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Kunststofftechnik Paderborn

Neue Fügetechniken für neue Materialkombinationen

Das Institut für Kunststofftechnik (KTP) der Universität Paderborn entwickelt neuartige Fügetechniken für Organoblech-Metall-Hybridverbindungen. Davon profitiert die Automobilindustrie, da der Faserkunststoff sich ähnlich verarbeiten lässt wie Metallbleche. Prof. Dr.-Ing. Elmar Moritzer; Dimitri Krassmann, M. Sc., über den Stand der Entwicklung. 

Neue Fügetechniken für neue Materialkombinationen

Foto: pixabay

Eines der wichtigsten Langzeitprojekte der Automobilindustrie ist die Verringerung der CO2-Emissionen aufgrund der Forderungen der Gesetzgebung zum Schutz unserer Umwelt. Daher sind die Automobilbauer angehalten, bei ihren Fahrzeugen auf Leichtbauweisen zu setzen und neue Materialkombinationen zu erproben wie etwa den Einsatz von Organoblech mit Stahl- und Aluminiumbauteilen. Dieser plattenförmige Faserverbundkunststoff (FVK) kann relativ kostengünstig hergestellt werden und lässt sich im erwärmten Zustand ähnlich wie Metallbleche verarbeiten.
Entscheidend für die Akzeptanz von neuen Werkstoffen und Bauweisen in der Automobilindustrie ist weiterhin die Verfügbarkeit von kostengünstigen und prozesssicheren Verbindungstechniken zum Fügen der unterschiedlichen Werkstoffe. Der Fokus liegt auf der Sicherstellung geforderter mechanischer Eigenschaften der Verbindungen über die gesamte Fahrzeuglebensdauer, was wiederum maßgeblich die Wahl eines geeigneten Fügeverfahrens beeinflusst.
Üblicherweise eingesetzte punktförmige Verbindungen wie Schrauben, Nieten oder Clinchen verursachen bei Organoblechen erhebliche Spannungskonzentrationen an der Verbindungsstelle und führen zu einer Reduzierung der Tragfähigkeit. Speziell bei Organoblech-Metall-Hybridverbindungen ist das Organoblech in der Regel die versagensrelevante Struktur. Vor allem spanendes Bohren, wie auch das Stanzen von Verbindungselementen mit Schneidanteil, verursachen unerwünschte Faser- und Zwischenfaserbrüche an der Fügestelle im Organoblech. Folglich wird der Kraftfluss in den Verstärkungsfasern abrupt unterbrochen und das hohe Werkstoffpotenzial dieses Werkstoffes nur geringfügig ausgeschöpft. Zusätzlich erfordern übliche Verbindungssysteme oftmals verfahrensbedingte Hilfsfügeelemente, die die Bauteilmasse erhöhen und den Fügevorgang komplexer machen. Für eine Steigerung der Ausnutzung des Leichtbaupotenzials sollte daher eine dem Organoblech angepasste Verbindungstechnik bereitgestellt werden.

Die Entwicklung von neuartigen Nietverfahren für Organoblech-Metall-Hybridverbindungen im Bereich der Kunststofftechnologie an der Universität Paderborn wirkt dem beschriebenen Zustand entgegen und nutzt das Leichtbaupotenzial deutlicher aus. Das Prinzip der beiden entstandenen Nietverfahren beruht auf der Umformung des Organoblechs zur Ausbildung eines Formschlusses zwischen den beiden Fügepartnern. Ein Umformen des metallischen Fügepartners ist nicht notwendig und entfällt.
Bei dem „Stempelnieten“ wird das Organoblech zunächst im Fügebereich erwärmt und anschließend durch den vorgelochten, metallischen Fügepartner mittels eines niederfahrenden Stempels durchgesetzt. Dabei wird ein Nietkopf erzeugt. Aufgrund eines definierten Schnittes im Organoblech werden die Fasern beim Fügen kontrolliert in den Nietkopf umgelenkt und „haken“ sich formschlüssig am metallischen Fügepartner ein.
Bei dem zweiten Fügeverfahren handelt es sich um eine Variante des „Spritznietens“. Es wird direkt im Spritzgießprozess durchgeführt. Auch hier wird zu Beginn das Organoblech erwärmt, jedoch diesmal vollständig. Danach erfolgt das Einlegen und Fixieren im offenen Spritzgießwerkzeug. Der metallische Fügepartner wird zeitlich parallel eingelegt. Nach dem Schließen des Werkzeugs wird durch den anschließenden Einspritzstrom, der zum Fügebereich geführt wird, das Organoblech durchgespritzt. Die Kunststoffschmelze drückt dabei das Organoblech durch das Metallblech hindurch und bildet rückseitig einen Nietkopf aus. Die Faserlagen werden dabei in den Nietkopf eingezogen und erzeugen einen formschlüssigen Verbund.
Dieses Verfahren eignet sich besonders gut für dünne Organobleche (1-3 mm), sodass eine mögliche Anwendung zu hybriden Strukturbauteilen in der Automobilindustrie führt (Beispiel: Automobil-Frontend-Module). Zur Qualifizierung und Auslegung der Verbindungstechniken werden zunächst Aussagen zur Betriebsfestigkeit benötigt. Resultierend wird im Rahmen von Forschungsprojekten an der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) der Universität Paderborn das statische und dynamische Langzeitverhalten der entsprechenden Verbindungen untersucht und charakterisiert.

Bei den Projekten handelt es sich um die IGF-Vorhaben 18586 N und 19796 N der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS. Über die AiF besteht eine Förderung vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Die Forschungsprojekte sind bereits gestartet und werden jeweils durch einen projektbegleitenden Ausschuss von Industrievertretern von Unternehmen u.a. aus OWL unterstützt. 

Weitere Informationen: www.ktpweb.de