Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines alternativen Fügeverfahrens zur wirtschaftlichen und prozesssicheren Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-/Metallhybridstrukturen auf Basis des Widerstandsschweißverfahrens mittels integrierter metallischer Inserts

Zur Umsetzung von Leichtbaulösungen wird vermehrt die Multimaterialbauweise eingesetzt. Neben den etablierten Metallen kommen dafür zunehmend auch faserverstärkte Kunststoffe (FVK) - insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK)- zum Einsatz. Die unterschiedlichen Materialkombinationen stellen jedoch Herausforderungen für die Fügetechnik dar. Durch konventionelle Fügetechniken von FVK (z. B. mechanische Verfahren und Kleben) kann eine Reihe von Nachteilen, wie z. B. Fasertrennung, Korrosion, Lochleibung oder Delaminationen entstehen.

Im beantragten Forschungsvorhaben wird ein Verfahren entwickelt, mit dem es möglich wird, Stahl mit duroplastischen FVK mittels Widerstandsschweißen wirtschaftlich, schnell, prozesssicher und mit einer ausreichenden Festigkeit zu fügen, ohne dass dabei die mechanisch-technologischen Eigenschaften der FVK-Bauteile negativ beeinträchtigt werden. Der Ansatz beruht auf der Idee, metallische Inserts als integralen Bestandteil des FVK-Bauteils in den FVK-Fertigungsprozess zu integrieren. Das metallische Insert besteht dabei aus einem Trägerblech und darauf beidseitig senkrecht stehenden Pins, welche als Schweißbuckel aus dem Laminat heraus ragen und so als Anschlussstelle für den Schweißprozess dienen.

Zur Vermeidung einer thermischen Schädigung des duroplastischen FVK wird der Fokus auf das Kondensatorentladungsschweißen gelegt. Der periphere Bereich der Pins wird so gestaltet, dass ein elektrischer Strom durch das metallische Insert geleitet werden kann. In Vorversuchen wurde die prinzipielle Machbarkeit einer solchen Schweißverbindung gezeigt. Mithilfe der Forschungsergebnisse kann der Anwender seine Fügestellen zielgerichtet belastungsgerecht auslegen. Hierdurch können Unternehmen Konstruktions- und Fertigungskosten einsparen. Dadurch, dass industriegängige Schweißanlagen innerhalb der Fügeversuche verwendet werden, können vorhandene Anlagen beim Unternehmen für das Fügen von FVK und Stahl genutzt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem es möglich ist, Stahl mit duroplastischen FVK mittels Widerstandsschweißen wirtschaftlich, schnell, prozesssicher und mit einer ausreichenden Festigkeit zu fügen, ohne dass dabei die mechanisch-technologischen Eigenschaften der FVK-Bauteile negativ beeinträchtigt werden. Hierfür werden metallische Inserts als integraler Bestandteil des FVK-Bauteils in den FVK-Fertigungsprozess integriert, welche aus einem Trägerblech und darauf senkrecht stehenden Pinstrukturen besteht. Diese Pinstrukturen ragen als Schweißbuckel aus dem FVK heraus und dienen so als Anschlussstelle für etablierte Widerstandsschweißprozesse.

Im Forschungsvorhaben wurde gezeigt, dass schweißbare Insertstrukturen mittels kleiner Pinstrukturen realisiert werden können. Zudem wurde gezeigt, dass diese Strukturen mittels großserientauglicher Fertigungsprozesse (RTM) reproduzierbar in faserverstärkte Kunststoffbauteile integriert werden und mittels gängiger Widerstandsschweißverfahren mit metallischen Anschlussbauteilen verschweißt werden können. Hierbei wurde die Anwendbarkeit von zwei Prozessvarianten nachgewiesen: Das Kondensatorentladungsschweißen (KE-Schweißen) und das Mittelfrequenz-Gleichstromschweißen (MFDC-Schweißen), wobei kürzere Schweißzeiten zu grundsätzlich besseren Ergebnissen führen. Eine mechanisch signifikante thermische Schädigung der Kunststoffbauteile, aufgrund der Wärmeeinbringung während des Schweißprozesses konnte nicht nachgewiesen werden.

Abschließend wurden die gewonnenen Erkenntnisse genutzt, um seriennahe Hybridbauteile mittels der neuen Fügetechnologie zu fertigen und gegenüber ansonsten identischer, konventionell strukturell geklebter Hybridbauteile zu referenzieren. Hierbei wurde nachgewiesen, dass die Erkenntnisse der Proben aus dem Labormaßstab auf reale Bauteile übertragen werden können. Weiterhin zeigten verschweißte Bauteile ein günstigeres Nachbruchverhalten als geklebte Bauteile.