Direktfügen Kunststoff-Metall-Hybridteile thermisch Direktfügen

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Über die letzten Jahrzehnte sind Kunststoffteile und -baugruppen komplexer geworden. Der vermehrte Hybridbau lässt den Bedarf an neuen Verbindungstechniken steigen. Das thermische Direktfügen von Kunststoff-Metall-Verbindungen könnte hierbei eine Alternative zum Kleben sein.

In den letzten Jahren ist viel Bewegung in die Kunststoff-Fügetechnik gekommen: Die Materialsysteme wurden durch den vermehrten Hybridbau immer komplexer und damit stieg auch der Bedarf an neuen Verbindungstechniken. Vorbei sind die Zeiten, in denen mechanische Verbindungselemente, Klebstoffe oder klassische Schweißverfahren die einzigen Möglichkeiten waren, um polymere Bauteile miteinander zu verbinden.

Prozessabläufe zum produktiven Fügen von Metall-Kunststoff-Hybridverbindungen

Am SKZ entwickeln die Mitarbeiter rund um Dr. Eduard Kraus, Bereichsleiter Fügen & Oberflächtechnik, Prozessabläufe zum produktiven Fügen von Metall-Kunststoff-Hybridverbindungen. Hierbei nutzen die Entwickler das thermische Direktfügen, bei dem Metall und Kunststoff lokal erwärmt und ähnlich wie bei einem Schweißverfahren gefügt werden. „Das thermische Direktfügen bietet ähnlich wie das Kleben die Möglichkeit Metall und Kunststoffe zu Verbinden. Die Verbindung kann hier auch flächig ausgeführt werden um die Kraft gleichmäßig in das Bauteil einzuleiten. Daneben besteht auch die Möglichkeit Mediendichte Verbindungen herzustellen. Damit bietet das thermische Direktfügen einige Vorteile gegenüber anderen Fügeverfahren (Schrauben, Nieten) die auch beim Kleben zu finden sind“, erklärt Dr. Eduard Kraus, Bereichsleiter Fügen & Oberflächtechnik am SKZ in Würzburg.

In einem aktuellen Whitepaper haben die Entwickler die Vorteile des thermischen Direktfügens zusammengefasst:

• kurze Taktzeiten

• umfangreiche Prozessüberwachung

• hoher Automatisierungsgrad

• keine Zusatzstoffe: geringe Komplexität

• kein Kleber oder Primer notwendig: keine kennzeichnungspflichtigen Ausgangsstoffe

• Spannungsspritzen reduzieren sich durch flächige Lasteinteilung

Die Forscher haben in Tests hochwertige Verbindungen erzielen können: Für Polyamid 66 oder Polycarbonat erreichten sie an strukturierten Oberflächen Verbindungsfestigkeiten von bis zu 30 MPa.

Reverse-Prozess Entfügen ermöglicht sortenreines Recycling

Das thermische Direktfügen ermöglicht auch den Reverse-Prozess des „Entfügens“. „Im Prinzip kann mit der auf ein spezielles Bauteil angepassten Fügeanlage auch ein Entfügen realisiert werden, indem der Kunststoff im Bereich der Fügeverbindung durch Wärmezufuhr wieder aufgeschmolzen wird. Im Labormaßstab wurde dies auch schon für einzelne Verbindungen gezeigt“, beschreibt Kraus. Damit können nicht nur Reparaturkonzepte entwickelt werden, sondern das Bauteil kann an seinem Lebensende sortenrein recycelt werden.

Für das Recycling würden Metall und Kunststoffkomponente dann sortenrein gesammelt werden, führt Kraus weiter aus. Dies schaffe somit schon mal die Eingangsvoraussetzung für ein werkstoffliches Recycling. Da es sich bei der Kunststoffkomponente um einen Thermoplast handelt, sollten alle Kunststoffe hier recycelt werden können, wenn sie sortenrein und in ausreichender Menge gesammelt werden.

Diese Materialien eignen sich

Doch welche Voraussetzungen benötigt der Fügeprozess des thermischen Kunststoff-Metall-Direktfügens? Bei der Materialauswahl lassen sich alle Metalle thermisch direktfügen. Wie die Legierung zusammengesetzt ist, spielt weniger eine Rolle, da der Verbindungsaufbau meist durch Formschluss dominiert wird. Bei den Kunststoffen beschränkt sich die Materialauswahl auf Thermoplaste. Diese müssen an der Fügestelle angeschmolzen werden, um sie mit dem Metall verbinden zu können. Die Längenausdehnungskoeffizienten von Metall und Kunststoff müssen bei der Materialauswahl berücksichtigt werden. Hierbei sollte die Differenz möglichst gering gehalten werden, damit bei Temperaturänderung keine zu hohen Spannungen in der Fügestelle entstehen, die die Verbindung schädigen können.

„Der Anwender muss auf Seite der Konstruktion und Auslegung der Bauteile die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Blick haben und die Werkstoffwahl der beiden Fügepartner von Metall und Kunststoff aufeinander anpassen“, sagt Kraus.

Metalloberfläche muss geeignete Rauheit vorweisen

Der Formschluss zwischen dem Polymer und der rauen Metalloberfläche sorgt für die Verbindungsfestigkeit. Deshalb muss die Metalloberfläche eine geeignete Rauheit bzw. Oberflächenstruktur haben, in die das Polymer eindringen kann. Mit mechanischen Verfahren, wie Laserstrukturierung oder additive Fertigung werden die Oberflächenstrukturen auf das Metall aufgebracht. Auch chemische Strukturen sind möglich. Zusätzlich kann eine Haftvermittlerschicht, die beispielsweise durch einen Plasmaprozess auf das Metall gebracht wird, die Komplexität des Prozesses erhöhen. Hierbei baut sich die Verbindungsfestigkeit durch die adhäsive Wechselwirkungen zwischen Metall, Haftvermittler und Kunststoff auf. „Der Anwender benötigt Kenntnisse über die geeignete Strukturierung der Metallkomponente. Als besonders geeignet haben sich hier Laserstrukturierungen gezeigt. Alternativ wären aber auch Ätzverfahren oder Sandstrahlen möglich. Entsprechende Vorbehandlungsmöglichkeiten müssten gegeben sein“, rät der Experte.

Art des Energieeintrag ist entscheidend für Fügeprozess

Der Prozess beim Direktfügen kann unterschiedlich ausgeführt werden, entscheidet ist die Art des Energieeintrags. Diese unterscheidet sich in drei Arten:

• Energieeintrag durch das Metall in die vorfixierte Verbindung

• Energieeintrag durch den Kunststoff in die vorfixierte Verbindung

• Separates Erwärmen von Metall und Kunststoff und anschließendes Fügen

Das Metall kann auf verschiedene Art erwärmt werden. Denkbar sind hier rückseitige Erwärmung durch ein Heizelement oder Laser. Der Wärmeeintrag findet an der Oberfläche statt und wird anschließend durch Wärmeleitung zur Fügestelle transportiert. Hier wird der Kunststoff aufgeschmolzen.

Das Induktionsfügen, bei der die Wärme durch Induktion direkt im Metall-Fügeteil erzeugt wird ist eine weitere Möglichkeit, sowie das Ultraschallfügen. Beide Methoden lassen sich sowohl von der Metallseite als auch von der Kunststoffseite anwenden. Allerdings entwickelt sich die Wärme beim Ultraschall erst im Bereich der Grenzschicht oder im Metall durch Induktion.

Metallkomponente mit Induktion oder Heizelement erwärmen

Angelehnt an das Laserdurchstrahlschweißen, kann auch ein Laser die Kunststoffseite erwärmen. Hierfür muss der Kunststoff allerdings für die Laserstrahlung transparent sein. Die Energie wird so erst an der Metalloberfläche absorbiert und erwärmt so die Grenzschicht.

Als letzte Möglichkeit können die Fügeflächen separat erwärmt werden, beispielsweise durch ein Heizelement oder einen IR-Strahler. Die erwärmten Fügepartner werden dann unter Druck gefügt und abgekühlt.

Die Metallkomponente mit Induktion oder Heizelement zu erwärmen, ist laut SKZ momentan die vielversprechenste Methode. Hierbei werden die beiden Fügepartner im ersten Schritt in der richtigen Position zueinander fixiert. Anschließend wird die Metallkomponente lokal erwärmt.

Der Kunststoff schmilzt auf und füllt unter anliegenden Fügedruck die Struktur des Metalls aus. Danach wird die Verbindung abgekühlt.

Schnelle Prozesse: Leichtbau als Triebkraft für das Fügeverfahren

Viele Prozessparameter beeinflussen während des Fügeprozesses die Qualität der Verbindung. Vor allem die Temperatur in der Fügezone und der Fügedruck spielen dabei eine große Rolle. Sie beeinflussen wie gut die Kunststoffschmelze in die Rauheit der strukturierten Metalloberfläche eindringt und damit den Formschluss hervorruft.

Allerdings lassen sich diese Prozessparameter beispielsweise durch Thermografie überwachen und steuern. „Eine allgemein etablierte Fügemethoden gibt es hier nicht. Die ersten Anlagenhersteller bringen mittlerweile Fügeanlagen speziell für das thermische Direktfügen auf dem Markt wie unter anderem die Firma Kist & Escherich. Die Erwärmung basiert dabei auf der Induktionserwärmung des Metalls“, beschreibt Kraus.

Prinzipiell ist das Verfahren serientauglich und verspricht schnelle Prozesse. In der Industrie sei es allerdings laut Experte noch nicht oder nur vereinzelt angekommen.

„Momentan zeigen vor allem Zulieferer aus dem Automotive Bereich ein hohes Interesse an dem Verfahren. Prinzipiell kommen aber alle Brachen in Frage bei denen Metalle und Kunststoffe miteinander verbunden werden müssen. Der Leichtbau ist hier auch Triebkraft, sodass es auch für Luftfahrt und Maschinenbau von Interesse ist“, sagt der Experte abschließend. (jup)

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