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Fügen Laser verbindet Kunststoffe mit metallischen Bauteilen

| Autor / Redakteur: Andreas Rösner / Rüdiger Kroh

Verfahren zum Fügen unterschiedlicher Materialien sind gefragt. Mit Laserstrahlung werden Mikrostrukturen im metallischen Fügepartner erzeugt und durch nachfolgendes Laserdurchstrahlfügen mit dem Kunststoff formschlüssig verbunden. Die Verkrallung des Kunststoffes in der Mikrostruktur sorgt für den Zusammenhalt.

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Bild 1: Probekörper zum Fügen von glasfaserverstärktem PA und 1.4301.
Bild 1: Probekörper zum Fügen von glasfaserverstärktem PA und 1.4301.
(Bild: Fraunhofer-ILT)

Besonders im Automobilbau ist die Verbindung verschiedenartiger Werkstoffe eine wichtige Anforderung. Um dem Kostendruck in der Automobilbranche bei gleichzeitiger Verringerung des Bauteilgewichts gerecht zu werden, steigen die Anforderungen an die Steifigkeit der verwendeten Werkstoffe und der Wunsch nach zusätzlicher Funktionsintegration.

Angepasster Einsatz verschiedener Werkstoffe kann neue Wege für eine weitere Optimierung eröffnen

Auf der einen Seite werden hochfeste Stähle zur Aufnahme hoher Lasten eingesetzt, auf der anderen Seite sollen Kunststoffbauteile durch den flexiblen Herstellungsprozess die Funktionsintegration ermöglichen. Dadurch entsteht die Forderung des Fügens dieser unterschiedlichen Materialien, welches neue Ansätze in der Verbindungstechnik erfordert.

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Der an die lokalen Belastungen angepasste Einsatz verschiedener Werkstoffe soll neue Wege für eine weitere Optimierung eröffnen. Während Kunststoffe besonders durch ihr geringes Gewicht, ihren günstigen Preis und die fast unbeschränkte Formgebung charakterisiert sind, widerstehen Metalle aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften deutlich höheren mechanischen Belastungen. Eine direkte stoffschlüssige Verbindung scheitert jedoch an der chemischen Unterschiedlichkeit von Kunststoff und Metall. Eine Anbindung durch Formschluss oder die Verwendung von Zusatzwerkstoffen ist daher erforderlich.

Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik wurde im Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative Production Technology for High-Wage Countries“ der RWTH Aachen ein Verfahren entwickelt, das mit Laserstrahlung Mikrostrukturen im metallischen Fügepartner erzeugt und durch nachfolgende Laserdurchstrahl-Fügeverfahren mit dem Kunststoff formschlüssig verbindet. Ursächlich für den Zusammenhalt ist die Verkrallung des Kunststoffes in der Mikrostruktur.

Strukturierungen sollen in der Serienfertigung aufgebracht werden

Die Strukturierungen zum Verbinden mit Kunststoffbauteilen sollen in der Serienfertigung aufgebracht werden. Die Bearbeitungszeit ist daher eine kritische Größe und die Prozessgeschwindigkeit eine wichtige Optimierungsgröße. Das Aufbringen dieser Strukturen ist in dieser Form und Effizienz nur mit Laserstrahlung möglich. Durch die Anwendung der verschleißfreien, flexiblen und effizienten Technik können die erforderlichen Zykluszeiten gewährleistet werden, die für effiziente Produktionsprozesse benötigt werden.

Aufgrund der geringen Energieeinbringung und der dynamischen, flexiblen Strahlbewegung können insbesondere lokal begrenzte Bereiche auf empfindlichen Bauteilen vorbehandelt werden. Die Strahlführung erfolgt mit galvanometrischen Scansystemen, welche durch die geringen bewegten Massen eine geringe Trägheit aufweisen und daher beliebige Konturen erzeugen und hohe Oberflächengeschwindigkeiten bis 15 m/s erreichen können.

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