Das Fraunhofer-ILT auf der JEC World 2017 Take it easy: Forscher optimieren Hybridleichtbau mittels Laser

Dem Trend zur Hybridbauweise folge das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der JEC World vom 14. bis 16. März in Paris. Dort präsentiert man auf dem Gemeinschaftsstand des Aachener Zentrums für integrativen Leichtbau (AZL, Halle 6 Stand C79) gleich drei laserbasierte Verfahren zum Thema.

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Fraunhofer-Institut für Lasertechnik

Für unterschiedlichste Branchen, insbesondere den Automobilbau, gewinnen leichte Hybridbauteile aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) und Metall immer mehr an Bedeutung. Bei ihrer Herstellung lautet eine der wichtigsten Fragen: Wie lassen sich diese artungleichen Werkstoffe dauerhaft und prozesssicher verbinden und trennen?

Formschluss und spezifische Adhäsion

„Als Alternative zum bisher bevorzugt eingesetzten Klebeverfahren hat das Fraunhofer-ILT im Rahmen des 'Hybrilight'-Bmbf-Projekts einen neuen Fügeprozess entwickelt, der Kunststoff und Metall per Formschluss und Adhäsion miteinander verbindet“, erklärt Kira van der Straeten, Wissenschaftlerin im Team Kunststoffbearbeitung. Ein Ultrakurzpulslaser erzeuge dazu durch flächiges Abtragen Mikro- und Nanostrukturen mit hoher Strukturdichte im Metallpartner. Anschließend wird das Metall erhitzt, wie es heißt, und der Kunststoff über Wärmeleitung plastifiziert. Der geschmolzene Kunststoff fließt in die erzeugten Mikrostrukturen, und nach dem Erkalten entsteht eine feste und dauerhafte Verbindung zwischen den beiden Materialien. Mit diesem Verfahren ließen sich Hybridbauteile mit extrem hoher Zugscherfestigkeit von rund 25 MPa herstellen. Diese hohen Festigkeiten sind laut van der Straeten vor allem auf die starke Adhäsionswirkung der Mikro- und Nanostrukturen aufgrund spezifischer und mechanischer Adhäsion zurückzuführen.

Verbindungstechnik im Hybridspritzguss

Ein ähnliches Verfahren entstand für eine andere, vorwiegend in der Automobil- und Elektroindustrie verwendete Mischbauweise: Per Spritzgießprozess entstehen Bauteile aus Kunststoff und metallischen Einlegern. In Paris stellt das Fraunhofer-ILT dazu eine laserbasierte Variante vor, die Kunststoff und Einleger ohne Additive mit hoher Festigkeit verbindet, betonen die Forscher. Mittels Laserstrahlung würden dabei auch Mikrostrukturen im Metall erzeugt, die sich beim anschließenden Spritzgießen mit Kunststoffschmelze auffüllen. Nach Abkühlung bilde sich eine feste, dauerhafte und formschlüssige Verbindung mit mehr als 22 MPa Zugscherfestigkeit. „Durch eine Anpassung von Strukturdichte und Orientierung der Mikrostrukturen auf dem metallischen Fügepartner, kann die resultierende Festigkeit beeinflusst und an die späteren Einsatzbedingungen angepasst werden“, erläutert van der Straeten.

Schnitte, die präziser verbinden...

Fügetechniken wie Nieten oder andere formschlüssige Verbindungen, erfordern präzise Fügekanten, merken die Forscher an. Mit dem Laser gelinge dieser Zuschnitt auch für das Fügen von Metall und carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) verschleißfrei und mit nur einem Werkzeug. Dazu stellt das Fraunhofer-ILT auf dem AZL-Gemeinschaftsstand ein Verfahren zum Schneiden gestapelter Schichten aus CFK und Titan beziehungsweise Aluminium vor, heißt es. „Das CFK wird in mehreren Scans abgetragen“, erläutert Dr. Frank Schneider, Seniorexperte der Gruppe Makrofügen & Schneiden, dazu. Durch eine clevere Scanstrategie, so Schneider, wird die dabei entstehende Fuge so ausgelegt, dass sie optimal für den nachfolgenden Schnitt im Metall geeignet ist, der anschließend in einer „Überfahrt“ mit Schneidgasunterstützung erfolgt. Beide Teilprozesse könnten auch für im Stumpfstoß nebeneinander angeordnete Materialverbünde genutzt werden. Dazu wird durch den Laserzuschnitt eine formschlüssige Verzahnung der Fügepartner erzeugt, wie Schneider erklärt. MM

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