Hybridverbindungen für dauerhaftes Fügen

Hybridverbindungen für dauerhaftes Fügen Künftige Materialkombinationen erfordern neuartige Verfahren 15. April 2024

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In einem Forschungsprojekt mit MiniTec und mehreren Partnern war die Zukunft des Fügens ein Thema. Das effiziente Fügen von Metallbefestigungselementen an thermoplastische Kunststoffe birgt viele Vorteile, die nun in der Praxis umgesetzt werden können.

Verbindungen zwischen Metall und thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden (TP-FKV) haben in zahlreichen Anwendungen in Industrie, Mobilität und Sport eine hohe Relevanz. Um die inhärenten Eigenschaften dieser Materialien effizient zu nutzen, sind fortschrittliche Fügetechniken und optimierte Verbindungsansätze nötig. Im Gegensatz zu Techniken wie Bohrenoder Clinchen erlaubt das stoffschlüssige thermische Fügen eine Anbindung ohne Faserbeschädigung an den TPFKV.

Für die Einbindung der TP-FKVLeichtbaustruktur mit den thermisch gefügten Befestigungselementen in eine übergeordnete Baugruppe dient beispielsweise eine Schraubverbindung an den Befestigungselementen. Innerhalb weniger Sekunden kann so ineiner vollautomatisierten Prozessumgebung eine außerordentliche Festigkeit erreicht werden. Ein weiterer Vorteil: Die Befestigungselemente können durch Erwärmung problemlos wieder vom TP-FKV abgelöst und bei Bedarf wieder angebracht werden. Dies ist insbesondere für Recycling und Reparatur vorteilhaft.

Vollautomatische Fertigungszelle

Lab-Scale-End-Effector

Kombination etablierter Technologien

Durch die Kombination jahrzehntelanger, am Markt etablierter Technologien, die bisher nichts miteinander gemein hatten, entstand ein einzigartiges, innovatives, industrienahes Forschungs-Projekt. Der Ausgangspunkt für das sogenannte HyBe-Projekt (Automatisierte Hybridverbindungstechnologie für das Fügen von Metallbefestigungselementen an TP-FKV) und die neuartige Fügetechnologie ist das Zusammenführen von Klebstoffsystemen aus der kontinuierlichen Bandbeschichtung mit metallischen Befestigungselementen, (faserverstärkten) thermoplastischen Kunststoffen und dem Induktionsschweißen.

Bei der kontinuierlichen (Metall-)Bandbeschichtung (auch Coil Coating) werden metallische Bänder, so genannte Coils, mit einer organischen Beschichtung versehen. Dies geschieht mittels eines Endlos-Verfahrens zur ein- oder beidseitigen Beschichtung von Stahl- oder Aluminium-Blechen. Das resultierende Material ist ein Verbundwerkstoff aus einem metallischen Trägermaterial und einer organischen Beschichtung. Übliche Beschichtungsstoffe sind (Farb-) Lacke, Kunststoffpulver, funktionale Beschichtungen und Kunststofffolien. Für letztere beiden werden Klebstoffsysteme zur dauerhaften Verbindung der Kunststoffe mit dem Metall eingesetzt.

Dabei sind die reaktiven Beschichtungen zwölf und mehr Monate lagerstabil, bevor die Fügung mit Kunststoffen erfolgt. BeimCoil Coating werden mit hallenfüllenden Industrieanlagen kilometerweise Metallbänder kontinuierlich beschichtet – die für dieses Verfahren optimierte Klebstoffsysteme sind hier sehr effizient und effektiv nutzbar. Allerdings gab es bisher keine anderweitige Anwendung dieser Klebstoffe, da spezielle Parameter für das Auftrags- und Einbrennverfahren erforderlich sind.

Dauerhafte Verbindung

Für metallische Befestigungselemente wie beispielsweise Schrauben, Bolzen, Buchsen oder andere Verankerungssysteme kann bereits mit verschiedensten Technologien ohne Schweißen, Bohren oder Schrauben eine dauerhafte Verbindung mit fast jedem Material hergestellt werden. Hierfür werden aktuell unter anderem ein- oder mehrkomponentige, pastöse oder flüssige, träge oder reaktive Klebstoffe eingesetzt.

Hierzu werden die Klebstoffe entweder beim Anwender angemischt und aufgetragen, was das korrekte Handling der Klebstoffe (ggf. Gefahrgut) sowie entsprechendes Equipment zum Anmischen und Auftragen auf Anwenderseite voraussetzt. Oder der Klebstoff ist bereits auf den metallischen Elementen vor-appliziert und muss entlang der Lieferkette und im Lager gekühlt werden, bevor die stark limitierte Haltbarkeit erreicht ist.

Fertigungselemente

Leicht und gut rezyklierbar

Faserverstärkte Thermoplaste (TP-FKV; Faser-Kunststoff-Verbunde) zeichnen sich neben der schnellen Verarbeitbarkeit und ihrem geringeren Gewicht auchdurch eine gute Rezyklierbarkeit aus und sind somit eine wichtige Alternative zu duroplastischen FKV. Diese Eigenschaften qualifizieren die TP-FKV für eine große Anzahl von Leichtbauanwendungen unter anderem auch in der Automobilindustrie. Eine Möglichkeit, die Eigenschaften von TP-FKV-Bauteilen anwendungstechnisch zu optimieren, ist die Kombination mit Metallen. So können zum Beispiel metallische Krafteinleitungselemente durch den Einsatz von geeigneten Hybridfügeverfahren bei TP-FKV-Bauteilen Anwendung finden. Insbesondere Hybridverbindungen, die eine homogene Krafteinleitung erlauben, führen übergeordnet zu einer höheren Gesamtstabilität des Bauteils, wodurch infolge von Synergieeffekten wiederum das Gesamtgewicht reduziert werden kann.

Visualisierung elektromagnetisches Wechselfeld und die Temperarturverteilung infolge des elektromagnetischen Wechselfeldes

Induktive Schweiß- oder Siegelverfahren

Beim Induktionsschweißen oder Siegeln handelt es sich um eine Form des Schweißens, bei der elektromagnetische Induktion zum kontrollierten und präzisen Erwärmen des Werkstücks genutzt wird. Mittels Induktionsspule, die mit hochfrequentem und ggf. gepulstem Strom gespeist wird, wird ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugt, welches auf ein elektrisch leitfähiges oder ein ferromagnetisches Werkstück einwirkt. In einem elektrisch leitenden Werkstück ist der Haupterwärmungseffekt die Widerstandserwärmung, die auf induzierten Strömen, so genannten Wirbelströmen, beruht.

Für induktive Schweiß- oder Siegelverfahren bietet die induktive Erwärmung gegenüber nicht elektrischen Methoden große Vorteile – die Energie wird nur in die leitfähige Schicht beziehungsweise das leitfähige Bauteil eingebracht; und nur dort wird die erforderliche Prozesswärme erzeugt. Das bedeutet, dass möglicherweise störende thermische Effekte in umliegenden und angrenzenden Materialien vermieden werden können. Gleichzeitig wird die Energie kontrolliert dosiert, wodurch auch nach dem eigentlichen Siegelungsprozess keine überschüssige Restwärme negativ auf das Bauteil wirken kann.

Projektpartner und Projektziel

Das HyBe-Projekt war ein Forschungsprojekt, das sich der Entwicklung eines vollautomatischen Fügeverfahrens zur schnellen und qualitätsgesicherten Verbindung von metallischen Befestigungselementen an TP-FKV-Bauteile gewidmet hat. Hierzu wurden die zuvor genannten vier Schlüsseltechnologien kombiniert. Ziel des Projektes war eine Enabling-Technologie, die ein automatisiertes, digitalisiertes und energieeffizientes induktives Hybridfügen ermöglicht. Neben der Prozessentwicklung spielte im HyBe-Projekt auch die Charakterisierung der Hybridverbindungen anhand von Werkstoffbeispielen und Studien zur Langzeitbeständigkeit eine wichtige Rolle.

Im Projektverlauf wurden die Prozesszeit, der Energieeintrag und die Klebstoffe weiter optimiert. Durch die enge Zusammenarbeit der Projektpartner IVW, MiniTec, Himmelwerk und H.B. Fuller/Kömmerling entstand ein neuartiges Hybridfügeverfahren, welches branchenübergreifend Anwendung finden kann. Die denkbaren Einsatzbereiche sind vielfältig und reichen von Fertigungszellen über Automationslösungen allgemein und Robotern direkt an Montagelinien bis hin zu Verbindungen in Schiffsrümpfen.

Das Projekt „Automatisiertes Hybridschweißen von metallischen Befestigungselementen an Faser-Kunststoff-Verbund Bauteile (HyBe)“ wurde durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) -FuE-Kooperationsprojekte gefördert, Förderkennzeichen: KK5003706FF1.

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