Moderner Leichtbau erfordert häufig die Kombination von Metall mit Kunststoffen. Für den Einsatz in der industriellen Fertigung sind zusätzlich effiziente Prozessketten notwendig, die Vorbehandlung und Fügetechnologie auf den konkreten Lastfall abgestimmt in Einklang bringen. Ebenso spielen Werkzeuge zur Prozesssimulation und Eigenschaftscharakterisierung eine wichtige Rolle. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden hat ein neues Verfahren zum Fügen von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften entwickelt. Das thermische Direktfügen verpresst laserstrukturiertes Metall mit thermoplastischen Bauteilen und erwärmt diese lokal. Dadurch schmilzt der Thermoplast, dringt in die Strukturen ein und haftet an der Oberfläche. Eine eigens entwickelte Fügezange erzeugt binnen Sekunden robuste Verbindungen. Das Verfahren HeatPressCool-Integrative (HPCI) eignet sich, um aufwändige Klebeprozesse zu ersetzen. Es vereint langjährige Erkenntnisse der Klebetechnik mit modernen systemtechnischen Entwicklungen auf dem Gebiet der Laser-Remotetechnologie. Damit erreichten die Forscher ihr selbstgesetztes Ziel, produktive Lösungen zum stoff- und formschlüssigen Fügen zu erarbeiten.
Vorbehandlung ist wichtig
Da Thermoplast und Metall sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen – wie etwa Schmelztemperatur oder Wärmeausdehnungskoeffizient – kommt der Optimierung der Anhaftungskraft zwischen beiden Fügepartnern eine herausragende Bedeutung zu. Deshalb entwickelten die Forscher am Fraunhofer IWS einen Laserabtragprozess, der Strukturtiefen von 100 µm und mehr bei Flächenraten von bis zu 30 cm²/s erzeugt. Eine Remote- beziehungsweise Scanneroptik fokussiert den kontinuierlich strahlenden Leistungslaser auf das Metall und lenkt ihn dabei schnell ab. Das reinigt die Oberfläche von anhaftenden Ölen oder Verschmutzungen in der Grenzschicht. Gleichzeitig kann der später eindringende Kunststoff die Strukturen ausfüllen, sodass ein Formschluss zwischen Kunststoff und Metall entsteht. Somit entfällt die Notwendigkeit, die Oberfläche mit Lösungsmitteln oder Beizbädern chemisch zu reinigen.
Schnelle Wärme für stoffschlüssige Verbindung
Der eigentliche Verbindungsprozess 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. Um dieses Verfahren für den industriellen Einsatz fit zu machen, entwickelten die Wissenschaftler eine modular aufgebaute Fügezange, die sich beispielsweise anstelle einer Punktschweißzange an einem Roboterarm montieren lässt. So kann bewährte Anlagentechnik auch für Multimaterial-Anwendungen zum Einsatz kommen.
Eine besondere Herausforderung besteht in der gleichmäßigen Erwärmung der metallischen Fügepartner. Der Einsatz einer zweidimensionalen Laserstrahloszillation ermöglicht eine extrem schnelle Bewegung und Steuerung des Strahles. Diese erlaubt es, das Temperaturfeld dynamisch anzupassen, um die spezifischen Wärmeableitungsbedingungen der Fügeteile zu kompensieren. Lässt sich das Metall nicht mittels Laserstrahlung direkt erwärmen, so erzeugt ein aufgebrachtes Magnetfeld Wirbelströme im Metall, deren Verluste zur schnellen Temperaturänderung führen. Besonders anspruchsvoll gestaltet es sich dabei, den Induktor an die Fügestellen angepasst auszulegen. Hierzu nutzen die Forscher eine Simulationsumgebung, um die Energieeinkopplung sowie die Wärmeleitung im Metall vorherzusagen.
Für das punktförmige Anbinden von Metall mit Thermoplast sorgt ein um einen Keramikstempel angeordneter Ringinduktor für die effektive Erwärmung. Fügezeiten zwischen einer und fünf Sekunden ließen sich für typische Automobilanwendungen validieren.
Technologische Umsetzung
Gemeinsam mit Industrie- und Forschungspartnern evaluierte das Fraunhofer IWS das entwickelte Verfahren anhand eines komplexen Technologiedemonstrators. Dabei ersetzten die Forscher eine reine Schweißbaugruppe aus Baustahl durch ein Multimaterialdesign aus Organoblech und metallischem Deckblech, um das Leichtbaupotenzial aufzuzeigen. Neben dem thermischen Direktfügen erzeugten sie auch formschlüssige Verbindungen im Steg-Schlitz-Design zwischen Metall und Organoblech. Als Eingangsdaten zur konstruktiven Bauteilauslegung ermittelten die Wissenschaftler in Grundsatzuntersuchungen die Übertragungsfestigkeiten unter verschiedenen Belastungsregimen und erstellten die entsprechenden Materialkarten. Nach Bauteilauslegung und Definition der Fügestellendesigns wurde die Bahnplanung für das Laserstrukturieren durchgeführt. Ergänzend dazu nutzen die Forscher die Simulationsumgebung zur Optimierung des Erwärmungsprozesses. Eine Vielzahl von Testdemonstratoren wurde hergestellt und erfolgreich mechanisch geprüft.
Die Grundsatzstudie erwies, dass sich das thermische Direktfügen für Multimaterial- und Bauteilkonstruktionen eignet, insbesondere aufgrund geringer Prozesszeiten, robuster Prozessführung sowie guter Automatisierbarkeit. bt
Mehr Details zum HPCI-Verfahren im Video
http://hier.pro/7OiqV
„HPCI-Verfahren ersetzt
aufwändige Klebeprozesse“
