Thermisches Direktfügen

Verfahren zum stoff- und formschlüssigen Fügen von Metall und FVK entwickelt

| Redakteur: Dorothee Quitter

Beim HPCI-Verfahren wird laserstrukturiertes Metall mit thermoplastischen Bauteilen verpresst und lokal erwärmt. Dadurch schmilzt der Thermoplast, dringt in die Strukturen ein und haftet an der Oberfläche.
Beim HPCI-Verfahren wird laserstrukturiertes Metall mit thermoplastischen Bauteilen verpresst und lokal erwärmt. Dadurch schmilzt der Thermoplast, dringt in die Strukturen ein und haftet an der Oberfläche. (Bild: Fraunhofer IWS)

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden hat mit Heat Press Cool Integrative (HPCI) ein Verfahren zum thermische Direktfügen von Metall mit thermoplastischen Faserverbundbauteilen entwickelt.

Das HPCI vereint langjährige Erkenntnisse der Klebetechnik mit modernen systemtechnischen Entwicklungen auf dem Gebiet der Laser-Remotetechnologie. Damit erreichten die Forscher ihr selbstgesetztes Ziel, produktive Lösungen zum stoff- und formschlüssigen Fügen zu erarbeiten. Gemeinsam mit Industrie- und Forschungspartnern evaluierte das Fraunhofer IWS das entwickelte Verfahren anhand eines komplexen Technologiedemonstrators. Dabei ersetzten die Forscher eine reine Schweißbaugruppe aus Baustahl durch ein Multimaterialdesign aus Organoblech und metallischem Deckblech, um das Leichtbaupotenzial aufzuzeigen.

Vorbehandlung ist wichtig

Da Thermoplast und Metall sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen – wie etwa Schmelztemperatur oder Wärmeausdehnungskoeffizient – kommt der Optimierung der Anhaftungskraft zwischen beiden Fügepartnern eine herausragende Bedeutung zu. Deshalb entwickelten die IWS-Forscher einen Laserabtragprozess, der Strukturtiefen von 100 Mikrometern und mehr bei Flächenraten von bis zu 30 Quadratzentimetern pro Sekunde erzeugt. Eine Remote- beziehungsweise Scanneroptik fokussiert den kontinuierlich strahlenden Leistungslaser auf das Metall und lenkt ihn dabei schnell ab. Das reinigt die Oberfläche von anhaftenden Ölen oder Verschmutzungen in der Grenzschicht. Gleichzeitig kann der später eindringende Kunststoff die Strukturen ausfüllen, sodass ein Formschluss zwischen Kunststoff und Metall entsteht. Somit entfällt die Notwendigkeit, die Oberfläche mit Lösungsmitteln oder Beizbädern chemisch zu reinigen.

Schnelle Wärme sorgt für stoffschlüssige Verbindung

Der eigentliche Verbindungsprozess gestaltet sich simpel: Der vorstrukturierte metallische Fügepartner wird mit dem Kunststoff verpresst. Gleichzeitig wird das Metall an der Fügestelle erwärmt und der Thermoplast partiell aufgeschmolzen. Um dieses Verfahren für den industriellen Einsatz fit zu machen, entwickelten die Wissenschaftler eine modular aufgebaute Fügezange, die sich beispielsweise anstelle einer Punktschweißzange an einem Roboterarm montieren lässt. So kann bewährte Anlagentechnik auch für Multimaterial-Anwendungen zum Einsatz kommen. Eine besondere Herausforderung besteht in der gleichmäßigen Erwärmung der metallischen Fügepartner. Neben der induktiven Erwärmung ist ein ebenfalls erarbeiteter Lösungsansatz die Lasererwärmung. Der Einsatz einer zweidimensionalen Laserstrahloszillation ermöglicht eine extrem schnelle Bewegung und Steuerung des Strahles. Diese erlaubt es, das Temperaturfeld dynamisch anzupassen, um die spezifischen Wärmeableitungsbedingungen der Fügeteile zu kompensieren.

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