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Fügen und Verbinden von Werkstoffen

Bei der Fertigung der CFK-Karosserie seiner Elektromodelle i3 und i8 verzichtet BMW auf mechanische Fügeverfahren und setzt ausschließlich auf eine spezielle Klebetechnik. Foto: BMW

Die Composites Europe zeigt die Vor- und Nachteile verschiedener Verfahren der Verbindunsgtechnik und stellt künftige Alternativen für bewährte Klebetechniken vor.

Das Fügen von Elementen aus Composites ist eine echte Herausforderung, denn die Werkstoffe gelten als schwer zu verbinden. Da thermische Verfahren bislang ausscheiden, stehen vor allem mechanische Fügetechniken im Fokus der Forscher, darunter Falzen, Nieten oder Schrauben. Aber auch die Klebetechnik spielt eine zunehmende Rolle. Welche­ Vor- und Nachteile jedes dieser Verfahren für welchen Faserverbundwerkstoff bietet, ist auf der Fachmesse Composites Europe vom 6. bis 8. November 2018 in Stuttgart zu sehen.

Verschiedene Faktoren sind bei den einzelnen Verfahren zu beachten. So werden beim Nieten durch das Stanzen des Vorlochs die Faserschichten durch Delamination geschädigt. Auch beim Bohren wird das Bauteil geschwächt. Zudem ist die Kraftübertragung zwischen den beiden zu fügenden Komponenten lokal sehr begrenzt. Beim Kleben wiederum können die Spaltdicken Probleme bereiten. Dennoch ist es aufgrund der gleichmäßigen Kraftübertragung, die die Werkstoffeigenschaften am besten ausnutzt, das Standardverfahren beim Fügen von Faserverbundwerkstoffen. Wie die einzelnen Prozesse aussehen, zeigen unter anderem das Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen, Oxford Advanced Surfaces und Weiss Chemie + Technik auf der Composites Europe.

BMW setzt auf Kleben

Bei der Fertigung der CFK-Karosserie seiner Elektro­modelle i3 und i8 verzichtet BMW auf mechanische Fügeverfahren und setzt ausschließlich auf eine spezielle Klebetechnik, die für diese Baureihen inzwischen zum Standardverfahren geworden ist. Damit werden mechanische Schädigungen der CFK-Komponenten vermieden, was zu einer höheren Stabilität der Bauteile führt und zudem Kosten einspart.

Entscheidend für die Haftung des Klebers ist dabei eine entsprechende Oberflächenvorbereitung. Aufgrund der vielfältigen Eigenschaften der Compo­sites ist dies bei jeder Anwendung individuell verschieden – sowohl hinsichtlich der Matrix als auch in Bezug auf die jeweiligen Fasern, die zum Einsatz kommen. Daneben beeinflussen auch Prozessbedingungen und -materialien die Haftungsqualität und Haltbarkeit der Klebeverbindung. Aufgrund dieser Komplexität sind die Erforschung und Bewertung von bewährten Verfahren und neuen Technologien für das Fügen von Faserverbundwerkstoffen und andere­n Hybriden Gegenstand zahlreicher wissenschaftlicher Arbeiten.

So haben Experten des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) eine neuartige, robuste und kostengünstige Verbindungstechnik zum Kleben von Konstruktionsbauteilen entwickelt. Dieses hybride Verfahren kombiniert anorganische mit organischen Klebschichten und ist damit wesentlich kostengünstiger und weist gleichzeitig eine höhere Beanspruchbarkeit auf. Es eignet sich in der Fügetechnik insbesondere zur Verbindung von Konstruktionsbauteilen und kann in zahlreichen Branchen wie in der Windkraft, im Bauwesen aber auch im Automobil- und Maschinenbau eingesetzt werden.

Verpressen und lokal erwärmen

Klebeprozesse gar ganz ersetzen will das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden mit dem Verfahren „Heat Press Cool Integrative“ (HPCI). Das thermische Direktfügen verpresst laserstrukturiertes Metall mit thermoplastischen Bauteilen und erwärmt sie lokal. Auf diese Weise schmilzt der thermoplastische Kunststoff, dringt in die Strukturen ein und haftet an der Oberfläche. Eine eigens dafür entwickelte Fügezange erzeugt binnen Sekunden robuste Verbindungen.

Berührungsloses Fügen mit Faserlaser

Zum form- und stoffschlüssigen Verbinden von faser­verstärktem Thermoplast (Organoblech) mit Metall haben die IWS-Experten darüber hinaus ein Steg-Schlitz-Prinzip entwickelt. Das Organoblech dient hier als Stegblech, ein metallisches Blech als Schlitzblech. Zum Fügen wird ein Faserlaser eingesetzt. Er erlaubt einen sehr fein 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.

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen hat in einem Projekt mit Partnern des CFK-Valley Stade eine Testanlage für das automatisierte, klebetechnische Fügen von FVK-Platten im Flugzeugbau entwickelt. Mit deren Hilfe werden gegenüber der bisherigen Methode Kosten gespart und ihre Bedeutung erstreckt sich darüber hinaus in alle Branchen, die leichte, formstabile und kostengünstige Bauteile benötigen.

3D-Druck mit Organoblech kombinieren

Im Projekt „Lightflex“ setzen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) in Aachen auf eine Kombination aus 3D-Druck und Organoblechen aus unidirektionalen Halbzeugen. Um die Belastbarkeit zu optimieren, werden die dreidimensional gedruckten Bauteile mit einer Faser­verbundkomponente zusammengefügt. Hierfür kommen individuell zugeschnittene Organobleche zum Einsatz, die auf einer Prepro-Anlage endkonturnah gefertigt werden. Das minimiert Verschnitt und führt zu deutlichen Einsparungen bei den mit hohem Energieaufwand hergestellten Kohlenstofffasern.

mg