Moderner Leichtbau erfordert häufig die Kombination von Metall mit Kunststoffen. Für den Einsatz in der industriellen Fertigung sind zusätzlich effiziente Prozessketten notwendig, die Vorbehandlung und Fügetechnologie, auf den konkreten Lastfall abgestimmt, in Einklang bringen. Ebenso spielen Werkzeuge zur Prozesssimulation und Eigenschaftscharakterisierung eine wichtige Rolle. Eine neue Entwicklung des Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden erfüllt diese Anforderungen: Das HPCI vereint langjährige Erkenntnisse der Klebetechnik mit modernen systemtechnischen Entwicklungen auf dem Gebiet der Laser-Remotetechnologie.
Vorbehandlung ist wichtig
Da Thermoplast und Metall sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen – wie etwa Schmelztemperatur oder Wärmeausdehnungskoeffizient –, kommt der Optimierung der Anhaftungskraft zwischen beiden Fügepartnern eine herausragende Bedeutung zu. Deshalb entwickelten die IWS-Forscher einen Laserabtragprozess, der Strukturtiefen von 100 µm und mehr bei Flächenraten von bis zu 30 m²*s-1 erzeugt. Eine Remote- beziehungsweise Scanneroptik fokussiert den kontinuierlich strahlenden Leistungslaser auf das Metall und lenkt ihn dabei schnell ab. Das reinigt die Oberfläche von anhaftenden Ölen oder Verschmutzungen in der Grenzschicht. Gleichzeitig kann der später eindringende Kunststoff die Strukturen ausfüllen, sodass ein Formschluss zwischen Kunststoff und Metall entsteht. Somit entfällt die Notwendigkeit, die Oberfläche mit Lösungsmitteln oder Beizbädern chemisch zu reinigen.
Wärme sorgt für stoffschlüssige Verbindung
Der eigentliche Verbindungsprozess gestaltet sich simpel: Der vorstrukturierte metallische Fügepartner wird mit dem Kunststoff verpresst. Gleichzeitig wird das Metall an der Fügestelle erwärmt und der Thermoplast partiell aufgeschmolzen. Um dieses Verfahren für den industriellen Einsatz fit zu machen, entwickelten die Wissenschaftler eine modular aufgebaute Fügezange, die sich beispielsweise anstelle einer Punktschweißzange an einem Roboterarm montieren lässt. So kann bewährte Anlagentechnik auch für Multimaterial-Anwendungen zum Einsatz kommen.
Schnelle Steuerung des Laserstrahls
Eine besondere Herausforderung besteht in der gleichmäßigen Erwärmung der metallischen Fügepartner. Neben der induktiven Erwärmung ist ein ebenfalls erarbeiteter Lösungsansatz die Lasererwärmung. Der Einsatz einer zweidimensionalen Laserstrahloszillation ermöglicht eine extrem schnelle Bewegung und Steuerung des Strahls. Diese erlaubt es, das Temperaturfeld dynamisch anzupassen, um die spezifischen Wärmeableitungsbedingungen der Fügeteile zu kompensieren.
Eine Grundsatzstudie erwies bereits, dass sich das thermische Direktfügen für Multimaterial- und Bauteilkonstruktionen eignet, insbesondere aufgrund geringer Prozesszeiten, robuster Prozessführung sowie guter Automatisierbarkeit.
