Hybridbauteile durch Infiltrieren statt Umspritzen

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Mit den offenporigen Aluminium-Einlegeteilen der Fillsert-Serie von Automoteam lassen sich Hybridbauteile aus Kunststoff und Metall fertigen.

Die Hybridbauteile verfügen über neue multifunktionale und multistrukturelle Eigenschaften. Denn im Gegensatz zu den konventionellen Metalleinlegern (Inserts) werden die Fillserts mit Kunststoffen nicht umspritzt, sondern infiltriert.

Die Herstellung hybrider Bauteile in der Kombination mit Metallen ist in der Kunststoffverarbeitung seit langem etabliert. Im Wesentlichen bestehen hierfür zwei Verfahren: Insert- und Outsert-Spritzguss. Beim Insert-Spritzguss werden die Funktionseigenschaften von metallischen Werkstoffen in Form von Einlegeteilen in die Kunststoff-Matrix integriert. Die Metalleinleger werden im Fertigungsprozess in das Werkzeug eingelegt und fast vollständig umspritzt.

Beim Outsert-Spritzguss hingegen werden die Funktionseigenschaften von polymeren Werkstoffen durch die selektive Ummantelung eines Metalleinlegers integriert. Die Metalleinleger werden in diesem Fall nur in ausgewählten Bereichen umspritzt.

Etablierte Verfahren für Hybridbauteile haben Nachteile

Beide Hybrid-Techniken haben jedoch allgemein bekannte Nachteile, insbesondere für modernen, funktionsintegrierten Leichtbau: Dazu gehören der Einsatz von schweren Metallen wie Stahl oder Messing oder geringe Kontaktfläche mit eingeschränktem Kraft- und Formschluss. Es kann zu Verzug, Rissbildung und Undichtigkeit durch unterschiedliche Wärmeausdehnung kommen. Es besteht ein erhöhtes Risiko für Spaltkorrosion, Kontaktkorrosion und elektrochemische Korrosion an den 
Grenzflächen zwischen verschiedenen Werkstoffen. Weitere Naschteile sind eingeschränkte Qualität und Funktionalität bei Übertragung von höheren Kräften und 
Drehmomenten insbesondere bei Vibration beziehungsweise Klimawechsel  sowie die teilweise Notwendigkeit des Chemikalieneinsatzes für bessere Haftung.

Die neuen Fillserts werden als selektiv oder komplett offenporige Gussteile aus Aluminium im Kokillenguss-Verfahren hergestellt. Sie weisen massive und/oder offenporige Funktionsbereiche auf, die miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Die möglichen geometrischen Kombinationen von offenporigen und massiven Funktionsbereichen erlauben viele neue konstruktive Lösungen. 


Auf den hundertstel Millimeter genaue Fertigung

Fillserts kombinieren Strukturen, Werkstoffe und Funktionen. Foto: Automoteam

Die offenporigen Kokillenguss-Teile unterscheiden sich in allen Aspekten von den konventionellen geschäumten oder gesinterten Metallen. Sie haben einstellbare Poren, makroskopisch isotrope Eigenschaften, ein belastbares Gussgefüge, bessere mechanische, strömungsmechanische, thermische, akustische und andere Eigenschaften und können in unterschiedlichen Formen und Größen auf den hundertstel Millimeter genau gefertigt werden. Die Dichte des offenporigen Aluminiums beträgt cicra 1,3 g/cm3. Sowohl in den massiven als auch in den offenporigen Funktionsbereichen der Fillserts lassen sich alle von den massiven Metallen bekannten Funktionen, wie zum Beispiel Gewinde, Bohrungen, Scharniere, Ösen, Einpressbolzen oder Nietmuttern realisieren.

Die Porengröße in den offenporigen Funktionsbereichen kann anwendungsspezifisch von wenigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern eingestellt werden, wobei sogar auch gradierte Einstellungen möglich sind. So können sie mit Polymeren in diversen Verfahren wie Spritzgießen, Thermoformen, Blasformen, Schäumen oder RTM infiltriert werden, um einen enorm starken, gasdichten Werkstoffverbund ohne den Einsatz von Chemikalien herzustellen. Werden sie gezielt nicht infiltriert, so können sie weitere für offenporige Metalle spezifische Funktionen wie Filtration, Schalldämpfung, Wärmeübertragung, Crashenergie-Absorption, Entlüftung und vieles mehr integrieren.

Offenporige Fillserts vollständig in Kunststoffmatrix integrierbar

Die geometrisch präzisen und makroskopisch isotropen Fillserts lassen sich sehr gut in die Kunststoffmatrix integrieren. Foto: Automoteam

Die komplett offenporigen Fillserts ohne massiven Funktionsbereich können vollständig in eine Kunststoffmatrix integriert werden. So kann ein Kunststoffbauteil bewusst an ausgewählten Stellen mit einer Funktionalität vom Verbundwerkstoff ausgestattet werden.

Die massiven Fillserts mit selektivem offenporigen Funktionsbereich können gezielt lokal mit Polymeren infiltriert werden. So kann ein Aluminiumbauteil bewusst an ausgewählten Stellen mit einer Funktionalität vom Verbundwerkstoff ausgestattet werden oder eine definierte Schnittstelle für ein Kunststoffbauteil zur Verfügung stellen.

Die selektiv offenporigen Fillserts können mit einem oder mehreren massiven und/oder offenporigen Funktionsbereichen ausgestattet werden, um viele weitere Kombinationen von massiven, offenporigen, infiltrierten und nicht infiltrierten Funktionsbereichen zu ermöglichen.

Beispiel Befestigungssysteme für Multimaterial-Einsatz

Ein Beispiel sind Fastening Fillserts, hybride Befestigungssysteme für den multifunktionalen Multimaterial-Einsatz. Sie bieten eine hohe Kompatibilität der offenporigen Gussteile mit konventionellen Fügeverfahren wie etwa Schrauben, Nieten, Bördeln, An- und Einpressen, Löten, Kleben oder Ultraschallschweißen. Damit stehen sehr flexible Möglichkeiten für die Entwicklung von Befestigungssystemen offen. Zusätzlich lassen sich solche Schnittstellen auch mit weiteren Funktionen wie etwa Vibrationsdämpfung, Filtration oder Wärmeübertragung ausstatten.

So nutzt zum Beispiel KVT-Fastening für seine Blindnietmuttern-Technologie Ecosyn, die bei Kunststoffen und Leichtbaumaterialien zum Einsatz kommt, offenporige Gussteile. Aufgrund der gezielten Auslegung des Befestigungselements wird hier eine definierte Wulstbildung ohne Lochleibung im Trägermaterial erzielt. Dadurch ist sowohl der sichere Sitz des Gewindesystems als auch ein idealer Toleranzausgleich gewährleistet. Selbst dünnwandige Bereiche und Hohlstrukturen lassen sich für tragfähige Befestigungspunkte nutzen.

Die Fillserts mit Gewinde im offenporigen Bereich sind belastbar und können mit verschiedenen offenporigen oder massiven Bauteilen verschraubt werden. Die bewusste Infiltration des porösen Gewindes mit Polymeren oder Klebstoffen sichert die Schraubenverbindung zusätzlich bei Vibrationen oder dynamischen, zyklischen Belastungen durch eine chemische oder klemmende Sicherungswirkung ab.

sk

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