Hybridbauteile: Strukturen in der Oberfläche bieten dem Kunststoff Halt

Leichte Hybridbauteile aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) und Metall werden inzwischen in verschiedenen Branchen zunehmend eingesetzt. Bei ihrer Herstellung lautet eine der wichtigsten Fragen: Wie lassen sich diese artungleichen Werkstoffe dauerhaft und prozesssicher verbinden und trennen?

Als Alternative zum bisher bevorzugt eingesetzten Klebeverfahren hat das Aachener Fraunhofer ILT im Rahmen des Hybri-Light-BMBF-Projekts einen neuen Fügeprozess entwickelt, der Kunststoff und Metall per Formschluss und Adhäsion miteinander verbindet. Ein Ultrakurzpulslaser erzeugt dazu im Metall durch flächiges Abtragen Mikro- und Nanostrukturen mit hoher Strukturdichte. Anschließend wird das Metall erhitzt und der Kunststoff über Wärmeleitung plastifiziert. Der geschmolzene Kunststoff fließt in die Mikrostrukturen, und nach dem Erkalten entsteht eine feste und dauerhafte Verbindung zwischen den beiden Materialien.

Mit diesem Verfahren lassen sich Hybridbauteile mit extrem hoher Zugscherfestigkeit von rund 25 MPa herstellen. Diese hohen Festigkeiten sind vor allem auf die starke Adhäsionswirkung der Mikro- und Nanostrukturen aufgrund von spezifischer und mechanischer Adhäsion zurückzuführen.

Ein ähnliches Verfahren entstand für eine andere, vorwiegend in Automobil- und Elektroindustrie verwendete Mischbauweise: Im Spritzgießprozess entstehen Bauteile aus Kunststoff und metallischen Einlegern. Mit Hilfe einer laserbasierten Technologie können Kunststoff und Einleger ohne Additive mit hoher Festigkeit verbunden werden. Die Laserstrahlung erzeugt Mikrostrukturen im Metall, die sich beim Spritzgießen mit dem flüssigen Kunststoff füllen. Nach dem Erstarren bildet sich eine feste, dauerhafte und formschlüssige Verbindung mit mehr als 22 MPa Zugscherfestigkeit. „Durch Anpassung von Strukturdichte und Orientierung der Mikrostrukturen auf dem metallischen Fügepartner kann die Festigkeit beeinflusst und an die späteren Einsatzbedingungen angepasst werden“, erklärt Kira van der Straeten, Wissenschaftlerin im Team Kunststoffbearbeitung.

Mit dem Laser lassen sich auch Kanten für das Fügen erzeugen: Solche präzisen Fügekanten sind für Techniken wie Nieten oder andere formschlüssige Verbindungen erforderlich. Der Laser schneidet auch so unterschiedliche Materialien wie Metall und carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) verschleißfrei und mit nur einem Werkzeug, in einer Genauigkeit, die den Anforderungen für das Fügen entspricht.

Hierzu hat das Fraunhofer ILT ein Verfahren zum Schneiden von gestapelten Schichten aus CFK und Titan oder Aluminium entwickelt. „Das CFK wird in mehreren Scans abgetragen“, erläutert Dr. Frank Schneider, Seniorexperte der Gruppe Makrofügen & Schneiden. „Durch eine clevere Scanstrategie wird die dabei entstehende Fuge so ausgelegt, dass sie optimal für den nachfolgenden Schnitt im Metall geeignet ist, der anschließend in einer Überfahrt mit Schneidgasunterstützung erfolgt.“ Beide Teilprozesse können auch für im Stumpfstoß nebeneinander angeordnete Materialverbünde genutzt werden. Hierzu wird durch den Laserzuschnitt eine formschlüssige Verzahnung der Fügepartner erzeugt. (op) ■