Automobil-Design revolutioniert: Automatisiertes hybrides Metall-Thermoplast-Composite-Fügen

Industriemaßstäbliches hybrides Fügen ermöglichen
FlexHyJoin demonstriert einen Massenproduktionsprozess für einen Thermoplast-Composite-Dachsteifer mit geschweißten Metallhaltern zur Montage in einen Metall-Body-in-White (BIW), wie im Use Case Fiat Panda Stadtwagen. Quelle: IVW

Hybride Metall-Composite-Strukturen bleiben für Automobil- und Luftfahrtanwendungen interessant – Gewichtsreduktion und verbesserte Performance durch „das richtige Material am richtigen Ort“. Thermoplast-Composites (TPC) sind attraktiv für solche Multi-Material-Strukturen dank schneller Verarbeitung, einschließlich Schweiß- und Thermoformfähigkeit. Bisher basierte das Fügen von Composites zu Metallen mostly auf mechanischen Fügern (Bohrungen schädigen lasttragende Fasern) oder Kleben (manche Thermoplaste schwer zu kleben; Kleber addieren Material und Gewicht). Beispiel: BMW i3 mit CFRP-Chassis und Kunststoffkarosserie nutzt 16 kg Kleber – teilweise konterkarierend das Leichtbaupotenzial.

FlexHyJoin: EU Horizon 2020 Projekt (Okt 2015 – Dez 2018)

Koordiniert vom Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) – gemeinnützige Forschungseinrichtung des Landes Rheinland-Pfalz und TU Kaiserslautern – brachte FlexHyJoin 10 europäische Partner zusammen, um einen automatisierten Prozess für die Montage einer TPC-Autodachstruktur in einen Metall-BIW zu entwickeln. Strategie: gewichtsneutrales, hochfestes Fügen – ohne Kleber oder Fügerelemente – durch Laser-Vorbehandlung von Metallhaltern und Befestigung am Dachsteifer via Induktions- und Laserschweißen. Erreicht in einer einzigen, automatisierten Produktionszelle mit integrierter Prozesskontrolle und Inline-ZfP (NDT).

Hybrid-Demonstrator in 140 Sekunden

Projektpartner Centro Ricerche Fiat (Pomigliano d'Arco/Neapel, Italien) lieferte Spezifikationen für das Demonstratorbauteil – einen Dachsteifer für den Fiat Panda, aktuell aus Stahl gefertigt. Für FlexHyJoin wurde das Teil thermogeformt aus TPC (Abb. 1) von Gubesch Thermoforming (Wilhelmsdorf, Deutschland) mit 1,5 mm dickem Tepex Dynalite 102 Gewebe-Glasfaser/Polyamid-6 (PA6) Organosheet von Bond-Laminates (Brilon, Deutschland). Zum Fügen in den Panda-Stahl-BIW: Seitliche Halter (links/rechts) aus 0,7 mm DC04 Stahl per Laserschweißen an den Enden; Mittelhalter aus gleichem Material per Induktionsschweißen. FlexHyJoin zeigte: Beide Fügemethoden eignen sich für industrielle Hybridstrukturenproduktion.

Oberflächenstrukturierung für hybrides Fügen (Abb. 1)

FlexHyJoin demonstriert Laser- und Induktionsschweißen von Stahlhaltern an gestanztem GF/PA6-Dachsteifer (oben). Diese Hybridfugen basieren auf Oberflächenbehandlung der Metallhalter zur Erzeugung von Hinterschneidungen, die während der Fügeprozessschritte mit geschmolzenem Kunststoff gefüllt werden (unten). Quelle: IVW

Einfaches Aufschmelzen der PA6-Matrix auf Stahlhalter würde keine ausreichend feste Fuge für strukturelle Anforderungen erzeugen. Daher war Laser-Oberflächenbehandlung vor dem Fügen nötig. „Die Halteroberfläche wurde per Laser strukturiert, um Hinterschneidungen zu erzeugen“, erklärt Johannes Voithofer, Projektleiter bei Fill Gesellschaft (Gurten, Österreich), verantwortlich für Montage und Integration der automatisierten Produktionszelle. „Die behandelten Halter werden auf das Composite-Teil gelegt. Wärme und Druck werden beim Fügen appliziert, wodurch die PA6-Matrix aus dem Composite in die laserinduzierten Hinterschneidungen fließt [siehe Abb. 1].“ Der Strukturierungsprozess wurde vom Fraunhofer ILT (Aachen) entwickelt und ergibt eine Metall-Composite-Fuge, die Materialhaftung und mechanische Verriegelung kombiniert.

Gefügte Teile werden zur NDT-Station transferiert, wo sie per Thermografie auf Defekte geprüft werden. „Halogen-Spots werden für modulierte Erwärmung der Composite-Oberfläche genutzt“, erklärt Vitalij Popow, IVW-Forscher und Lead für FlexHyJoin NDT und Prozesskontrolle. „Dies erzeugt ein oszillierendes Temperaturfeld in der Composite-Struktur. Wir analysieren die thermische Oberflächenantwort über Zeit und identifizieren Defekte in den Fugen.“ Vollautomatisiertes Testen pro Bauteil in der Produktionszelle. Prozessvalidierung an ca. 400 Fugen.

Die FlexHyJoin automatisierte Produktionszelle läuft Laserstrukturierung, Fügen und NDT parallel mit Zykluszeiten von 81 s, 98–108 s und 100 s (exkl. Roboter-Transferzeiten). Voithofer: Zykluszeit pro fertiges Hybridteil ca. 140 Sekunden.

Laserstrukturierung im Detail

Erzeugt Linien mit Hinterschneidungsgeometrien auf der Fügeoberfläche der Metallhalter. Bei FlexHyJoin: Hinterschneidungen 75 µm breit, 215 µm tief. Maße, Anzahl Linien, Gesamtmuster anpassbar, ideal auf Bauteil- und Zykluszeitanforderungen abgestimmt.

„Position und Anzahl der Mikrostrukturen auf der Fügeoberfläche können an die Belastung im Bauteil angepasst werden“, erklärt Stefan Weidmann, IVW-Forscher und Leiter Entwicklungsteam FlexHyJoin Induktionsfügeeinheit. „Abstand zwischen Mikrostrukturen in hochbelasteten Bereichen reduzieren, in weniger belasteten erhöhen – für effizientes Mikrostrukturieren.“

Strukturierung durch Ablation der Metallhalteroberfläche mit Hochleistungs-Einmoden-Faserlaser von IPG Photonics (Burbach, Deutschland). YLR-1000-WC: max. 1.000 W bei 1.070 nm Wellenlänge.

„Einmoden-Faserlaser für Mikrostrukturierung wegen hoher Fokussierbarkeit, Spotgröße ca. 40 µm“, erklärt Christoph Engelmann, Teamleiter Polymerverarbeitung am Fraunhofer ILT.

Laser in Optikkopf auf ABB 1200 Roboterarm. Im Optikkopf: zwei galvanometrische Spiegel für 240 × 240 mm Arbeitsfeld, eine bewegliche Linse für Z-Höhenverfolgung (Z-Shifter). Roboter positioniert nur Scanhead über Metallkomponenten; Strahl wird durch Spiegel und Z-Position für jede Mikrostrukturzeile adaptiert. Keine Kopfbewegung während Bearbeitung → 2,5D-Teile bearbeitbar, gleiche Z-Position pro diskreter Linie, Anpassung zwischen Linien.

Sicherheit: Strukturier- und Fügeeinheit gekapselt (schwarze Kabinen in Pilotzelle, Abb. 2). Automatisches Tor/Tür bleibt während Laseroperationen geschlossen, öffnet für Entnahme/Einlegen.

Induktions- und Laserschweißen

Angrenzend an Strukturierungszelle: Fügezelle mit zwei Operationen – Induktionsschweißen Mittelhalter, Laserschweißen linker/rechter Seitenhalter.

„Für größere Teile mit moderater Komplexität wie Mittelhalter ist Induktionsschweißen geeigneter“, sagt Weidmann. „Keramisches Konsolidierungswerkzeug mit Induktor appliziert Druck auf Fügezone und ist permeabel für EM-Feld → effizienter Energieeintrag in Metallhalter zum Erhitzen. Praktisch für flache Formen, aber herausfordernd für komplexe Geometrien wie Seitenhalter. Daher Laserschweißen für diese effektiver.“

„Induktionsschweißen: große Teile, moderate Komplexität. Laserschweißen: hohe Komplexität.“

Bohrung im Composite-Dachsteifer richtet ihn auf Support-Tooling (passend zur Krümmung des thermogeformten Steifers). Lasergeschnittene Bohrung im Mittelhalter positioniert ihn auf Dachsteifer; Seitenhalter durch Formpassung an Steiferenden ausgerichtet.

Mittelhalter per diskontinuierlichem Induktionsschweißen: quasi-statisches Pressfügen – statischer Prozess, areale Fuge an einer Stelle, aber Z-Bewegung wegen Dickenänderung des Composites durch Konsolidierungsdruck.

Induktionsfügeeinheit: KGR (Brandizzo, Italien) Hochfrequenzgenerator für Wechselfeld an Induktionsspule. Kopf per Elektromotor und Spindel bewegt (Abb. 3), keramisches Konsolidierungswerkzeug drückt auf Metallhalter. Induktionsspule erhitzt Metall → schmilzt Composite-Matrix → Fuge. „Druck während Heizen und Kühlen appliziert“, notiert Weidmann.

Laserschweißen Seitenhalter startet simultan zur Induktion. Zwei Klemmvorrichtungen links/rechts am Support-Tooling applizieren 4.000 N Klemmkraft auf Seitenhalter. „Klemmen nötig, um Spalt zwischen Composite und Metall zu minimieren – verhindert Lunker in der Fuge“, erklärt Voithofer. Nach Klemmkraftapplikation fährt Laserkopf in Position. Ausgestattet mit LineBeam-Diodenlaser von Leister Technologies (Kägiswil, Schweiz): max. 600 W bei 980 nm. Strahl geformt zu 27 mm × 1 mm Linie, fokussiert auf Metallhalter. Laserkopf auf Roboterarm für Bewegung entlang geformter Halteroberfläche. „Unterschiedliche Geschwindigkeiten pro Halterbereich für homogene Fügetemperatur, Reduktion Thermospannung, beste Fügeergebnisse“, sagt Eckstaedt.

Laserschweißen generell: Transmissions- oder Wärmeleitungsfügen. Transmission erfordert lasertransparentes Composite – nicht der Fall beim Organosheet-Laminat des Dachsteifers. Daher Wärmeleitungsfügen: Laser direkt auf Metalloberfläche, Wärme leitet durch Metallbasis zum Composite, schmilzt PA6-Matrix bei 220–300 °C → Fuge. „Wegen hoher Wärmeleitfähigkeit der Stahlhalter breitet sich Laserwärme schnell aus, effizientes Fügen der Seitenhalter“, sagt Voithofer.

Prozessschritte im Detail (8 Steps)

1. TPC-Dachbögen und Metallhalter manuell in Teile-Schublade der FlexHyJoin-Zelle laden. Schublade schließen, Produktion startet.
2. Roboter nimmt Metallsatz, platziert in Strukturierungszelle. Laserschutztür schließt.
3. In Strukturierungszelle: Hochleistungs-Faserlaser erzeugt Hinterschneidungen in Halteroberfläche für Fügezone im Composite-Dachsteifer.
4. Während Halter laserbehandelt werden, nimmt Roboter TPC-Dachbogen aus Schublade, platziert in Fügezelle (rechts von Strukturierungszelle).
5. Roboter zurück zu Strukturierungszelle, nimmt behandelte Halter, platziert strukturierte Seite nach unten auf TPC-Dachbogen.
6. Roboter platziert Klemmeinheiten auf drei Halter. Induktionsfügeeinheit senkt sich auf Mittelhalter. Induktionsspule erhitzt Metallhalter, schmilzt darunterliegende Composite-PA6-Matrix.
7. Während Induktionsschweißen abgeschlossen wird, senkt sich Laserschweißeinheit für linken dann rechten Seitenhalter. Laser erhitzt Metall, schmilzt darunterliegende PA6-Matrix in Hinterschneidungen → hochfeste Fuge.
8. Fertige Hybridstruktur in NDT-Zelle: Lock-In-Thermografie zur Fehlerdetektion. Halogenlampen erwärmen Composite-Oberfläche, IR-Kamera misst Antwort über Zeit. Datenanalyse → visuelle Qualitätsbewertung.

Fügeprozesskontrolle

Grundmethode: Temperatur und Zeit vs. optimierte Parameter aus Tests messen. „Daher Füge-Testmuster mit verschiedenen Parametern, mechanische Tests für jeden Parametersatz mit speziellen Testaufbauten. Für Seitenhalter: Kombination Scher- und Schälversuch; für Mittelhalter: Druckbelastungstest, vergleichbar Lap-Shear, aber Drücken statt Ziehen für Scherlast in Fuge“, sagt Popow. Testaufbauten designed mit EDAG Engineering (Fulda, Deutschland), auch Auswertung. Beste Parametersets identifiziert → Pilotzelle.

„Induktionsschweißen vorab kalibriert“, sagt Weidmann. „Fügetemperatur nach ca. 30 s erreicht, aber In-situ-Messung zur Sicherheit gegen Überhitzung.“ Pyrometer misst bekannten Hotspot in Induktionszone. „Aber keine akkuraten Messungen beim Laserschweißen wegen hohem bestrahltem Licht/Wärme in-situ.“ Kontaktsensoren auf Composite-Seite der Laserschweißzonen möglich, aber nicht für Induktion (metallisch → würden sich induktiv erhitzen, Messung verfälschen).

„Beheizte Bereiche aller Fugen auch von Presswerkzeug und Klemmvorrichtungen abgedeckt“, notiert Weidmann. „Validierte Dickenänderung durch Druck und Wärme vor/nach Fügen als QA-Methode.“ Dickenänderung per Distanzsensor im Positionierwerkzeug für Dachsteifer (auch Abb. 3). „Beim Zusammenpressen bewegt sich Distanzsensor. Bei Wärme und Fügdruck fließt geschmolzene Matrix in Laserstrukturkavitäten und wird leicht aus Fuge gequetscht bis Abkühlung → Dickenänderung geloggt.“ IVW-Team korrelierte Distanz mit Teilequalität. „Dickenänderung > 0,1 mm → Fugenqualität gut.“

Inline NDT: Lock-In-Thermografie

IVW entwickelte weitere QA-Methode: Inline-Thermografie. „Hauptziel: Eigenschaften in Fuge sehen. Aber schwierig, also Thermografie auf Composite-Seite der Fugen nach Fertigstellung.“

IVW wählte aktives Thermografieverfahren Lock-In-Thermografie – besseres Signal-Rausch-Verhältnis als andere aktive Methoden (z. B. Pulse Phase Thermografie), tiefere Defekte inspizierbar. „Grundidee: Wärme in Composite einbringen, leitet in Fuge und zurück zur Oberfläche. Lock-In: Komponente mit definierter Frequenz über mehrere Perioden anregen. Antwort über Zeit analysieren. Inhomogene Bereiche zwischen Composite-Oberfläche und Fuge (Lunker/Defekte) zeigen sich in thermischer Antwort.“

Thermische Antwort als Bild erfasst. Pixel = Messpunkte. Temperatursignal jedes Pixels über gesamten Inspektionsbereich analysiert. „Resultat: Amplituden- und Phaseninfo pro Pixel, Software rekonstruiert zu Bild für visuelle Inspektion“, ergänzt Popow. Auch große Messdatensätze für 126 getestete Teile. „NDT-Ergebnisse mit mechanischen Testergebnissen von EDAG korreliert“, sagt Popow. Team testete Fugenbereich auch nach Halterentfernung – zerstörende Prüfung. „Drei Testsets korreliert → niedrig- vs. hochfeste Fugenbereiche aus visueller Thermografie-Analyse identifizierbar.“

Integrierte Zelle für Massenproduktion

Eine der größten FlexHyJoin-Leistungen, so Weidmann: Integration aller Technologieeinheiten (jeweils von verschiedenen Partnern entwickelt) in automatisierte, optimierte Produktionslinie. Voithofer (Integration bei Fill): „Jede gelieferte Ausrüstung nutzte anderen Controller. Musste Master-PLC entwickeln für alle Prozesseinheiten.“ Inkl. Laserkabinen und Handling-Roboter (von Fill). „Auch schwierig: alle Prozessschritte zusammenarbeiten zu lassen, da sie unterschiedliche Zeiten brauchen.“

Voithofer entwickelte Architektur für jede Prozesseinheit und Roboter, Positionierung für besten Flow. „Konzept: drei Stationen – Strukturierung, Fügen, NDT – modular in drei separaten Gehäusen. So einzelne Einheiten für Messen/andere Demos entnehmbar und zurückführbar. Zelle modular, doch integriert.“

Fill's jahrzehntelange Erfahrung in Systemintegration für serielle Composite-Produktion half, was Popow als FlexHyJoin's größte Leistung sieht: Labor- zu Industriemaßstab. „Wir sind erstes Konsortium, das einen solchen Prozess realisiert, geeignet für Massenproduktion von Composites-zu-Metall-Fügen“, sagt er. „Prozess nutzbar für viele Autoteile: Stabilisatorstreben, Stoßfänger, Türen“, notiert Voithofer. „Viele Composite-Teile verbinden sich in leichtem BIW mit Metallteilen.“

Anpassung für多个行业

Einige Änderungen vor Serieneinsatz nötig: „Laserstrukturierung und Fügen nicht mehr in separaten Gehäusen, sondern kombiniert“, sagt Voithofer. „Entfällt Öffnen/Schließen von Kabinentüren → Zykluszeitreduktion.“ Alle Stationen linear auf Förderband: kontinuierlicher Lauf, Teile pro Station auf/ab Förderband, Ausgang bereit für BIW-Montage. Weiter Zykluszeitreduktion. Erweiterte Schubladen für hunderte Teile → ganze Schichten ohne Nachschub.

Obwohl Pilotzelle für Automobilindustrie gezielt, leicht anpassbar für Luftfahrt, Sport/Konsumgüter, Industrie. „Das war Hauptguideline“, sagt Weidmann. „Muss verschiedene Geometrien und Teile fügen können. Einzige Änderungen: Induktionskonsolidierungswerkzeug, Klemmvorrichtungen Laserschweißen, Support-Tooling. Hauptzellenbestandteile bleiben gleich.“ IVW demonstrierte auch hybrides Fügen von Titan und Stahl an Gewebe-Carbon-Fiber/PPS-Organosheet-Composites; entwickelt nun PEEK- und PEKK-Demos. „Einfach Anpassung Fügeprozesse für höhere Temperaturen und Neudefinition optimaler Parameter.“ Zelle offen für Vielfalt Materialien: Aluminium, Kupfer, andere Thermoplast-Composite-Matrixsysteme (Polypropylen, Polyethylen).

„Projektpartner haben gut zusammengearbeitet und sind begeistert, weiterzuentwickeln“, notiert Weidmann. „Wir denken, diese Produktionsart ist sehr vielversprechend, und die Industrie-Resonanz zeigt, dass diverse Unternehmen dieses Potenzial sehen.“