deckblech, um so das Leichtbaupotenzial zu verdeutlichen. Außer dem thermischen Direktfügen erzeuge man aber auch formschlüssige Verbindungen im Steg-Schlitz-Design zwischen Metall und Organoblech. Diese als Grundsatzstudie zu verstehende Forschungsarbeit habe ergeben, dass sich das thermische Direktfügen für Multimaterial- und Bauteilkonstruktionen eigne, die sich insbesondere durch geringe Prozesszeiten, robuste Prozessführung sowie gute Automatisierbarkeit charakterisierten.

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