Aufgabenstellung
Der Einsatz von Leichtbauwerkstoffen bietet im Automobilbau großes Potenzial, den Energieverbrauch durch Gewichts-reduktion zu senken. Speziell um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu vergrößern, werden zukünftig verstärkt Leicht-baumaterialien wie z. B. thermoplastische Faserverbundkunststoffe (FVK) und Leichtmetalle eingesetzt. Da die produkt-spezifischen Anforderungen selten von einem einzigen Werkstoff optimal erfüllt werden können, kann das Leichtbaupotenzial nur durch eine Kombination unterschiedlicher Werkstoffe ausgeschöpft werden. Für die Zukunft prägend werden folglich maßgeschneiderte Multi-Material-Verbunde aus vornehmlich thermoplastischen Faserverbundkunststoffen, sogenannten Organobleche, und Metallen sein, die wirtschaftlich gefertigt werden können. Zentrale, ungelöste Herausforderung ist die Realisierung von Fügetechniken für diese hybriden Leichtbaukomponenten, die den unterschiedlichen Materialeigenschaften der einzelnen Werkstoffe gerecht werden.

Vorgehensweise
Ein neuer und vielversprechender Ansatz ist das thermische Fügen von Thermoplast-Metall-Verbunden mittels Laserstrahlung, wodurch eine schnelle, flexible und berührungslose Herstellung von Multi-Material-Bauteilen ermöglicht wird. Ein großer Vorteil des Verfahrens im Vergleich zum konventionellen Kleben ist, dass kein zusätzlicher Klebstoff notwendig ist, der während der Fertigung und im Einsatz zu Problemen führen kann. Beim Laserstrahlfügen von Metallen mit Thermoplasten wird das Metall mit einem Laserstrahl erwärmt, wodurch der Thermoplast mittels Wärmeleitung in der Fügezone aufschmilzt und die Oberfläche des Metalls unter Druck benetzt. Nach der Abkühlphase entsteht dabei eine feste Verbindung zwischen den artungleichen Fügepartnern. Bisher ist noch unklar, welche Oberflächenbeschaffenheit optimal ist, um einen möglichst haftfesten Thermoplast-Metall-Verbund zu realisieren. Um die Wirkzusammenhänge zwischen Oberflächentopographie und Haftfestigkeit zu analysieren, werden Edelstahloberflächen gezielt laserstrukturiert bzw. lediglich mit Lösungsmittel gereinigt. Anschließend werden die Proben mittels Laserstrahlung mit Organoblechen gefügt und mechanisch getestet.

Ergebnisse
Bei der mechanischen Charakterisierung von Proben im Zug-Scher-Test wurden bislang Festigkeiten im Bereich von 7,8 bis 13,8 MPa ermittelt. Dabei zeigt sich, dass die Zug-Scher-Festigkeiten für Fügeverbindungen mit lediglich gereinigten Edelstahlproben deutlich niedriger sind als für laserstrukturierte Proben. Die Verbesserung der Zug-Scher-Festigkeit kann durch die filigrane Oberflächentopographien mit zusätzlichen Verhakungsmöglichkeiten erklärt werden. Die ermittelte Zug-Scher-Festigkeit steigt zudem mit zunehmender Strukturtiefe leicht an.