Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

TUM-Forscher optimieren Fügetechniken für Leichtbauwerkstoff

27.01.2016

Ob in der Automobilindustrie, im Flugzeugbau oder in der Raumfahrt: Weniger ist mehr, wenn es um das Gewicht geht. Materialien wie faserverstärkte Kunststoffe und Leichtmetalle bieten die Möglichkeit, Bauteile mit geringerer Masse herzustellen. Eine Herausforderung dabei ist die feste Verbindung der verschiedenen Materialien. Forscher der TU München arbeiten daran, diese Fügetechniken zu optimieren. Unter anderen untersuchen sie die Effizienz der Strukturierung der Metall-Oberfläche durch Laserstrahlung.

Der Leichtbau birgt ein großes Potenzial für die Industrie. Autos und Flugzeuge verbrauchen weniger Kraftstoff, wenn sie leichter sind, und haben daher auch einen geringeren CO2-Ausstoß. Bei Elektroautos ist das Gewicht besonders entscheidend: Je leichter das Auto, desto größer die Reichweite, die mit einer Batterieladung möglich ist.


André Heckert, wissenschaftlicher Mitarbeiter am iwb, positioniert den Laser für die Bearbeitung des Metalls für das Fügen von Metall- Kunststoff-Verbindungen.

Ulrich Benz / TUM

Neben Leichtmetallen wie Aluminium werden zunehmend faserverstärkte Kunststoffe genutzt. Dabei ist es wichtig, das jeweilige Material an der richtigen Stelle einzusetzen. Metalle etwa werden dort benötigt, wo hohe Druckfestigkeit und geringe Elastizität gefordert sind – also zum Beispiel bei Schraubverbindungen. So kommt es bei komplexen Produkten wie dem Automobil zum Einsatz beider Werkstoffe und demensprechend zu Mischverbindungen aus Kunststoff und Metall.

Alternative zu Kleber und Schrauben

Die Herausforderung besteht darin, Kunststoff- und Metallkomponenten möglichst effizient, schnell und stabil zu fügen, also fest miteinander zu verbinden. Bisher wurden die Werkstoffe vor allem durch Klebstoffe gefügt, erklärt Alexander Fuchs vom Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der TUM (iwb). Doch dieser Prozess ist aufwändig. Zunächst muss der Klebstoff dosiert und aufgetragen werden. Während der Klebstoff aushärtet, müssen die Komponenten, die geklebt werden, fixiert sein.

Auch die Verbindung der Werkstoffe mithilfe von Schrauben und Nieten hat Nachteile. Denn durch das zusätzliche Material der Verbindungselemente nimmt die Masse der Bauteile zu. Es besteht außerdem die Gefahr, dass die Bohrungen die Struktur schädigen und somit die Festigkeit des faserverstärkten Kunststoffs vermindern.

Oberflächenbehandlung durch Laser

Am iwb wird an Verfahren gearbeitet, mit denen sich Metalle und thermoplastische, also schmelzbare Kunststoffe mithilfe von Wärme hochfest ineinanderfügen lassen. Dafür wird zunächst die Oberfläche des Metalls durch Laserstrahlung strukturiert und mit kleinen Hohlräumen versehen.

André Heckert, wissenschaftlicher Mitarbeiter am iwb, untersucht unter anderem, wie verschiedene Laser-Oberflächenbehandlungen die Festigkeit des Kunststoff-Metall-Verbundes beeinflussen. Durch die Laserstrahlung können Strukturen im Bereich von Nanometern bis einigen Millimetern Höhe erzeugt werden.

"Welche Oberflächenstruktur die besten Verbundeigenschaften ermöglicht, hängt von den eingesetzten Werkstoffen ab", erklärt Heckert. Er fand heraus, dass ein Rillenmuster von einigen Zehntelmillimetern Tiefe besonders bei Kunststoffen geeignet ist, die mit Kurzfasern verstärkt sind.
Feine Oberflächenstrukturen, die durch den Einsatz von gepulsten Lasersystemen generiert werden, sind hingegen besonders effektiv bei sogenannten endlosfaserverstärkten Kunststoffen.

Kurz und schmerzlos: Fügen durch Nanofolien

Nach der Strukturierung mit dem Laser werden Metall und Kunststoff zusammengepresst. Das Metall wird in diesem Zustand erhitzt, bis der Kunststoff schmilzt und die Hohlräume füllt. Nach dem Abkühlen ist eine stabile Verbindung entstanden.

Um die für das Fügen nötige Hitze zu erzeugen nutzen die Wissenschaftler drei unterschiedliche Verfahren.

Durch Laserstrahlung kann auch die nötige Wärme erzeugt werden, um den Kunststoff zum Schmelzen zu bringen. Beim sogenannten Reibpressfügen wird die Wärmeenergie in Form von Reibung erzeugt. Ein zylindrisches Werkzeug rotiert dazu unter definiertem Druck auf der Metalloberfläche.

Eine komplett andere Methode ist das sehr schnelle Fügung ist mithilfe von Nanofolien. Nanofolien erzeugen bei Zündung punktuell sehr hohe Temperaturen von 1000 bis 1500 °C. Diese Hitze wird genutzt, um den Kunststoff und das Metall miteinander zu verbinden. Mit dieser Technologie können zum Beispiel metallische Kabelhalter über eine thermoplastische Zwischenschicht in kürzester Zeit an den Rumpf von Flugzeugen gefügt werden.

Kontakt:

Tanja Mayer
Technische Universität München
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
Tel.: +49 (0)89 289 155 51
Tanja.Mayer@iwb.tum.de
http://www.iwb.tum.de

André Heckert
Technische Universität München
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb)
Tel.: +49 (0)89 289 155 89
E-Mail: Andre.Heckert@iwb.tum.de

www.iwb.tum.de

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht CAU-Forschungsteam entwickelt neues Verbundmaterial aus Kohlenstoffnanoröhren
22.11.2017 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Material mit vielversprechenden Eigenschaften
22.11.2017 | Universität Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Kinderanästhesie aktuell: Symposium für Ärzte und Pflegekräfte

23.11.2017 | Veranstaltungen

IfBB bei 12th European Bioplastics Conference mit dabei: neue Marktzahlen, neue Forschungsthemen

22.11.2017 | Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

22.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Kinderanästhesie aktuell: Symposium für Ärzte und Pflegekräfte

23.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Seminar „Leichtbau im Automobil- und Maschinenbau“ im Haus der Technik Berlin am 16. - 17. Januar 2018

23.11.2017 | Seminare Workshops

Biohausbau-Unternehmen Baufritz erhält von „ Capital“ die Auszeichnung „Beste Ausbilder Deutschlands“

23.11.2017 | Unternehmensmeldung