Die besten Möglichkeiten, Kunststoffe zu verbinden

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Auf immer verbunden: Faserverbundstoffe sind für die Automobilentwickler derzeit das beste Mittel, um Leichtbaukonzepte umzusetzen. Dank Fortschritte beim Fügen, lassen sich die jeweiligen Materialeigenschaften im Verbund optimal nutzen und eine hohe Effizienz der Struktur bei möglichst niedrigen Fertigungskosten erzielen.

Leichte Autos sind ein Konstrukt unterschiedlichster Materialien. Nur so können die Fahrzeugentwickler von den jeweilig optimalen Werkstoffeigenschaften profitieren, und gleichzeitig leichte und steife Bauteile konstruieren. Allerdings lassen sich solche leichten Konstruktionen nur schwer miteinander verbinden. "Um die jeweiligen Materialeigenschaften im Verbund optimal nutzen und eine hohe Effizienz der Struktur bei möglichst niedrigen Fertigungskosten erzielen zu können, müssen die Entwickler die Fertigkeiten der Fügetechnik beherrschen", schreibt Springer-Autor Johannes Schönberger in seinem Beitrag für Lightweight Design "Innovative Fügeverfahren für hybride Verbunde aus Metall und Kunststoff".

Doch viele bewährte Verfahren stoßen mittlerweile an ihre Grenzen. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um klebtechnische und mechanische Fügeverfahren handelt. So weiß Schönberger, dass "die Nachteile des Klebens neben einer langen Prozesszeit in der begrenzten Temperaturbeständigkeit der Verbindung sowie in der maximal erreichbaren Festigkeit liegen, die von der Art der Beanspruchung und der zur Verfügung stehenden Klebfläche abhängt". Und herkömmliche mechanische Fügeverfahren, wie beispielsweise das Nieten, Clinchen oder Schrauben, schädigen die Fasern durch Fügehilfselemente und Bohrungen. Das führt seiner Erfahrung zufolge zu einem gestörten Kraftfluss und erhöhten Korrosionspotenzial.

Winzige Metallpoller schützen vor frühem Ausreißen

Um künftig faserverstärkte Kunststoffe (FVK) und Kunststoffe mit Metallen belastungs- und werkstoffgerecht zu verbinden, setzt das Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen auf kleine Metall-Pins, die per modifiziertem Lichtbogen-Schweißprozess auf die Oberfläche geschweißt werden. Anschließend werden darüber in einem intrinsischen Fügeprozess Kohlenstofffasergelege auflaminiert. So gelingt ein stabiler stoff- und formschlüssiger Metall-FVK-Verbund.

Dieser hybride Verbundmechanismus bietet laut dem Autor eine belastungs- und werkstoffgerechte Verbindung von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) und Kunststoffen mit Metallen. Zwar ist der Aufwand, verglichen mit dem thermischen Direktfügen und dem Ultraschallfügen, höher. Doch die im Artikel beschriebenen Verfahren weisen sehr kurze Prozesszeiten von wenigen Sekunden auf, was sie besonders interessant für kurz getaktete industrielle Anwendungen macht.

Fügen in der Großserie

Ein hoher Automatisierungsgrad vor allem beim Verarbeiten von Faserverbunden mit thermoplastischer Matrix ist Übrigens heute das A-und-O einer effizienten Fertigung - etwa von Leichtbaustrukturen in der Großserie. Allerdings müssen dafür angepasste Fügetechniken vorhanden sein, um auch wirtschaftlich hochbelastete Strukturen zu fertigen. Wie das in der Praxis funktionieren kann zeigen die Autoren Maik Gude, Juliane Troschitz und Robert Kupfer von der TU Dresden. In "Fügesysteme für Faserverbundstrukturen mit Thermoplastmatrix" beschreiben sie, wie sich insbesondere werkstoffspezifische Eigenschaften faserverstärkter Thermoplaste, wie etwa die Warmformbarkeit und Schweißbarkeit, gezielt ausnutzen lassen.

Am Beispiel vorkonsolidierter Halbzeuge mit thermoplastischer Matrix (sogenannte Organobleche), die im Warmpressverfahren zum Bauteil umgeformt werden, werden die Vorteile unter anderem von warmgeformten Löchern, die mithilfe eines kegelförmigen Dornwerkzeugs geformt wurden, dargestellt. Die Löcher werden für Bolzen- und Nietverbindungen benötigt und haben laut den Wissenschaftlern wesentliche Vorteile. Im Gegensatz zum Bohren werden nämlich die lasttragenden Fasern nicht durchtrennt und die ungünstige Delaminationsneigung am Bohrungsaustritt vermieden. "Darüber hinaus lässt sich der Lochformungsvorgang vorteilhaft in den presstechnischen Prozess der Bauteilfertigung integrieren, wodurch ein nachträglicher Arbeitsschritt entfallen kann."

Strukturelles Verkleben von Faserverbundwerkstoffen

Fortschritte beim Fügen von Faserverbundwerkstoffen gibt es allerdings auch beim klassischen strukturellen Verkleben. So berichtet Stefan Schmatloch in seinem Springer-Beitrag "Strukturelles Verkleben von Faserverbundwerkstoffen im Fahrzeugbau" über eine dauerhafte Verklebung von Faserverbundwerkstoffen auf Basis eines Zweikomponenten-Polyurethansystems. Dort schreibt er, dass die Eigenschaften wie Dauerbetriebsfestigkeit oder Crashfestigkeit "durch den flächigen Auftrag des Strukturklebstoffs gesteigert werden".

So können Faserverbundwerkstoffe in absehbarer Zeit auch für gezielte strukturelle Anwendungen im Fahrzeugrohbau eingesetzt werden. Spezielle Klebstoffsysteme, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auftretende Spannungen zum Teil tolerieren, befinden sich bereits in der Entwicklung. Zudem glaubt Schmatloch, dass die "Anwendung dieser Klebstofftechnologie künftig auf das Fügen thermoplastischer Oberflächen, wie Polyamid, ausgedehnt wird".