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Projektträger | Fördermittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Projektträger Karlsruhe (PTKA)
Aufgabenstellung
Ein aktueller Trend in der Automobil- und Luftfahrtindustrie ist die Reduzierung des Gewichts durch die Substitution metallischer Baugruppen mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Das Forschungsvorhaben ELite verfolgt daher das Ziel des wirtschaftlichen und ressourceneffizienten Fügens von CFK mit Metallen. Neben der Identifizierung eines robusten und großserientauglichen laserbasierten Vorbehandlungsprozesses beschäftigt sich das blz mit der Optimierung der Verbundhaftung von CFK und metallischen Werkstoffen. Darüber hinaus wird ein Konzept zum Einbringen metallischer Einleger in CFK-Komponenten im Projektverbund erprobt.
Ein aktueller Trend in der Automobil- und Luftfahrtindustrie ist die Reduzierung des Gewichts durch die Substitution metallischer Baugruppen mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Das Forschungsvorhaben ELite verfolgt daher das Ziel des wirtschaftlichen und ressourceneffizienten Fügens von CFK mit Metallen. Neben der Identifizierung eines robusten und großserientauglichen laserbasierten Vorbehandlungsprozesses beschäftigt sich das blz mit der Optimierung der Verbundhaftung von CFK und metallischen Werkstoffen. Darüber hinaus wird ein Konzept zum Einbringen metallischer Einleger in CFK-Komponenten im Projektverbund erprobt.
Vorgehensweise
Eine Erhöhung der Haftfestigkeit zwischen Metall und CFK soll durch eine geeignete Oberflächenstrukturierung mittels Laser realisiert werden. Dabei wird das Potential des Lasers, Oberflächen gezielt für einen Klebeprozess vorzubehandeln, umfassend erforscht. Der Einfluss von Mikro- und Nanostrukturen auf Haftungseigenschaften soll dementsprechend in einem Modell zusammengefasst werden, wobei die Qualifizierung anhand verschiedener Mikroskopieverfahren sowie Zug-Scher-Festigkeits-untersuchungen erfolgt. Des Weiteren werden verschiedene Ansätze zu metallischen Einlegern, die bereits während der Fertigung in CFK-Bauteile eingebracht und in einem späteren Prozessschritt an weitere Metallkomponenten geschweißt werden können, untersucht.
Eine Erhöhung der Haftfestigkeit zwischen Metall und CFK soll durch eine geeignete Oberflächenstrukturierung mittels Laser realisiert werden. Dabei wird das Potential des Lasers, Oberflächen gezielt für einen Klebeprozess vorzubehandeln, umfassend erforscht. Der Einfluss von Mikro- und Nanostrukturen auf Haftungseigenschaften soll dementsprechend in einem Modell zusammengefasst werden, wobei die Qualifizierung anhand verschiedener Mikroskopieverfahren sowie Zug-Scher-Festigkeits-untersuchungen erfolgt. Des Weiteren werden verschiedene Ansätze zu metallischen Einlegern, die bereits während der Fertigung in CFK-Bauteile eingebracht und in einem späteren Prozessschritt an weitere Metallkomponenten geschweißt werden können, untersucht.
Ergebnisse
Durch eine laserbasierte Vorbehandlung von Metall und CFK ist es möglich, nano- und mikroskopische Strukturen zur Erhöhung der Verbundhaftfestigkeit geklebter Materialpaarungen zu erzeugen. Zug-Scher-Festigkeitsuntersuchungen zeigen z.B. eine Erhöhung der Metall-Metall-Verbundhaftung durch gezielte Laservorbehandlung der Fügeflächen um 40 % auf 33 MPa. Im Fall des Fügekonzeptes mit metallischen Einlegern konnten Verbundhaftungen erzielt werden, die die Festigkeit der 300 µm dünnen Metalleinleger übersteigen und einer Kraft von mehr als 7 kN standhalten.
Durch eine laserbasierte Vorbehandlung von Metall und CFK ist es möglich, nano- und mikroskopische Strukturen zur Erhöhung der Verbundhaftfestigkeit geklebter Materialpaarungen zu erzeugen. Zug-Scher-Festigkeitsuntersuchungen zeigen z.B. eine Erhöhung der Metall-Metall-Verbundhaftung durch gezielte Laservorbehandlung der Fügeflächen um 40 % auf 33 MPa. Im Fall des Fügekonzeptes mit metallischen Einlegern konnten Verbundhaftungen erzielt werden, die die Festigkeit der 300 µm dünnen Metalleinleger übersteigen und einer Kraft von mehr als 7 kN standhalten.
Laserbasiert erzeugte Nano- und Mikrostrukturen zur Erhöhung der Haftfestigkeit von Klebeverbindungen (Aluminium, λ = 1.064 nm)
Fügekonzept metallischer Einleger in CFK, a) CAD-Modell, b) Realbauteil
