Induktor mit Feldkonzentrator Foto: Fraunhofer IWS

Induktion statt Intuition

Leichtbau

Induktive Fügetechniken für Verbindungen aus Metall und faserverstärktem Thermoplast werden beim Leichtbau bedeutsamer.

Post- und In-mould-Assembly-Prozesse, mechanische Fügeverfahren wie Schrauben und Nieten und das Kleben sind bisher gängige Verfahren, um zuverlässig artungleiche Fügeverbindungen herzustellen. Diese Verfahren stoßen oftmals an Grenzen, insbesondere durch den gestörten Kraftfluss aufgrund eingebrachter Bohrungen, eingeschränkte Geometrien oder, wie beim Kleben charakteristisch, durch relativ lange Fügezeiten. Die Forscher des Fraunhofer IWS Dresden untersuchen neue Lösungsansätze, um stoffschlüssige Fügeverbindungen ausschließlich durch eine lokal gesteuerte Wärmeeinbringung herzustellen.

Annett Klotzbach, Gruppenleiterin Kleben und Faserverbundtechnik, Fraunhofer IWS Foto: Fraunhofer IWS
Annett Klotzbach, Gruppenleiterin Kleben und Faserverbundtechnik, Fraunhofer IWS Foto: Fraunhofer IWS

„Eine konzentrierte und gleichmäßige Wärmeeinbringung ermöglicht kurze Fügezeiten.“

Maurice Langer, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer IWS erläutert: „Sollen Metallelemente wie zum Beispiel Flansche oder Beschläge an ein thermoplastisches Faserverbundbauteil montiert werden, so erfolgt dies häufig über Schrauben oder Nieten. Bei unserer Technologie hingegen fixieren wir die Teile zueinander und erwärmen innerhalb weniger Sekunden das Metall, so dass im Kontaktbereich die thermoplastische Matrix schmilzt und nach Abkühlung wieder erstarrt.“

Herausforderungen im Detail

Auch wenn es zunächst simpel erscheint – die Herausforderungen stecken im Detail! So ist zunächst eine ausreichende Haftung des Thermoplasten auf dem Metall erforderlich. Je nach Materialkombination kann eine Laserstrukturierung zur Oberflächenvergrößerung und Faserverankerung oder auch der Auftrag haftvermittelnder Schichten vor dem Fügeprozess sinnvoll sein, um eine Vebin­dung zwischen Metall und dem häufig niedrigpolaren Thermoplast zu erzielen. So können die mechanischen Eigenschaften der Verbindung wie Zugfestigkeit und E-Modul oder auch die Schlagzähigkeit in Abhängigkeit vom Belastungsfall angepasst werden.

Bei der lokalen Wärmeeinbringung wurden bisher unterschiedliche Ansätze verfolgt. Die einfachste und preiswerteste Variante ist der Einsatz einfacher Widerstandsheizelemente. Durch direkten Kontakt mit dem Metall erfolgt die Wärmeübertragung in den Fügepartner. Nachteilig hierbei sind die geringen Aufheiz- und Abkühlraten. Auch ist die Änderung der Erwärmungsgeometrie oder auch das Erzeugen lokaler Temperaturgradienten extrem aufwendig oder nur eingeschränkt möglich.

Maurice Langer (l.), wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IWS, und Student Lukas Hufmann an ihrem Versuchsaufbau zum induktiven thermischen Direktfügen Foto: Fraunhofer IWS
Maurice Langer (l.), wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IWS, und Student Lukas Hufmann an ihrem Versuchsaufbau zum induktiven thermischen Direktfügen Foto: Fraunhofer IWS

Deutlich flexibler gestaltet sich die Erwärmung durch den Einsatz eines Lasers in Kombination mit schneller Strahloszillation und Laserleistungsregelung. So können Verbindungen für klassische Zugscherproben (gemäß DIN EN 1465) aus Baustahl und glasfaserverstärktem PA6 in weniger als 3 s hergestellt werden, wobei Festigkeiten von bis zu 30 MPa mit kohäsivem Versagen im Faserverbund erzielt werden. Voraussetzung für dieses Verfahren ist jedoch die erforderliche Zugänglichkeit des Metalls für den Laserstrahl. Dies ist bei komplexen Konstruktionen nicht immer der Fall.

Vorteile induktiver Erwärmung

Hier spielt die induktive Erwärmung ihre Vorteile aus! Die für den Prozess erforderliche Wärme muss nicht durch Wärmeleitung übertragen werden, sondern entsteht unmittelbar im Fügeteil selbst. Somit sind auch Mehrlagenverbindungen mit innen liegenden Metallelementen oder auch Fügeverbindungen mit eingeschränkter räumlicher Zugänglichkeit möglich.

Aufgrund einer bevorzugt flächigen Wär­meeinbringung und eines gewünschten Koppelabstands von bis zu 1 cm haben Forscher des Fraunhofer IWS einen Versuchsstand mit im Außenfeld arbeitendem Induktor konstruiert, welcher mit einem Mittelfrequenzgenerator arbeitet. Mithilfe der Simulationssoftware Comsol Multiphysics konnte der Einfluss von Frequenz, Stromstärke, Koppelabstand und lateraler Position auf die entstehenden Temperaturfelder in den vordefinierten Fügepartnern ermittelt werden. So führt eine Hochfrequenzanregung zwar zu einer sehr schnellen Erwärmung in den oberflächennahen Bereichen, ein Überhitzen des Metalls an den Kantenbereichen durch sogenannte Skineffekte sorgt jedoch für ungewollte thermische Schädigungen der Thermoplaststruktur.

Prinzipschema zur Wirkungsweise von Feldkonzentratoren Grafik: Fraunhofer IWS
Prinzipschema zur Wirkungsweise von Feldkonzentratoren Grafik: Fraunhofer IWS
Fügezeiten bei Polyamid 6 und Stahl unter zwei Sekunden

Um den Prozess trotz der Erwärmung im Außenfeld effizient zu gestalten, wurden in der Simulationsumgebung Feldkonzentratoren ausgelegt und experimentell validiert. Sie ermöglichen die Konzentration des entstehenden Wechselfelds entsprechend der erforderlichen Erwärmungsgeometrie. Die Fügezeiten konnten bei der Materialkombination Baustahl und glasfaserverstärktes PA6 auf unter 2 s reduziert werden. Dies bedeutet nicht nur eine hohe Produktivität, sondern auch eine geringe thermische Beeinflussung anderer bereits integrierter Bauteile in der Nähe der Fügestelle.

Die hergestellten und bis zur Zerstörung geprüften Zugscherproben zeigen ein kohäsives Bruchverhalten im Faserverbund ohne lokale thermische Schädigung.

Zukünftige Einsatzgebiete sind im Automobil- und Schienenfahrzeugbau zu finden, da hier die Integration hybrider Verbindungen aus Faserverbundteilen undMetallrahmenstrukturen zunehmend voranschreitet.

Annett Klotzbach

 

Aufmacherbild: Frauhofer IWS