EU-Projekt „ComMUnion“ entwickelt industriellen Prozess für hybride Metall- und Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffe

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach leichteren Komponenten für Anwendungen in Mobilität und Verkehr stark gestiegen, um Gewicht und damit Energie und Ressourcen einzusparen.

Hybridbauteile aus Stahl und lokal mit faserverstärkten Kunststoffen funktionalisiert vereinen hohe mechanische Leistungsfähigkeit mit geringem Gewicht. Die Nachfrage nach Herstellungsverfahren, die einer kostengünstigen Massenproduktion solcher Strukturen förderlich sind, nimmt rapide zu. Im EU-Forschungsprojekt „ComMUnion“ arbeiten die beiden Aachener Fraunhofer-Institute – Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) und Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) – mit 14 Partnern aus Industrie, Forschung und Wissenschaft zusammen , um industrielle Prozesse und Lösungen für den hybriden Leichtbau zu entwickeln, indem Metall- und Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffe für Automobil- und Luft- und Raumfahrtanwendungen kombiniert werden.

Das neue hybride Herstellungsverfahren basiert auf einer Kombination aus Lasertexturierung und laserunterstützter Tape-Platzierung. Zunächst werden die Bauteile mit dem Laser vorbearbeitet, um eine speziell entwickelte, genau definierte, raue Oberflächenstruktur zu erhalten. Durch die strukturierte Oberfläche können die endlosfaserverstärkten thermoplastischen Leichtbaumaterialien, die später zur Versteifung dienen, direkt mit dem Stahlbauteil verbunden werden. Die Verklebung erfolgt dann mechanisch, so dass keine zusätzlichen Vorbehandlungsmaßnahmen oder zusätzliche Haftvermittler wie Klebstoffe oder Haftvermittler erforderlich sind.

Die Versteifungselemente bestehen aus faserverstärkten Thermoplasten, die speziell auf die zu erwartenden Belastungen abgestimmt sind und im Tape-Place-Verfahren mit dem Bauteil verbunden werden. Der Laser erhitzt die thermoplastischen Bänder lokal in der Fügezone zum Stahl. Das Matrixmaterial schmilzt und fließt in die lasertexturierten Kavitäten. Nach dem Erstarren des Schmelzmaterials haftet das Band mit den eingebetteten unidirektionalen Fasern an der aufgerauten Oberfläche des Stahlteils.

Kombinierter Prozess, geeignet für die Massenproduktion

Der Vorteil der Kombination dieser beiden Laserverfahren kommt gerade dann zum Tragen, wenn die mechanischen Eigenschaften des Bauteils lokal verbessert werden sollen, ohne das Bauteilgewicht signifikant zu erhöhen. Das Verfahren eignet sich besonders für die Massenproduktion, da keine weiteren Nachbearbeitungsschritte wie Aushärten erforderlich sind, um das Material nach der Tape-Platzierung zu verfestigen. Darüber hinaus reduziert eine präzise lokalisierte Erwärmung Verzug und Eigenspannungen beim Verbinden der beiden Materialien. Auch das am Fraunhofer ILT entwickelte Lasertexturierungsverfahren lässt sich reproduzierbar auf die Metalloberfläche auftragen, und zwar genau dort, wo die Texturen benötigt werden. Außerdem unterliegt der Laser keinem Werkzeugverschleiß.

Erstes Hybrid-Karosserieteil bereits als Demonstratorkomponente fertig

Um die Anwendbarkeit des Verfahrens in Form eines Proof-of-Concept zu validieren, haben die Forschungspartner nun ein erstes Demonstratorbauteil aus hochfestem Stahl und unidirektionalem faserverstärktem Thermoplastband fertiggestellt:Die beiden Fraunhofer-Forscher Kira van der Straeten vom Fraunhofer ILT und Tido Peters vom Fraunhofer IPT stellten im Rahmen des Projektes ComMUnion einen hybriden Leichtbauschweller, ein Karosseriebauteil für die Automobilindustrie, her, um die Funktionsfähigkeit der Verfahrenskombination zu testen und nachzuweisen.

Auf der Leichtbaumesse JEC World vom 12. bis 14. März 2019 in Paris präsentierten die Projektpartner das Bauteil auf der vom AZL organisierten „Composites in Action Area“ dem Fachpublikum.

Das Projekt „ComMUnion“ wird durch das Horizon 2020 Research and Innovation Programme der Europäischen Union unter der Grant Agreement No. 680567 gefördert.

Teil eines Hybrid-Autoschwellers, der durch laserunterstützte Tape-Platzierung lokal funktionalisiert wird. Quelle | ComMUnion Fraunhofer IPT

Europäische Partner des Forschungsprojekts ComMUnion

• Aciturri Engineering SL, Spanien
• AFPT GmbH, Deutschland
• Aimen Technology Centre, Spanien (Koordinator)
• Autotech Engineering, AIE, Teil der Gestamp-Gruppe, Spanien
• CASP S.A., Griechenland
• ESI-Gruppe, Frankreich
• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Deutschland
• Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Deutschland
• Labor for Manufacturing Systems and Automation (LMS) – Universität Patras, Griechenland
• Lunovu GmbH, Deutschland
• Missler Software, Frankreich
• Motofil Robotics, S.A., Portugal
• Neue Infrarot-Technologien SL, Spanien
• Philips Photonics GmbH, Deutschland
• Tecnatom S.A., Spanien
• Universidade de Coimbra, Portugal

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Dieser Beitrag ist mit freundlicher Genehmigung von CompositesWorld und AZL Aachen GmbH Medienpartnerschaft.