Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung verschiedener Vorbehandlungs- und Fügemethoden im Hinblick auf das Alterungsverhalten und die Gebrauchseigenschaften beim Thermischen Direktfügen von Metallen und Kunststoffen

Das Thermische Direktfügen (TDF) hat sich in den letzten Jahren zu einer vielversprechenden Fügetechnologie entwickelt. Mit dem TDF kann ein starker adhäsiver Verbund zwischen (faserverstärkten) thermoplastischen Kunststoffen und Metallen hergestellt werden. Eine entscheidende Rolle übernimmt beim TDF wie bei anderen adhäsiven Fügeverfahren (z. B. Kleben) die Oberflächenvorbehandlung. Das TDF gliedert sich in zwei wesentliche Prozessschritte: Die Vorbehandlung der Metalloberfläche und das thermische Fügen. Eine effiziente Methode für die Vorbehandlung der Metalloberfläche ist z. B. eine lastangepasste Lasermikrostrukturierung. Das TDF erfolgt über die gezielte Erwärmung des Metallfügeteils, welches mittels Fügedruck mit dem Kunststofffügeteil in Kontakt gebracht wird, was über Wärmeleitung zu einem lokalen Aufschmelzen des Kunststoffes im Bereich der Fügezone führt. Die Kunststoffschmelze benetzt das Metallfügeteil und es bilden sich zwischenmolekulare Anziehungskräfte zum Metallfügeteil aus. Nach der Erstarrung des Kunststoffes ist der Fügevorgang abgeschlossen.

Zur Überführung des TDF in die breite industrielle Anwendung fehlt es derzeit an ausreichendem Anwendungswissen hinsichtlich der Verfahrensgrenzen, welche aufgrund des immensen Versuchsaufwandes für KMU nicht eigenständig zu bestimmen sind. Aus diesem Grund zielt das Forschungsvorhaben darauf ab über bereits bestehendes Basiswissen verschiedener Oberflächenvorbehandlungs- und Fügeprozesse hinaus ein Anwendungswissen zum TDF aufzubauen. Neben den grundsätzlichen Prozessparametern werden insbesondere industrielle und anwendungsrelevante Größen, wie Temperaturwechsel- (Delta-Alpha-Problematik) und Korrosionsbeständigkeit, sowie die Prozessfähigkeit industriell nachgefragter Materialkombinationen betrachtet. Dieses Wissen wird in einen Anwendungskatalog überführt, welcher es KMU ermöglicht die Chancen dieser wirtschaftlichen und effektiven Fügetechnologie für ihre jeweilige Anwendung abzuschätzen und zu bewerten.

Ergebniszusammenfassung:

Das Thermische Direktfügen gilt als vielversprechender Ansatz im Sinne des Leichtbaus zur Verbindung von Metallen und Kunststoffen. Trotz der technologischen und wirtschaftlichen Vorteile der Fügetechnologie ist bisher eine breite Anwendung in der industriellen Umgebung nicht zu verzeichnen. Ursächlich war in erster Linie das nicht vorhandene Wissen zu Gebrauchseigenschaften und Alterungsverhalten der Verbindungen. Das Forschungsvorhaben AGeD leistete einen grundlegenden Beitrag zur Schließung dieser Wissenslücke, indem anwendungsnahe Materialkombinationen gefügt und mittels Prüfmethoden untersucht wurden, die reale Einsatzbedingungen abbilden.

Im Verlauf des Projektes konnte aufgezeigt werden, dass das Thermische Direktfügen in erster Linie für vergleichsweise kleine Fügeflächen geeignet ist. In Abhängigkeit der Kunststoffchemie sowie der Oberflächenvorbehandlung können Zugscherfestigkeiten ähnlich denen von Klebverbindungen erzielt werden. Aufgrund der Steifigkeit der Bauteile und der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten entstehen kritische Vergleichsspannungen bei ausgeprägten Änderungen der Umgebungstemperatur. Verzug der Fügebauteile kann geometrieabhängig während der Erstarrung des Kunststoffes durch auftretende Schrumpfspannungen verursacht werden. Thermisch direktgefügte Verbindungen sind prinzipiell zunächst luftdicht und weisen eine ausgeprägte Stabilität gegenüber Alterung auf.

Die Projektergebnisse liefern anschaulich eine breite Wissensbasis zu einer schnellen ersten Abschätzung, inwiefern das Thermische Direktfügen für die jeweilige eigene Fügeproblematik geeignet ist und welche Möglichkeiten und Einschränkungen damit verbunden sind.