EU-Projekt ComMUnion: Kosteneffiziente Fertigung von Hybrid-Metall-Polymer-Verbunden für leichte Mobilität

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach leichteren Komponenten für Anwendungen in der Mobilität und im Transport stark gestiegen, getrieben von der Notwendigkeit, Gewicht und damit Energie und Ressourcen einzusparen.

Hybridbauteile aus Stahl, die lokal mit faserverstärkten Kunststoffen funktionalisiert werden, vereinen hohe mechanische Leistung mit geringem Gewicht. Die Nachfrage nach Fertigungsverfahren, die eine kosteneffiziente Massenproduktion solcher Strukturen ermöglichen, wächst rasant. Im EU-Forschungsprojekt „ComMUnion“ arbeiten die beiden Aachener Fraunhofer-Institute – das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) – gemeinsam mit 14 Partnern aus Industrie, Forschung und Wissenschaft an der Entwicklung industrieller Prozesse und Lösungen für den hybriden Leichtbau. Dabei werden Metall und polymerbasierte Verbundwerkstoffe für Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie kombiniert.

Der neue hybride Fertigungsprozess basiert auf einer Kombination aus Laseroberflächenstrukturierung und laserunterstütztem Bandlegen. Zunächst werden die Bauteile mit dem Laser vorbearbeitet, um eine speziell entwickelte, präzise definierte raue Oberflächenstruktur zu erzeugen. Diese strukturierte Oberfläche ermöglicht es, die kontinuierlich faserverstärkten thermoplastischen Leichtbaumaterialien, die später zur Versteifung dienen, direkt mit dem Stahlbauteil zu verbinden. Die Verbindung erfolgt rein mechanisch, sodass keine zusätzlichen Vorbehandlungsschritte oder Haftvermittler wie Klebstoffe oder Bonding-Agenten erforderlich sind.

Die Versteifungselemente bestehen aus faserverstärkten Thermoplasten, die speziell an die erwarteten Lasten angepasst sind und mittels eines Bandlegeprozesses mit dem Bauteil verbunden werden. Der Laser erhitzt die thermoplastischen Bänder lokal im Fügebereich zum Stahl. Das Matrixmaterial schmilzt und fließt in die lasergestrukturierten Kavitäten. Nach dem Erstarren der Schmelze haftet das Band mit den eingebetteten unidirektionalen Fasern auf der aufgerauten Oberfläche des Stahlteils.

Kombiniertes Verfahren, geeignet für die Serienfertigung

Der Vorteil der Kombination dieser beiden Laserprozesse kommt besonders dann zum Tragen, wenn die mechanischen Eigenschaften des Bauteils lokal verbessert werden sollen, ohne dessen Gewicht signifikant zu erhöhen. Das Verfahren eignet sich besonders für die Massenproduktion, da nach dem Bandlegen keine weiteren Nachbearbeitungsschritte wie Aushärtungsprozesse zur Konsolidierung des Materials nötig sind. Zudem reduziert die präzise, lokal begrenzte Erwärmung Verzug und Eigenspannungen beim Fügen der beiden Werkstoffe. Der am Fraunhofer ILT entwickelte Laseroberflächenstrukturierungsprozess kann zudem reproduzierbar genau an den Stellen auf der Metalloberfläche angewendet werden, an denen die Strukturen benötigt werden. Darüber hinaus unterliegt der Laser keinem Werkzeugverschleiß.

Erstes hybrides Karosserieteil als Demonstrator fertiggestellt

Die Forschungspartner haben nun einen ersten Demonstrator aus hochfestem Stahl und unidirektional faserverstärktem Thermoplastband fertiggestellt, um die Anwendbarkeit des Verfahrens als Proof-of-Concept zu validieren: Die beiden Fraunhofer-Forscher Kira van der Straeten (Fraunhofer ILT) und Tido Peters (Fraunhofer IPT) fertigten ein hybrides, leichtes Schwellerpaneel – ein Karosseriebauteil für die Automobilindustrie – um die Funktionalität der Prozesskombination im Rahmen des ComMUnion-Projekts zu testen und zu beweisen.

Die Projektpartner präsentierten das Bauteil den Fachbesuchern auf der Leichtbau-Messe JEC World vom 12. bis 14. März 2019 in Paris auf dem „Composites in Action Area“, organisiert von AZL.

Das „ComMUnion“-Projekt wird durch das Horizon-2020-Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union unter der Grant Agreement Nr. 680567 gefördert.

Teil eines hybriden automobilen Schwellerpaneels, lokal funktionalisiert mittels laserunterstütztem Bandlegen. Quelle | ComMUnion Fraunhofer IPT

Europäische Partner des ComMUnion-Forschungsprojekts

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

Für weitere Informationen kontaktieren Sie:

kira.van.der.straeten@ilt.fraunhofer.de oder malena.schulz@ipt.fraunhofer.de

Dieser Beitrag stammt aus der Medienpartnerschaft von CompositesWorld und AZL Aachen GmbH.