Fügetechnik Thermoplastische Sandwich-Komponenten fügen

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Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

GGB Heilbronn GmbH

Ruderer Klebetechnik GmbH

AFC Europe Ltd Bochum Technisches Zentrum

Damit thermoplastische Sandwich-Komponenten in kleinen bis mittleren Serien wirtschaftlich füg- und reparierbar werden, müssen neue Fügetechnologien entwickelt werden. Daran arbeitet das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS gemeinsam mit dem Kunststoff-Zentrum SKZ und Partnern in einem neuen Projekt. 

Der Bedarf an ressourceneffizienten Leichtbaulösungen wächst. Thermoplastische Sandwichstrukturen können dazu beitragen: Sie verbinden geringes Gewicht mit Recyclingfähigkeit und eignen sich für kleine bis mittlere Stückzahlen von 10 bis 1000 Exemplaren pro Jahr. Allerdings fehlen praktikable Fügetechniken, die diese Materialien in Prozessen nutzbar machen, die auch für kleinere und mittlere Unternehmen (KMU) tauglich sind, die häufig in solchen Größenordnungen produzieren. Das Projekt „Thermoplastische Sandwich Konstruktionselemente (TheSaKo)“ zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen. Dafür arbeiten das Fraunhofer IMWS und das SKZ mit Partnern aus den Bereichen Kunststoffverarbeitung, Leichtbau, Transport-/Nutzfahrzeugbau, Maschinenbau, Spritzgießtechnik, Oberflächen- und Klebtechnik sowie Kreislaufwirtschaft zusammen.

Mehr Gestaltungsspielräume für KMU

Für KMU ergeben sich durch die neuen Fügetechnologien geringere Rüstzeiten, weniger Fremdmaterialien (keine oder wenige Fügeelemente), bessere Recyclingfähigkeit und erweiterte Gestaltungsspielräume.
Heutige Fügeverfahren adressieren überwiegend duroplastische Sandwichstrukturen und nutzen beispielsweise mechanische Verbindungselemente. Dies führt oft zu langen Zykluszeiten in der Herstellung und eingeschränkter Recyclingfähigkeit. Fügetechniken für thermoplastische Sandwichstrukturen wie das Schweißen oder Kleben bieten Potenziale, erfordern aber spezifische und belastungsabhängige Fügeflächen und Prozessführung, insbesondere bei großflächigen Sandwichstrukturen. Ziel der Projektpartner ist die wirtschaftliche Nutzung thermoplastischer Sandwich-Komponenten in kleinen bis mittleren Serien durch:

• Entwicklung verformbarer Fügeanschlussflächen direkt im Herstellungsprozess (Thermoformen)
• Anpassung der Fügetechnologien Schweißen und Kleben an diese Flächen
• geringere Material- und Fügeelementkosten, moderate Kosten für Klebstoff- und Oberflächenbehandlung
• Integration von Reparaturkonzepten, die Feuchte- und Temperaturzyklen standhalten und Recyclingpfade offenhalten, zur Verlängerung der Produktlebensdauer
• Demonstratoren für modulare Großstrukturen und lokale Funktionalisierung

Erstmals soll dabei eine Kombination aus thermoformbarer Kantenausformung, lastpfadgerechten Fügezonen, schweiß- und klebeoptimierten Verbindungen und reparaturfreundlichen Konzepten erreicht werden. Die entwickelten Lösungen sollen im Projekt auf KMU-Niveau skaliert werden. „Gemeinsam wollen wir es ermöglichen, thermoplastische Sandwichstrukturen in kleinen bis mittleren Serien wirtschaftlich zu fügen und zu reparieren – das macht Leichtbau im KMU-Sektor konkret umsetzbar“, sagt Dr.-Ing. Ralf Schlimper, Projektleiter am Fraunhofer IMWS.

Automatisierbare, reproduzierbare Heißformprozesse

Ein wichtiger Baustein ist dabei die am Fraunhofer IMWS entwickelte Thermoplastic Sandwich Moulding (TS-Moulding) Technologie für automatisierbare, reproduzierbare Heißformprozesse. Dabei erfolgt die Ausformung von Fügeanschlussflächen direkt im Bauteil. Dies ermöglicht die Integration von Fügetechnologien mit lokal vorgeformten Bereichen. Das Institut wird sich im zwei Jahre laufenden Projekt zudem intensiv der Entwicklung von Fügeanschlussflächen widmen, also der Gestaltung und Erprobung lokaler Umform- und Fügezonen (2D/3D-Verformung) zur lastpfadgerechten Kraftübertragung beim Kleben und Schweißen.Auch zur Entwicklung von Reparaturkonzepten und Prüfmethoden bringt das Forschungsteam in Halle (Saale) seine Kompetenzen ein, ebenso bei der Umsetzung von Transfermaßnahmen. Ergebnis sollen industrienahe Demonstratoren (modulare Großstruktur und lokale Funktionalisierung) zur praxisnahen Bewertung sein. „Durch die Kombination aus thermoformbaren Fügeanschlussflächen, angepassten Fügetechnologien und reparaturfreundlichen Konzepten schaffen wir eine Brücke von der Grundlagenforschung in die industrielle Praxis – samt Recyclingfähigkeit und Kosteneffizienz“, betont Michael Heilig, Projektleiter am SKZ.

Zu den technologischen Herausforderungen zählt es, großflächige, fügbare Kantengeometrien bei Sandwichstrukturen zu realisieren, ohne die Deckschichten zu schädigen oder die Faserorientierungen zu beeinträchtigen. Auch für die gleichzeitige Optimierung mehrerer Umformparameter (Aufheiztemperatur, Transferzeit, Werkzeugtemperatur, Umformdruck) sowie die Prozessintegration (Verknüpfung von Thermoformen, Schweißen und Kleben in praxisnahen, kleinen Serien; Entwicklung robuster Prozesskorridore und Handlungsanweisungen für KMU) müssen im Projekt tragfähige Lösungen entwickelt werden. Das Konsortium behält auch das Thema Prüfung und Normung im Blick, denn bisher fehlen branchenspezifische Normen für das Schweißen und Kleben von Thermoplast-Sandwichstrukturen. Hierzu erarbeiten die Forschungspartner belastungsgerechte Prüfmethoden.