Multi-Material-Bauweise Kunststoffe mit Magnesiumblechen im Spritzguss fügen

Wissenschaftler des Fraunhofer ILT und der RWTH haben ein Verfahren für das Fügen von Kunststoffen mit Magnesiumblechen im Spritzguss entwickelt. Wie sich damit extrem leichte Bauteile herstellen lassen, zeigen die Wissenschaftler auf der JEC World vom 3. bis 5. März 2020 in Paris.

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Fraunhofer-Institut für Lasertechnik

Bei der Multi-Materialbauweise von thermisch gefügten Kunststoff-Metall-Hybridverbindungen kommen verschiedene, an lokale Belastungen angepasste Werkstoffe zum Einsatz, die neue Wege bei der Gewichtsoptimierung ermöglichen könnten. Aufgrund der physikalischen und chemischen Ungleichheit der Materialien ist diese Bauweise eine besondere Herausforderung für die Verbindungstechnik, vor allem beim Einsatz von Kunststoffen und Metallen.

Kira van der Straeten, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Gruppe Mikrofügen am Fraunhofer ILT, erklärt: „Hinzu kommt, dass unterschiedliche Materialeigenschaften – wie z. B. thermische Ausdehnung und korrosive Unterwanderung – Hybridverbindungen stark beanspruchen.“ Das Alterungsverhalten der Verbindung ist deshalb für die Langzeitstabilität von Hybridbauteilen bedeutend.

Mikrostrukturierte Magnesiumbleche erreichen Zugscherfestigkeiten von über 28 MPa

Zusammen mit dem Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen University entwickelten die Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT ein Verfahren für das Fügen von Kunststoffen mit Magnesiumblechen. Dabei werden Magnesiumbleche mit Faserlaserstrahlung unter Argonatmosphäre mikrostrukturiert und in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt. Der Kunststoff wird anschließend durch Hinterspritzen mit dem Magnesiumblech verbunden, wobei der Kunststoff durch Füllung der Mikrostrukturen mit dem Blech eine adhäsive Verbindung eingeht. Durch diesen Formschluss lassen sich auch chemisch unterschiedliche Werkstoffe leicht miteinander verbinden.

Die Versuche ergaben, dass sich mit dem Verfahren durch eine Anpassung der Strukturgeometrie und -anordnung Zugscherfestigkeiten von über 28 MPa erreichen lassen. Diese Werte sind deutlich höher als die sonst bei haftvermittlerbasierten Fügeverfahren üblichen Festigkeiten für Strukturverklebungen, die in der Regel ca. 10 MPa betragen. Wie sich also mit Spritzguss und Lasermikrostrukturierung extrem leichte Bauteile herstellen lassen, zeigen die Aachener auf der JEC.

In dem Projekt untersuchten die Wissenschaftler zudem verschiedene Oberflächenvorbehandlungen, Fügeverfahren und Materialkombinationen. Klimawechsel- und Korrosionstest gaben Aussagen über die Langzeitstabilität der Verbindungen. „Die Resultate beweisen eindeutig, dass das Verfahren im Vergleich mit anderen Fügetechniken konkurrenzfähig ist und sich optimal für sehr viele Kunststoff-Metall-Hybridverbindungen eignet“, sagt van der Straeten.

Robotergeführter Laserstrahl bohrt CFK-Preforms

In Paris stellen die Aachener außerdem vor, wie mit einem robotergeführten Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) 3D-geformte CFK-Halbzeuge (Preforms) prozesssicher und effizient gebohrt werden können. Im Rahmen des öffentlich geförderten Projektes Carbo Lase haben fünf Projektpartner aus Forschung und Industrie eine Roboterzelle mit automatisierter Prozesskette zur Herstellung der laserbearbeiteten Preforms am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University entwickelt.

Der UKP-Laserstrahl wird dabei von der Strahlquelle über eine Hohlkernfaser zu einem auf dem Knickarmroboter montierten Galvo-Scanner geführt. Die spiegellose Strahlführung kann dank des stabilisierten Laserstrahls den sehr dynamischen Bewegungen des Scanners über die CFK-Preform problemlos folgen.

Der robotergeführte UKP-Laser kann durch den defektfreien und präzisen Laserabtrags passgenaue Bohrungen bohren, z. B. für Inserts. Die abschließende Matrixinfusion realisiert auch ohne Klebstoff eine zuverlässige und prozesssichere Multimaterialverbindung. Die direkt mit dem Matrixwerkstoff verbundenen Inserts erzielten bei Versuchen im Carbo-Lase-Projekt eine um bis zu 50 % höhere maximale Auszugkraft gegenüber konventionell gefertigten Bauteilen mit eingeklebten Inserts.

„Das dynamische UKP-Laserbohrverfahren ist insbesondere für Leichtbauteile für die Luftfahrt und den Automobilbau interessant“, sagt Stefan Janssen, Wissenschaftler in der Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung am Fraunhofer ILT. „Das sehr gut automatisierbare Verfahren kann wegen der größeren Festigkeit der Verbindungselemente den Aufwand für Material und Kosten bei der Herstellung von CFK-Bauteile senken.“

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