Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Werkstofforientierte Prozessführung punktförmiger Thermoplast-Metall-Hybridverbindungen mittels einseitiger Widerstandserwärmung

Aufgrund des hohen Automatisierungsgrades, der hohen Flexibilität und der hohen Wirtschaftlichkeit (begrenzte Investitionskosten für Anlagen- und Spanntechnik, Wegfall von Zusatzwerkstoffen, kurze Schweißzeiten und die technische einfache Prüfung der Verbindungen) ist das Widerstandspunktschweißen in KMU ein etabliertes Verfahren für die Herstellung von Blecherzeugnissen. Industrierelevante Lösungen zum Verbinden von Metall und Kunststoff mittels Widerstandsschweißen sind derzeit nicht vorhanden, auch wenn hier eine Erweiterung der Wertschöpfung bei den Lieferanten (KMU) zu verzeichnen wäre. Dadurch wird an dieser Stelle auf mechanische Fügetechniken zurückgegriffen. Aus Anwendersicht wäre es daher von zentraler Bedeutung das Widerstandspunktschweißen von derzeit singulären Materialkombinationen (St/St, Al/Al, etc.) auch auf Mischverbindungen aus Metall und Kunststoff zu übertragen, um somit wirtschaftlicher zu produzieren und dadurch bereits etablierte Fügeverfahren auf weitere Materialkombinationen zu übertragen. An dieser Stelle knüpft das Vorhaben an, mit dem Schwerpunkt der Entwicklung eines widerstandsbasierten Fügeprozesses zum thermischen Direktfügen von Metall mit Kunststoff, basierend auf einer einseitigen Elektrodenanordnung, wodurch der Kunststoff bezogen auf den Stromfluss entkoppelt ist und nur das Metall erwärmt wird. Infolge der Wärmeleitung wird der Kunststoff an der Grenzfläche zum Metall lokal aufgeschmolzen. Über den gleichzeitig wirkenden Anpressdruck der Elektroden kann der plastifizierte Kunststoff die Metalloberfläche benetzen und bildet nach dem Abkühlen einen festen punktförmigen Verbund aus. Für KMU eröffnen sich in diesem Technologiebereich vollkommen neue Geschäftsfelder, um Maschinen und Produkte am Markt abzusetzen, da neben Anwendern (blechverarbeitende Industrie) auch Schweißstromquellenhersteller (KMU), Anlagenhersteller (Integratoren) und Entwickler von Schweißsteuerungen profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein neuartiger Ansatz zum einseitigen Widerstandschweißen von Kunststoff und Metall mittels koaxialer Elektrodenanordnung entwickelt und untersucht. Der Einsatz dieses Verfahrens besitzt gegenüber der beidseitigen konventionellen Elektrodenanordnung folgende Vorteile:

- Für das direkte, widerstandsbasierte Fügen werden im Vergleich zu mechanischen Fügeverfahren weniger Montageschritte und keine Zusatzmaterialien wie bspw. Niete oder Schrauben benötigt, sodass Kosten eingespart werden können.

- Die verfolgte Strategie ist auf bereits in KMU vorhandener Anlagentechnik umsetzbar, sodass nur von einer geringen Zunahme der Investitionskosten und Betriebskosten auszugehen ist.

- Eine zusätzliche Spanntechnik, wie sie beim Kleben oder mechanischen Fügeverfahren notwendig ist, wird nicht benötigt, da die Elektroden auch die Bleche fixieren und das Spannwerkzeug bilden.

Die wesentlichen Ergebnisse aus dem Vorhaben sind:

- Die Fügezonenausbildung steht im Zusammenhang mit der Einstellung des Temperatur-Zeit-Regimes in Abhängigkeit der Prozessgrößen, damit können für diese Verbindung kurze Taktzeiten erreicht werden.

- Die resultierenden mechanischen, sowohl quasistatisch, als auch unter ermüdender Beanspruchung, und metallurgischen Eigenschaften stehen im Zusammenhang mit dem eingestellten Temperatur-Zeit-Regime.

- Es konnten vorteilhafte Prozessbereiche abgeleitet werden und Prozessgrenzen definiert werden.

- Damit konnten Qualitätsmerkmale und praxisnahe Kenngrößen der Verbindung, zerstörend und zerstörungsfrei, abgeleitet werden.

- Durch Untersuchungen an der Grenzfläche konnte diese unter technisch relevanten Bedingungen grundlegend charakterisiert werden.

- Diese Erkenntnisse konnten auf industriell etablierte Werkstoffpaarungen übertragen und notwendigen systemtechnischen Voraussetzungen und Anforderungen für Anwender aufgezeigt werden.