Überlappverbindung, Bild: Fraunhofer IWS Dresden

Thermisch direktgefügte Überlappverbindung (Hybridverbindung) aus Metallblech und faserverstärktem Thermoplast. Bild: Fraunhofer IWS Dresden

Multimaterial-Systeme mit maßgeschneiderten Werkstoffkombinationen sind der Schlüssel für ressourceneffiziente Leichtbaulösungen zukünftiger Verkehrssysteme. Sowohl im Automobil- als auch im Flugzeugbau geht der Trend hinsichtlich neuartiger Materialien in Richtung Werkstoffverbunde.

Dabei werden geeignete Werkstoffe miteinander kombiniert, um deren Vorteile je nach Beanspruchung gezielt zu nutzen. In vielen innovativen Konstruktionen kommen sowohl metallische Mischbauteile wie zum Beispiel Stahl-Aluminium als auch artfremde Hybridstrukturen wie Metall-Faserkunststoff-Verbunde zum Einsatz.

Schwieriges Fügen bei Hybridbauweise

Eine große Herausforderung stellt bei solchen Hybridbauweisen das Verbinden der Fügepartner dar, welches sich im Gegensatz zur monolithischen Bauweise wesentlich komplizierter gestaltet. Je nach Werkstoffpaarung ist ein speziell angepasstes, werkstoff- und fertigungsgerechtes Fügekonzept notwendig, um Verbindungen mit ausreichender Qualität und Belastbarkeit reproduzierbar herzustellen.

Die Forscher des Fraunhofer IWS Dresden haben bereits das Steg-Schlitz-Prinzip zum form- und stoffschlüssigen Verbinden zweier metallischer Bleche entwickelt und dabei deutliche Fortschritte im Hinblick auf den Leichtbau erzielt. Nun nutzten sie ihre Erfahrungen auch beim Fügen von faserverstärkten Thermoplast (Organoblech) mit Metall.

Das Organoblech dient hier als Stegblech, ein metallisches Blech als Schlitzblech. Beim Fügen kommt noch der Laser ins Spiel. Der Faserlaser erlaubt einen sehr fein einstell- und regulierbaren Wärmeeintrag und erhitzt berührungslos und exakt positioniert den überstehenden Teil des faserverstärkten Stegblechs.

Die zweidimensionale und hochfrequente Strahlauslenkung mithilfe einer Scanneroptik ermöglicht eine gleichmäßige Erwärmung des Kunststoffs. Das richtige Erwärmungskonzept sichert hier die Qualität dieses sensiblen Prozesses.

Laser fügt Metall und Organoblech

Querschliff Überlappverbindung, Bild: Fraunhofer IWS Dresden
Querschliff einer thermisch direktgefügten Überlappverbindung aus Metallblech und glasfaserverstärktem Thermoplast mit Lasermakrostrukturierung. Bild: Fraunhofer IWS Dresden

Der Laser findet aber auch Anwendung zum thermischen Direktfügen von Metall mit Organoblech für Überlappverbindungen. Die Fügestelle wird auf der Metallseite mittels Laser strukturiert und die Erwärmung erfolgt ebenso geregelt mittels Lasererwärmung. Die form- und stoffschlüssigen Verbindungen auf mikroskopischer Ebene haben eine gleiche oder höhere Festigkeit als geklebte Verbindungen.

Erste Ergebnisse und Ausblicke dieser Arbeiten zeigen wir Ihnen auf der Messe EuroBLECH vom 25. – 29. Oktober 2016 in Hannover. Besuchen Sie uns zur EuroBLECH auf dem Gemeinschaftstand der Fraunhofer-Gesellschaft in Halle 11 / B135. hei