Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ultraschall unterstütztes Bearbeiten von Hybridwerkstoffen

HYBRISONIC entwickelt neue Fügeverfahren für Metall-Kunststoff-Verbunde (MKV). Diese bestehen aus zwei dünnen Metalldeckblechen, zwischen denen sich eine Kunststoffschicht (z. B. Polyethylen hoher Dichte) befindet. Sie bieten einen innovativen Ersatz für massive Bleche aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hervorragenden Steifigkeit und ihrer thermischen und akustischen Isolierung.

Eine Herausforderung, die alle Anwendungen verbindet, ist die Notwendigkeit, die MKV mit anderen Werkstoffen durch geeignete Verbindungstechniken zu verbinden. Aufgrund der Besonderheiten der MKV sind konventionelle Fertigungsverfahren nur bedingt oder gar nicht anwendbar.

Der Fokus von HYBRISONIC ist die Anwendung konventioneller Fügetechnologien auf MKV ohne signifikante Erhöhung der Prozesszeit oder Verringerung der Fügequalität. Der grundlegende Ansatz ist das lokale Schmelzen der Polymerschicht durch Ultraschallwellen und die Verdrängung des geschmolzenen Materials durch Druck auf die Deckschichten. Dazu werden zwei verschiedene Strategien untersucht. Beim ersten Ansatz wird das Fügewerkzeug direkt von Ultraschallwellen überlagert und die Polymerschicht beim Fügen verschoben. Dieser Ansatz wird für das Clinchen und Widerstandspunktschweißen verwendet. Für das Stanznieten und das Rührreibpunktschweißen kann das Fügewerkzeug nicht zur Übertragung von Ultraschallwellen verwendet werden. Hier wird die Polymerschicht im Fügebereich während eines vorangegangenen Blechumformprozesses verdrängt. Dazu werden ultraschallangeregte Umformwerkzeuge eingesetzt. Anschließend können die MKV ähnlich wie monolithisches Material gefügt werden.

Die vorgeschlagenen Verfahren ermöglichen ein schnelles und kostengünstiges Fügen und geben dem Konstrukteur die Freiheit, MKV-Werkstoffe zu verwenden. KMU-Unternehmen aus den Bereichen Transport, Geräte- und Maschinenbau und Weiße Ware haben die Möglichkeit, neuen Trends im Produktdesign zu folgen und Produkte auf höchstem Niveau zu produzieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden ultraschallunterstützte Verfahren zum Fügen von Metall-Kunststoff-Verbunden (MKV) untersucht. Hierbei wurde der Ultraschall (US) genutzt um die polymere Kernschicht der Verbundwerkstoffe zu erwärmen und anschließend unter Druck zu verdrängen. Es wurden zwei Verfahrensansätzen untersucht. Beim einstufigen Ansatz wird das Fügewerkzeug am Beispiel des Widerstandspunktschweißens und Clinchens genutzt, um den US in das Werkstück einzukoppeln. Bei den Verfahren Halbhohlstanznieten und Refill Friction Stir Spot Welding (RFSSW) kann der US nicht direkt im Fügeprozess eingekoppelt werden, sodass die US-unterstützte Verdrängung des Kernwerkstoffes hier in einem vorgelagerten Umformprozessschritt realisiert wird. Hierfür wurden Methoden entwickelt um den Verdrängungsprozess in einen konventionellen Blechumformprozess zu integrieren. Am Fraunhofer IVV wurde eine Methodik entwickelt, um den Verdrängungsprozess simulativ abzubilden. Hierdurch wird es dem Anwender ermöglicht, entsprechende Ultraschallanlagen auszuwählen und die Werkzeuge (Sonotrode und Energierichtungsgeber) auszulegen. Am Fraunhofer IWU wurde die Integration des Verdrängungsprozesses in Umformwerkzeuge untersucht. Hierfür wurden entsprechende Konzepte entwickelt und das Vorzugskonzept experimentell erfolgreich umgesetzt. Für eine Industrialisierung muss im nächsten Schritt eine Integration in ein Großwerkzeug erfolgen. Weiterhin wurden am Fraunhofer IWU das Clinchen und Halbhohlstanznieten an verdrängten MKV untersucht. Das Clinchen konnte nach US-Vorbehandlung in beiden Fügerichtungen umgesetzt werden, was den Einsatzbereich erweitert. An der Wroclaw University of Science and Technology and Science wurde das Punktschweißen mit US-Unterstützung untersucht und in einen Anlagendemonstrator überführt. Am Belgian Welding Institute konnte das RFSSW von Blechen mit vorbehandeltem MKV umgesetzt werden. Es wurden zudem die mechanischen Verbindungseigenschaften ermittelt.