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Leichtbau

Neues Fügekonzept für Hybridbauweise

| Redakteur: Beate Christmann

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie faserverstärkte Thermoplaste und Metalle form- und stoffschlüssig fügen können. Die thermische Überlappverbindung entsteht durch ein Steg-Schlitz-Prinzip und den Einsatz komplexer Lasertechnik. Sie soll eine gleiche oder höhere Festigkeit als geklebte Verbindungen aufweisen.

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Thermisch direktgefügte Überlappverbindung (Hybridverbindung) aus Metallblech und faserverstärktem Thermoplast.
Thermisch direktgefügte Überlappverbindung (Hybridverbindung) aus Metallblech und faserverstärktem Thermoplast.
( Bild: Fraunhofer-IWS )

Leichtbau – die Konstruktionsweise, die eine maximal mögliche Gewichtsreduzierung zum Ziel hat – ist schon lange kein Trend mehr, sondern Realität. Vor allem im Fahrzeugbau sowie in der Luft- und Raumfahrt ist die Bauweise gefragt: Jedes Kilo weniger, das bewegt werden muss, kann erhebliche Treibstoffeinsparungen zur Folge haben. Bauteile und -gruppen sollen alos möglichst leicht, belastbar, langlebig und zuverlässig sein. Jedoch bringen diese Anforderungen auch eine Menge Herausforderungen mit sich, die es in den kommenden Jahren zu bewältigen gilt: das Fügen völlig neuer Materialpaarungen, neue Konstruktionsprinzipien oder qualitätsgerechte Fertigungsprozesse.

Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden ist nun ein wichtiger Schritt gelungen: Sie haben ein neues Fügekonzept für Hybridbauweise entwickelt.

Fügen von artfremden Hybridstrukturen

Multimaterial-Systeme mit maßgeschneiderten Werkstoffkombinationen scheinen der Schlüssel für ressourceneffiziente Leichtbaulösungen zu sein. Dafür werden geeignete Werkstoffe miteinander kombiniert, um deren Vorteile je nach Beanspruchung gezielt zu nutzen. In vielen innovativen Konstruktionen kommen sowohl metallische Mischbauteile (z. B. Stahl-Aluminium) als auch artfremde Hybridstrukturen (Metall-Faserkunststoff-Verbunde) zum Einsatz.

Eine große Herausforderung stellt bei solchen Hybridbauweisen das Verbinden der Fügepartner dar, welches sich im Gegensatz zur monolithischen Bauweise wesentlich komplizierter gestaltet. Je nach Werkstoffpaarung ist ein speziell angepasstes, werkstoff- und fertigungsgerechtes Fügekonzept notwendig, um Verbindungen mit ausreichender Qualität und Belastbarkeit reproduzierbar herzustellen.

Bewährtes Steg-Schlitz-Prinzip

Die Forscher des Fraunhofer-IWS haben bereits das Steg-Schlitz-Prinzip zum form- und stoffschlüssigen Verbinden zweier metallischer Bleche entwickelt. Nun nutzen sie ihre Erfahrungen auch beim Fügen von faserverstärkten Thermoplast (Organoblech) mit Metall. Das Organoblech dient in diesem Fall als Stegblech, ein metallisches Blech als Schlitzblech. Beim Fügen kommt zudem ein Faserlaser ins Spiel: Er erlaubt einen sehr fein einstell- und regulierbaren Wärmeeintrag und erhitzt berührungslos und exakt positioniert den überstehenden Teil des faserverstärkten Stegblechs. Die zweidimensionale und hochfrequente Strahlauslenkung mithilfe einer Scanneroptik ermöglicht eine gleichmäßige Erwärmung des Kunststoffs. Das richtige Erwärmungskonzept sichert hier die Qualität dieses sensiblen Prozesses.

Der Laser findet auch Anwendung zum thermischen Direktfügen von Metall mit Organoblech für Überlappverbindungen. Die Fügestelle wird auf der Metallseite mittels Laser strukturiert und die Erwärmung erfolgt ebenso geregelt mittels Lasererwärmung. Die form- und stoffschlüssigen Verbindungen auf mikroskopischer Ebene haben eine gleiche oder höhere Festigkeit als geklebte Verbindungen.

Fraunhofer-IOF auf der Euroblech

Erste Ergebnisse und Ausblicke dieser Arbeiten präsentiert das Fraunhofer-IOF auf der Messe Euroblech vom 25. bis 29. Oktober 2016 in Hannover. Zu finden sind die Wissenschaftler auf dem Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft in Halle 11, Stand B135.

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