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Thermisches Direktfügen HPCi-Technologie findet Anwendung in elektrischen Abfallfahrzeugen

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Im Projekt "UTILITAS" (Ultraleichte Aufbaustrukturen für Nutzfahrzeuge im kommunalen Servicebetrieb) wollen sechs mitteldeutsche Forschungseinrichtungen und Unternehmen Sammelbehälter aus Leichtmetallen und Faserverbundkunststoffen konstruieren, die schwere Stahlaufbauten klassischer Müllwagen ersetzen und etwa ein Drittel leichter sind. Zum Einsatz kommt auch die neuartige Fügetechnologie HPCi (Heat Press Cool-integrativ) des Fraunhofer IWS.

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Die Behälterkonstruktion des Fahrzeugaufbaus besteht aus Aluminiumgerüsten und glasfaserverstärkten Thermoplast-Platten. Sie werden mit der HPCi-Technolpgie stoffschlüssig verbunden.
Die Behälterkonstruktion des Fahrzeugaufbaus besteht aus Aluminiumgerüsten und glasfaserverstärkten Thermoplast-Platten. Sie werden mit der HPCi-Technolpgie stoffschlüssig verbunden.
(Bild: Fraunhofer IWS)

Die neuen Aufbauten sollen in Kleinserien rentabel gebaut und in Werkstätten vor Ort zügig repariert werden können. Dabei setzen die Projektpartner Fraunhofer IWS Dresden, die Professur für Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung der TU Chemnitz, die Marko Pfaff & Co. Spezialfahrzeugbau GmbH, die Car systems Scheil GmbH & Co. KG, die PROFIL Verbindungstechnik GmbH & Co. KG und die EBF Dresden GmbH auf Behälterkonstruktionen aus Aluminiumgerüsten und glasfaserverstärkten Thermoplast-Platten. Um diese Materialien zuverlässig wie beim Stahlbau miteinander zu verbinden, testen sie verschiedene Fügemethoden. Die Behälter-Prototypen sollen Anfang 2021 fertig sein.

Mechanisches Verklammern als Alternative zum Schrauben und Kleben

Eine Fügemethode ist die HPCi(Heat Press Cool-integrativ)-Technologie, die das Fraunhofer IWS entwickelt hat: Ein Laser raut zunächst die Aluminiumbauteile auf. Dabei entstehen Gräben im Metall, dünner als eine Stecknadel und nur etwa 200 µm tief. Dann presst das Werkzeug das Kunststoffbauteil an die Alustrebe und erwärmt das Metall kurz. Dabei schmilzt der Thermoplast auf der Aluminiumoberfläche, fließt in die lasergeformten Gräben und verankert sich dort beim Erkalten. Nach wenigen Sekunden sind Aluminium und Verbundkunststoff dauerhaft und fest verbunden.

Dauerfestigkeitsnachweis soll Vergleich zum Schrauben und Kleben liefern

Wie gut ein solcherart gefügter Leichtbaubehälter im Vergleich zu Schraub- oder Klebelösungen langfristig hält, wollen die IWS-Ingenieure im Zuge der Entwicklungskooperation mit den anderen Partnern genau ermitteln. Denn der Behälter muss später im täglichen Einsatz hohe Belastungen aushalten, die beispielsweise entstehen, wenn die Fahrzeugmechanik den gesammelten Müll zusammenpresst. In bisherigen Experimenten zeigten sich die HPCi-gefügten Aufbauten als besonders stabil und vor allem viel leichter zu reparieren als geklebte Konstruktionen. Messungen haben ergeben, dass die HPCi-Verbindungen Zugkräfte aushalten, die dem Druck eines Hydraulikarms mit bis zu 25 MPa entsprechen.

Die HPCi-Fügezange vereint das Erwärmen des Metalls und das Zusammenpressen der Fügepartner. Sie kann modular an Roboter montiert werden.
Die HPCi-Fügezange vereint das Erwärmen des Metalls und das Zusammenpressen der Fügepartner. Sie kann modular an Roboter montiert werden.
(Bild: Fraunhofer IWS)

Fügezangen in Serie produzieren

Um den breiten Praxiseinsatz ihrer neuen Fügetechnologie zu unterstützen, haben die Dresdner Forscher mittlerweile kompakte HPCi-Fügezangen entwickelt, die kaum größer als eine handelsübliche Handbohrmaschine sind. Sie können beispielsweise modular an Roboter montiert werden, um schnell eine Leichtbaukleinserie zu starten. Weil dieses neue Werkzeug so vielversprechend ist, wollen die Fraunhofer-Wissenschaftler demnächst auch ein Unternehmen ausgründen, das die Fügezangen in Serie produziert.

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