Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWUMotivation
Die Verknüpfung der guten mechanischen Eigenschaften metallischer Komponenten mit dem hohen Leichtbaupotenzial von Kunststoffen und Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) erlaubt die Herstellung komplexer hochbelastbarer Bauteile, die insbesondere im Bereich des Automobilbaus Verwendung finden. Das Leistungspotenzial hybrider Verbundbauteile ist abhängig von der Güte der Anbindung beider Fügepartner. Diese wird wiederum maßgeblich von der Materialkompatibilität beider Fügepartner und der angewendeten Verbindungstechnologie bestimmt.
Metall-Kunststoff-Verbund mit Welding Inserts
Im Fokus des Projekts stand die Entwicklung einer effizienten, auf dem Einsatz von Welding Inserts (WI) basierenden Verbindungstechnologie. Welding Inserts sind metallische Elemente, die während des FRP-Fertigungsprozesses in die Kunststoffbauteile integriert werden und mit der eingesetzten Kunststoff- bzw. Faser-Kunststoff-Komponente interagieren. Durch die angepasste geometrische Form und Oberflächenstrukturierung der metallischen Welding Inserts wird die Affinität zur Verstärkungsfaser und zur Kunststoffmatrix erheblich gesteigert und führt zu einer signifikanten Anhebung der Verbundfestigkeit. Durch die minimale Schweißzeit ist die thermische Belastung des Kunststoffmaterials auf ein Minimum reduziert, so dass keine Schädigung im Fügebereich erfolgt.
Technologieeigenschaften
Der neue Technologieansatz zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:
- Die Welding Inserts werden an definierten Positionen in den Kunststoffbauteilen eingebracht.
- Die Welding Inserts werden während der Kunststofffertigung in das Bauteil oder Halbzeug eingebracht.
- Durch angepasste Strukturierung wird eine direkte Kopplung zwischen Welding Inserts und Verstärkungsfaser sowie Kunststoffmatrix erzeugt.
- Die Welding Inserts können mit dem metallischen Verbindungspartner mittels eines herkömmlichen thermischen Verbindungsprozesses für Metall (z. B. mit einer herkömmlichen Ausrüstung zum Widerstandspunktschweißen) verbunden werden.
- Das Fügen erfolgt mithilfe eines energiearmen thermischen Prozesses und führt dadurch nur zu minimalen Schädigungen des Kunststoffmaterials.
Der wesentliche Unterschied zu konventionellen Fügeverfahren für Metall-Kunststoffverbindungen ist, dass die Welding Inserts bereits bei der Herstellung in das faserverstärkte Kunststoffbauteil integriert werden. Dadurch ist es möglich, die Verbindungseigenschaften zwischen Inserts, Verstärkungsfaser und Kunststoffmatrixmaterial im Herstellungsprozess durch Anpassung der Fertigungsparameter (z. B. Temperatur, Druck im Spritzgussprozess etc.) gezielt zu steuern. So wird der WI-Integrationsvorgang vom finalen Fügevorgang mit metallischen Partnern separiert. Durch die individuell angepasste geometrische Form und Oberflächenstrukturierung der metallischen Welding Inserts wird die Affinität zur Verstärkungsfaser sowie der Kunststoffmatrix erheblich gesteigert und führt zu einer merklichen Anhebung der Verbundfestigkeit.
Fazit
Die kurze Schweißzeit führt zu einer geringen thermischen Belastung des Kunststoffmaterials, so dass eine Schädigung im Fügebereich nicht erkennbar ist. Das metallische Welding Insert nimmt die thermische Energie aufgrund der günstigeren Wärmeleitung (im Vergleich zu Kunststoff) auf und senkt die Temperatur im Fügebereich rasch ab.
