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Stoffschlüssiges Fügen von Metall und Thermoplast

Moderner Leichtbau erfordert häufig die Kombination von Metall mit Kunststoffen. Mit dem thermischen Direktfügen (HeatPressCool-Integrative (HPCI)) hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden, ein neues Verfahren zum Fügen dieser Materialien entwickelt.

Der eigentliche Verbindungsprozess gestaltet sich beim HPCI simpel: Der mittels Laser vorstrukturierte metallische Fügepartner wird mit dem thermisch aufgeschmolzenen Kunststoff verpresst. 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 mm und mehr bei Flächenraten von bis zu 30 cm²/s 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. Beim Fügen wird das Metall an der Fügestelle erwärmt. Der partiell aufgeschmolzene Thermoplast dringt in die Strukturen ein und haftet an der Oberfläche. Dabei besteht eine besondere Herausforderung 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.

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 und binnen Sekunden robuste Verbindungen erzeugt. So kann bewährte Anlagentechnik auch für Multimaterial-Anwendungen zum Einsatz kommen.

Gemeinsam mit Industrie- und Forschungspartnern evaluierte das Fraunhofer IWS das entwickelte Verfahren anhand eines komplexen Technologiedemonstrators. Die Grundsatzstudie erwies, dass sich das thermische Direktfügen für Multimaterial- und Bauteilkonstruktionen eignet, insbesondere aufgrund geringer Prozesszeiten, robuster Prozessführung sowie guter Automatisierbarkeit.

www.iws.fraunhofer.de


Technologiedemonstrator für das thermische Direktfügen von Metall mit thermoplastischen Faserverbundbauteilen.

FOTO: FRAUNHOFER IWS DRESDEN