Hybridteile fügen Thermisches Kunststoff-Direktfügen spart Montagezeit

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Aus dem Labor in die Industrie! Denn das thermische Direktfügen von Thermoplasten ist reif für den Großeinsatz, berichtet Kist + Escherich mit Blick auf den Fakuma-Auftritt in Halle A7.

Das Verbinden von Spritzgussteilen aus Kunststoff mit Metall stellt Praktiker nicht selten vor Herausforderungen. Eine neue Möglichkeit, um kompakter zu bauen und gleichzeitig Zusatzmaterial und Fertigungszeit einzusparen, ist das thermische Direktfügen. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS hat es mit Kist + Escherich nun geschafft, das Verfahren als Kombination aus Prozess- und Systemtechnik in die industrielle Fertigung zu überführen.

Und das nicht zu spät, denn die Anforderungen an Produktentwickler steigen. Immer intelligenter, multifunktionaler und gleichzeitig kompakter sollen die Geräte werden für die man solche Bauteile braucht. So werden etwa kleine Kompressoren für Brennstoffzellen-Antriebe entwickelt, effizientere Thermomanagementsysteme zur Batteriekühlung ausgelegt oder auch neue Lichtkonzepte für die Smart-Home-Automation umgesetzt. Die Kombination von Kunststoff und Metall sorgt dabei für niedrige Einzelteilkosten, bei gleichzeitig geringem Gewicht. Um die Teile so zu verbinden, dass kein Spritzwasser oder Schmutz eintreten kann, werden sie bisher miteinander verschraubt und zusätzlich abgedichtet oder vollständig verklebt.

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Sichere Metall-Kunststoff-Verbindungen fordern Know-how

Das neue Verfahren des thermischen Direktfügens kommt aber ohne Zusatzmaterial oder Abdichtungen aus. Hierbei werden die Bauteile im zu fügenden Bereich miteinander verpresst. Zeitgleich wird der metallische Fügepartner über Heizelemente, Laserstrahlung oder Induktion erwärmt. Der Kunststoff erweicht im Kontaktbereich und bindet nach dem Abkühlen an der Metalloberfläche an. Weil viele technische Kunststoffe schlecht an Metall aber relativ schlecht haften, wird das Metall zuvor entweder aufgeraut oder beschichtet. „Die mit dem Verfahren hergestellten Verbindungen sind mediendicht, langzeitstabil und hochbelastbar“, erläutert Dr. Maurice Langer, der die Arbeitsgruppe Kleben und Faserverbundtechnik am Fraunhofer IWS leitet. Auch hat er die HPCi-Technologie maßgeblich mitentwickelt.

In mehreren Jahren Forschungsarbeit konnte damit nachgewiesen werden, dass die Verbindungen prozesssicher herstellbar sind und sogar hohen Temperaturschwankungen über lange Zeiträume widerstehen. Mit Scherzugfestigkeiten von 20 bis 30 MPa sind sie eine sehr gute Alternative für klassische Klebverbindungen. Doch die Entwicklungsarbeit ist auf diesem Gebiet noch nicht beendet. So arbeitet das Forscherteam mit Kollegen des Süddeutschen Kunststoffzentrums SKZ in Würzburg an neuen Vorbehandlungs- und Erwärmungslösungen für das thermische Direktfügen im Rahmen eines IGF-Vorhabens („TheDi“, FKZ: 21456 BG).

Belastbare Verbindungen durch angepasstes Fügestellendesign

Ein besonderer Forschungsschwerpunkt ist die belastungsgerechte Gestaltung der Fügestelle. Im Gegensatz zum klassischen Klebprozess, halten die Teile zu einem Großteil durch Form- und Kraftschluss zusammen, im weniger als einem Millimeter starken Interface. Dadurch ist der Prozess deutlich unempfindlicher gegen oberflächliche Verschmutzungen. Gleichzeitig skalieren die übertragbaren Spannungen mit der Verbindungsfläche.

Mithilfe von Ersatzmodellen, die das Versagensverhalten der Verbindung quantitativ abbilden, konnten die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS Gestaltungsrichtlinien erarbeiten, die dann in FE-Simulationen für komplexe Hybridbauteile einmünden. So entstand beispielsweise ein Multi-Material-Leichtbaubehälter für kommunale Müllsammelfahrzeuge (siehe Galerie, letztes Bild). Die angestrebte Gewichtseinsparung von 30 Prozent konnte durch den Einsatz von Aluminiumprofilstrukturen und glasfaserverstärkten Polyamid-6-Platten (PA6) erzielt werden. Hierfür wurden neben dem thermischen Direktfügen auch das Kleben, das mechanische Fügen mit verschraubten Inserts und das Hybridfügen vergleichend validiert.

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