Die Fügezange lässt sich zum Beispiel anstelle einer Punktschweißzange an einem Roboterarm montieren.
Fraunhofer IWS Dresden
Moderner Leichtbau erfordert häufig die Kombination von Metall mit Kunststoffen. Da Thermoplast und Metall sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen – wie etwa Schmelztemperatur oder Wärmeausdehnungskoeffizient – kommt der Optimierung der Anhaftungskraft zwischen beiden Fügepartnern eine große Bedeutung zu. Deshalb entwickelten Forscher des Fraunhofer-Institus für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden einen Laserabtragprozess, der Strukturtiefen von 100 Mikrometern und mehr bei Flächenraten von bis zu 30 Quadratzentimetern pro Sekunde erzeugt.
Eine Remote- beziehungsweise Scanneroptik fokussiert den kontinuierlich strahlenden Leistungslaser auf das Metall und lenkt ihn dabei schnell ab. Das reinigt die Oberfläche von anhaftenden Ölen oder Verschmutzungen in der Grenzschicht. Gleichzeitig kann der später eindringende Kunststoff die Strukturen ausfüllen, sodass ein Formschluss zwischen Kunststoff und Metall entsteht. Damit entfällt die Notwendigkeit, die Oberfläche mit Lösungsmitteln oder Beizbädern chemisch zu reinigen. Der eigentliche Verbindungsprozess gestaltet sich simpel: Der vorstrukturierte metallische Fügepartner wird mit dem Kunststoff verpresst. Gleichzeitig wird das Metall an der Fügestelle erwärmt und der Thermoplast partiell aufgeschmolzen. Eine eigens entwickelte Fügezange, die sich beispielsweise anstelle einer Punktschweißzange an einem Roboterarm montieren lässt, erzeugt binnen Sekunden robuste Verbindungen.
Gemeinsam mit Industrie- und Forschungspartnern evaluierte das Fraunhofer IWS das entwickelte Verfahren anhand eines komplexen Technologiedemonstrators. Dabei ersetzten die Forscher eine reine Schweißbaugruppe aus Baustahl durch ein Multimaterialdesign aus Organoblech und metallischem Deckblech, um das Leichtbaupotenzial aufzuzeigen. Neben dem thermischen Direktfügen erzeugten sie auch formschlüssige Verbindungen im Steg-Schlitz-Design zwischen Metall und Organoblech. Die Grundsatzstudie erwies, dass sich das thermische Direktfügen für Multimaterial- und Bauteilkonstruktionen eignet, insbesondere aufgrund geringer Prozesszeiten, robuster Prozessführung sowie guter Automatisierbarkeit.