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    Elektromobile Fahrzeug-Plattform – Teilprojekt: Fügen von Kunststoff mit Metall

    Projektträger | Fördermittelgeber: Projektträger Bayern | Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie (StMWi)

    Aufgabenstellung
    Immer häufiger müssen Bauteile unterschiedlichste Funktionen erfüllen, die mit einem einzigen Werkstoff nicht realisiert werden können. Für die Zukunft werden daher maßgeschneiderte Multi-Material-Kombinationen aus Kunststoffen und Metallen immer wichtiger. Das breite Eigenschaftsprofil von Kunststoffen lässt sich durch die Kombination mit Metallen gezielt erweitern. Durch hybride Verbunde können Synergien zweier Werkstoffe zur Verbesserung der Gesamteigenschaften genutzt werden. Zentrale Herausforderung ist die Realisierung maßgeschneiderter Fügetechniken für hybride Leichtbaukomponenten, die den unterschiedlichen Materialeigenschaften der einzelnen Werkstoffe gerecht werden.

    Vorgehensweise
    Ein vielversprechender Ansatz ist das laserbasierte Schmelzkleben von Multi-Material-Bauteilen aus Kunststoff und Metall ohne den Einsatz von zusätzlichem Klebstoff. Die Flexibilität und die verschleißfreie Wirkungsweise des Laserstrahls ermöglicht eine lokale, berührungslose Erwärmung des zu fügenden Metalls. Der darunter liegende Kunststoff wird durch Wärmeleitung lokal aufgeschmolzen und benetzt dabei die metallische Oberfläche, so dass nach einer Abkühlphase eine feste Verbindung entsteht. Dadurch kann ein schnelles, flexibles und berührungsloses Fügen realisiert werden. Im Projekt werden werkstoff- und prozesstechnische Einflüsse wie die Oberflächengestalt des metallischen Fügepartners und die gewählten Laserparameter sowie das Aufschmelz- und Benetzungsverhalten des thermoplastischen Fügepartners untersucht, um am Ende des Projekts einen Leitfaden für die industrielle Umsetzung des Verfahrens liefern zu können.

    Ergebnisse
    Die Zug-Scher-Festigkeit der Mischverbindung ist abhängig von der Oberflächenvorbehandlung des metallischen Fügepartners. Gereinigte und entfettete Edelstahlproben erreichen im Verbund mit Polyamid eine Zug-Scher-Festigkeit von ca. 8 MPa. Laserstrukturierte Edelstahlproben weisen jedoch eine Zug-Scher-Festigkeit von über 20 MPa auf. Eine zusätzliche mikroskopische Verhakung zwischen Thermoplast und Metalloberfläche kann durch eine Laserstrukturierung des zu fügenden Metalls realisiert werden. Zur Verdeutlichung des Einsatzpotentials der neuen Fügetechnologie wurden eine Trägerstruktur aus Edelstahl und endlosglasfaserverstärktem Polyamid, einem sogenannten Organoblech, sowie ein mediendichtes Kunststoffgehäuse aus unverstärktem Polyamid mit einen Edelstahldeckel erfolgreich gefügt und getestet.

    Links: Drei-Punkt-Biegetest eines lasergefügten Kunststoff-Metall-Trägers; Rechts: Mediendichte, lasergefügte Kunststoff-Metall-Gehäuse

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    Kontakt

    Bayerisches Laserzentrum
    gemeinnützige Forschungsgesellschaft mbH

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    Prof. Dr.-Ing. Michael Schmidt • Dr.-Ing. Stephan Roth


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