Strukturbauteile

  Strukturbauteile Urheberrecht: Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

Leichtbau ist eines der zentralen Themen der heutigen industriellen Produktion. Zur Erreichung von Klimazielen und vor dem Hintergrund der Ressourcenverknappung kann Leichtbau als eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts gesehen werden. Leichtbau ist nicht nur durch die Verwendung leichter Materialien zu bewerkstelligen, sondern auch durch die gezielte Kombination von verschiedenen Materialien. Ziel der Verbindung ist, die Vorteile der unterschiedlichen Materialien zu kombinieren und ein funktionelles und gleichzeitig leichtes Design zu erreichen. Vor diesem Hintergrund ist die Fügetechnik für einen zielgerichteten Leichtbau elementar. Zwei Möglichkeiten für einen zielgerichteten Leichtbau sind die Verbindungen von Metallen und Kunststoffen sowie die Verbindung von Stahl und Aluminium. Funktionen in Bauteilen oder Baugruppen mit dem entsprechenden Material sollen bestmöglich bewerkstelligt werden. In einem Verbund aus Kunststoff und Metall kann beispielsweise das Metall die mechanischen Belastungen aufnehmen und der Kunststoff, der sich durch eine einfache Formgebung und große Designfreiheit auszeichnet, für eine Funktionsintegration genutzt werden. Der Verbund aus Stahl und Aluminium lässt beispielsweise die Möglichkeit zu, den Stahl in hochbelasteten Bereichen und das wesentlich leichtere Aluminium in mechanisch geringer beanspruchten Bereichen einzusetzen. Beide Möglichkeiten bieten neue Wege für einen zielgerichteten Leichtbau.

 

Praxisproblem

Kombinierter Druck-Spritzguss Urheberrecht: Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

Kunststoff-Metall-Verbunde sind seit Jahren industriell eingesetzt. Üblicherweise wird zu deren Herstellung zwischen sogenannten In-Mold- und Post-Mold-Assembly Verfahren unterschieden. Bei den In-Mold-Assembly Verfahren wird der Fügeprozess mit der Formgebung der Kunststoffkomponente kombiniert. Dies geschieht meist durch das Einlegen der metallischen Komponente in ein Spritzgießwerkzeug, in dem diese dann mit dem eingespritzten Kunststoff verbunden wird. Problematisch ist bei diesem Metall und andererseits die Haftung zwischen Kunststoff und Metall und die eingeschränkte Freiheit in der Formgebung. Post-Mold-Assembly Verfahren werden angewandt, wenn die Geometrie des Bauteils nicht in einem In-Mold-Assembly Verfahren hergestellt werden kann oder sich dieses aus wirtschaftlichen Gründen nicht anbietet. Bekannte Verfahren sind das Nieten oder das Kleben. Das Schmelzschweißen von Aluminium und Stahl ist aufgrund ihrer physikalisch unterschiedlichen Eigenschaften nicht möglich. Dennoch eröffnen Aluminium-Stahl- Verbunde neue Möglichkeiten bei der Fertigung von Leichtbaustrukturen. Der Fügetechnologie kommt hier eine Schlüsselrolle zu. Ein weiteres Problem in der Praxis ist die Forderung nach immer kürzeren Entwicklungszeiten. Dieser Forderung kann in vielen Fällen nur durch die gezielte Anwendung von numerischen Simulationen nachgekommen werden. Häufig fehlt es jedoch gerade im Bereich von Multimaterialverbunden an geeigneten Berechnungsmethoden für die Verbundfestigkeit und den Materialübergangsbereich.

 

Lösungsidee

Rührreibschweissen Urheberrecht: Foto: Thilo Vogel

Ein Ansatz, bestehende Grenzen des In-Mold-Assembly zu erweitern, ist die Kombination von Metalldruckguss und Kunststoffspritzguss. Hierbei wird zunächst die metallische Komponente in ein Werkzeug eingespritzt und anschließend der Kunststoff in eine zuvor durch einen Schieber verschlossene Kavität gespritzt. Damit entsteht der Verbund in einem Werkzeug. Das thermische Fügen ist ein vielversprechender Ansatz für das nachträgliche Fügen von Kunststoff und Metall. Dabei wird die Adhäsion einer Polymerschmelze an Metallen genutzt, um einen hochfesten Verbund zu erzeugen. Dazu wird zunächst die metallische Komponente über die Schmelztemperatur des Kunststoffs erhitzt. Anschließend werden die Partner unter Druck gefügt. Vorteilhaft sind die kurzen Zykluszeiten und die hohe Anfangsfestigkeit ohne Zusatzgewicht mechanischer Elemente. Zur Wärmeeinbringung können Heizstempel oder auch konventionelle Widerstandsschweißanlagen verwendet werden.

Das Rührreibschweißen ist ein bekanntes Verfahren für die Verbindung von Aluminium. Vorteilhaft bei dieser Technik ist das Fügen unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstoffs, sodass die Grundwerkstoffe im plastifizierten Zustand verrührt werden. Dieses Prinzip ist auch auf einen Verbund aus Aluminium und Stahl übertragbar.

 

Technische Herausforderungen

Multi-Material Urheberrecht: Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

Die Werkzeuge für das kombinierte Druck-Spritzgießen sind technisch anspruchsvoll und müssen entsprechend genau gefertigt werden. Für eine gute Haftung zwischen Metall und Kunststoff ist weiterhin eine exakte Temperaturführung während des Prozesses nötig. Die Verbundqualität beim thermischen Fügen hängt maßgeblich von der thermischen Prozessführung ab. Die Temperaturverteilung vor dem Fügevorgang sollte möglichst homogen sein. Eine gleichmäßige Aufheizung komplexer Geometrien ist jedoch nicht immer möglich, weshalb die Prozessführung entsprechend angepasst werden muss. Eine weitere Herausforderung besteht in der richtigen Auslegung und beanspruchungsgerechten Gestaltung der Fügeverbindung. Sind die konstruktiv bedingten Anbindungsflächen zu klein oder ungünstig gelegen, muss gezielte Oberflächenvorbehandlung zur Steigerung der Verbundfestigkeit angewendet werden. Beispiele hierfür sind das CMT-Pinschweißen, das Elektronenstrahlstrukturieren oder das Laserstrukturieren zur gezielten Einbringung von Hinterschnitten. Der Fügemechanismus beim Rührreibschweißen resultiert aus der Wärmeeinbringung und Deformation der Werkstoffe. Eine Herausforderung besteht darin, Verbindungen herzustellen, die sich nach dem Fügen zu geometrisch komplexen Strukturen umformen lassen. Außerdem müssen Werkzeuge für das Rührreibschweißen verschleißfest sein.