Verbindungen zwischen Metall und thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden (TP-FKV) haben in zahlreichen Anwendungen eine hohe Relevanz. Um die inhärenten Eigenschaften der Materialien effizient zu nutzen, sind fortschrittliche Fügetechniken nötig. Im Gegensatz zu Techniken wie Bohren oder Clinchen erlaubt das stoffschlüssige thermische Fügen eine Anbindung ohne Faserbeschädigung an den TP-FKV. Für die Einbindung der TP-FKV-Leichtbaustruktur mit den thermisch gefügten Befestigungselementen in eine übergeordnete Baugruppe dient beispielsweise eine Schraubverbindung an den Befestigungselementen. Innerhalb weniger Sekunden lässt sich so in einer vollautomatisierten Prozessumgebung eine außerordentliche Festigkeit erreichen. Ein weiterer Vorteil: Die Befestigungselemente können durch Erwärmung problemlos wieder vom TP-FKV abgelöst und bei Bedarf wieder angebracht werden. Dies ist insbesondere für Recycling und Reparatur vorteilhaft.
Kombination etablierter Technologien
Mit der Kombination bereits etablierter Technologien entstand ein einzigartiges industrienahes Forschungsprojekt. Der Ausgangspunkt für das HyBe-Projekt (Automatisierte Hybridverbindungstechnologie für das Fügen von Metallbefestigungselementen an TP-FKV) und die neuartige Fügetechnologie ist das Zusammenführen von Klebstoffsystemen aus der kontinuierlichen Bandbeschichtung mit metallischen Befestigungselementen, faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen und dem Induktionsschweißen. Bei der kontinuierlichen (Metall-)Bandbeschichtung (Coil Coating) werden metallische Bänder/ Coils mit einer organischen Beschichtung versehen. Dies geschieht mittels eines Endlosverfahrens zur ein- oder beidseitigen Beschichtung von Stahl- oder Aluminiumblechen. Das resultierende Material ist ein Verbundwerkstoff aus metallischem Trägermaterial und organischer Beschichtung.
Übliche Beschichtungsstoffe sind Lacke, Kunststoffpulver, funktionale Beschichtungen oder Kunststofffolien. Für letztere beiden kommen Klebstoffsysteme zur dauerhaften Verbindung der Kunststoffe mit dem Metall zur Anwendung. Dabei sind die reaktiven Beschichtungen zwölf und mehr Monate lagerstabil, bevor die Fügung mit Kunststoffen erfolgt. Beim Coil Coating werden mit hallenfüllenden Industrieanlagen kilometerweise Metallbänder kontinuierlich beschichtet – die für dieses Verfahren optimierten Klebstoffsysteme sind hier besonders effizient und effektiv nutzbar. Allerdings gab es bisher keine anderweitige Anwendung dieser Klebstoffe, da spezielle Parameter für das Auftrags- und Einbrennverfahren erforderlich sind.
Dauerhafte Verbindung
Für metallische Befestigungselemente wie Schrauben, Bolzen oder Buchsen lässt sich bereits mit unterschiedlichen Technologien ohne Schweißen, Bohren oder Schrauben eine dauerhafte Verbindung mit fast jedem Material herstellen. Hierfür kommen aktuell u.a. verschiedenene Klebstoffe zum Einsatz. Diese werden entweder beim Anwender angemischt und aufgetragen; das setzt ein korrektes Handling der Klebstoffe sowie entsprechendes Equipment voraus. Oder der Klebstoff ist bereits auf den metallischen Elementen vor-appliziert und muss entlang der Lieferkette sowie im Lager gekühlt werden, bevor die deutlich limitierte Haltbarkeit erreicht ist.
Faserverstärkte Thermoplaste (TP-FKV; Faser-Kunststoff-Verbunde) zeichnen sich neben der schnellen Verarbeitbarkeit und ihrem geringeren Gewicht auch durch eine gute Rezyklierbarkeit aus und sind somit eine wichtige Alternative zu duroplastischen FKV. Diese Eigenschaften qualifizieren die TP-FKV für eine große Anzahl von Leichtbauanwendungen u.a. auch in der Automobilindustrie. Eine Möglichkeit der weiteren anwendungstechnischen Optimierung ist die Kombination mit Metallen.
Induktive Schweiß- oder Siegelverfahren
Beim Induktionsschweißen oder -siegeln handelt es sich um eine Form des Schweißens, bei der elektromagnetische Induktion zum kontrollierten und präzisen Erwärmen des Werkstücks genutzt wird. In einem elektrisch leitenden Werkstück ist der Haupterwärmungseffekt die Widerstandserwärmung, die auf induzierten Strömen beruht. Für induktive Schweiß- oder Siegelverfahren bietet die induktive Erwärmung gegenüber nicht-elektrischen Methoden große Vorteile: Die Energie wird nur in die leitfähige Schicht bzw. das leitfähige Bauteil eingebracht – und nur dort wird die erforderliche Prozesswärme erzeugt. Das bedeutet, dass möglicherweise störende thermische Effekte in umliegenden und angrenzenden Materialien vermieden werden können. Gleichzeitig wird die Energie kontrolliert dosiert, wodurch auch nach dem eigentlichen Siegelungsprozess keine überschüssige Restwärme negativ auf das Bauteil wirken kann.
Das Projekt HyBe wurde unter dem Förderkennzeichnen (KK5329301FF1) des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)-FuE-Kooperationsprojekte gefördert. Das Projekt widmete sich der Entwicklung eines vollautomatischen Fügeverfahrens zur schnellen und qualitätsgesicherten Verbindung von metallischen Befestigungselementen an TP-FKV-Bauteilen. Hierzu wurden mehrere Schlüsseltechnologien kombiniert. Projektziel war ein automatisiertes, digitalisiertes und energieeffizientes induktives Hybridfügeverfahren. Durch die enge Zusammenarbeit der Projektpartner IVW – Leibniz Institut für Verbundwerkstoffe, MiniTec, Himmelwerk und H.B. Fuller / Kömmerling entstand ein neuartiges Verfahren, das branchenübergreifend Anwendung finden kann. Die denkbaren Einsatzbereiche sind vielfältig und reichen von Fertigungszellen über Automationslösungen allgemein und Robotern direkt an Montagelinien bis hin zu Verbindungen in Schiffsrümpfen.
