Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Konstruktions- und fertigungstechnische Maßnahmen zur additiven Oberflächenstrukturierung metallischer Bauteile zur Optimierung der Verbundeigenschaften thermisch gefügter Metall-FVK-Hybridverbindungen

Das übergeordnete Ziel des Vorhabens besteht darin, konstruktive und fertigungstechnische Maßnahmen zu erforschen und zu validieren, mit denen sich Oberflächen von Metallbauteilen bestmöglich auf nachfolgende thermische Direktfügeprozesse hin optimieren lassen. Aufgrund des zunehmenden Trends zu Leichtbauanwendungen werden derartige Prozesse häufig zur Fertigung von Metall-Kunststoff-Hybridbauteilen eingesetzt, z. B. im Automobilbereich. Zur Strukturierung der Oberflächen wird im Vorhaben das Selektive Laserschmelzen (SLM) eingesetzt. Als additives Verfahren bietet es viele Freiheitsgrade bezüglich der aufzubringenden Oberflächenstrukturen. Im Gegensatz zur aktuell üblichen subtraktiven Oberflächenbearbeitung können mit dem additiven SLM-Verfahren gezielt Strukturen eingesetzt werden, die eine formschlüssige Verbindung zwischen Metall und erstarrter Kunststoffschmelze - z. B. durch Hinterschneidungen, Sinterbrücken oder Porositäten - begünstigen und so zu höheren Verbundfestigkeiten beitragen. Im Vorhaben werden darüber hinaus die Auswirkungen entsprechend modifizierter Fügepartner auf das thermische Direktfügen sowie das Alterungsverhalten der Metall-Kunststoff-Verbundbauteile erforscht. Angestrebt wird somit ein fundiertes Wissen dazu, mit welchen Oberflächenstrukturen sich prinzipiell höhere Verbundfestigkeiten erreichen lassen. In diesem Zuge sollen zudem relevante Strukturkenngrößen (Porengröße, mittlere Rauigkeit etc.) sowie Prozessparameter extrahiert werden. Zum Abschluss des Projekts werden die Erkenntnisse dann anhand von praxisnahen Bauteilen aus dem Kreis des Projektausschusses getestet und ggf. optimiert. Hieraus werden schließlich Handlungsempfehlungen für KMU erarbeitet, die zur Auslegung von Hybrid-Bauteilen sowie zur Gestaltung des Direktfügeprozesses herangezogen werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Die Arbeit untersuchte zum einen den Einfluss unterschiedlicher Metall-Kunststoffkombinationen und den Prozessbedingungen bei der Herstellung auf die Verbindungsfestigkeit. Die Ergebnisse zeigten, dass die Festigkeitsentwicklung weniger durch adhäsiven Verbund, sondern mehr durch Formschluss mit Oberflächenstrukturen erfolgt. Die gezielte Erhöhung von Rauheit oder Porosität hatte nur geringen Einfluss auf die Verbindungsfestigkeit, wobei zu hohe Porosität die Festigkeit minderte. Empfohlen wird daher die Verwendung von Standardparametern für SLM-Proben mit hoher Festigkeit.

Die Untersuchung der additiven Oberflächenstrukturierung des Metalls zeigte, dass bei Fügeverbindungen mit den meisten Kunststoffen eine Strukturhöhe von 0,5 mm, eine Strukturbreite von 0,6 mm und ein Strukturabstand von 1,2 mm zu den höchsten Verbindungsfestigkeiten führte. Jedoch unterscheiden sich die Ergebnisse beim Organoblech aufgrund des hohen Fasergehalts. Hier dürfen die Strukturen nicht zu breit sein und auch einen gewissen Mindestabstand aufweisen, damit eine die Glasfaserbündel mit der Struktur interagieren können.

Die Strukturgeometrie wurde ebenfalls variiert, wobei der Kopfzug die kritischste Belastungsrichtung war. Eine Pilz-Struktur zeigte die bestens Kopfzugfestigkeiten bei PA-Organoblech und Polycarbonat von bis zu 25 MPa. Dies ist auf einen ausreichend dimensionierten Hinterschnitt zurückzuführen.

Die Verbindungen erwiesen sich als beständig gegenüber beschleunigter Alterung durch Temperaturlagerung, Thermoschock- und Klimawechseltest.

Beim Direktfügeprozess erwies sich das Infrarotfügen besser als das Heizelementfügen für bestimmte Kunststoffe. Zukünftig sind schnellere und wirtschaftlichere Fügeverfahren wie das Pulverauftragsschweißen und schnelle Aufheizraten mittels Induktionserwärmung interessant.