UMFORMtechnik (Blech)

 
 
   

Hybridbauteile: Das Beste aus zwei Welten

Metall und Kunststoff als Konkurrenten in der industriellen Teileproduktion? Das war einmal. Heute gelingt es den Herstellern von Hybridbauteilen durch den Einsatz von moderner Verarbeitungs- und Montagetechnik, die Stärken beider Materialien zu kombinieren.

Der Grund für die Kombination zweier Materialien und die gemeinsame Verarbeitung liegt auf der Hand: Das Verbundsystem beziehungsweise Hybrid soll Eigenschaften haben, welche das jeweils einzelne Material nicht aufweist. Letztendlich geht es darum, Innovationen für technisch anspruchsvolle Teile- und Fertigungskonzepte zu generieren. Die Anwendungen für Metall-Kunststoff-Verbundsysteme sind bekannt: Sie werden vorwiegend in der Automobilbranche, in der Kommunikations- sowie in der Elektrotechnik eingesetzt. Doch sie kommen auch überall dort zum Einsatz, wo ein geringes Gewicht für geringe Betriebskosten sorgt: im Flugzeug- und Schiffbau sowie in der Raumfahrt. Kunststoffe wurden aus sicherheitstechnischen Gründen und wegen ihrer mechanischen Eigenschaften in der Vergangenheit nur selten in der Automobilindustrie eingesetzt. Die Trends zur Miniaturisierung und zur Gewichtseinsparung haben zur Entwicklung neuer faserverstärkter Kunststoffe geführt, die bei wesentlich geringerem Gewicht eine hohe Stabilität aufweisen.


Alle Materialien und Techniken im Blick

Die Anforderungen an Kunststoff-Metall-Hybridbauteile werden hinsichtlich ihrer geometrischer Komplexität und dreidimensionalen Maßhaltigkeit anspruchsvoller. Hier stoßen die Umformprozesse für die Bleche als auch die Spritzgussprozesse im Verfahrensverbund an ihre Grenzen. Doch wer die hybride Wertschöpfungskette beherrschen will, muss Fachmann in mehreren Welten sein. Und so sind den Metall-, Kunststoff- und Keramikexperten die Anlagen für Kunststoffspritzgießen genauso bekannt, wie die Anlagen für Stanz-, Umform- und Biegeprozesse. Denn die Entwicklung und Herstellung multifunktionaler Bauteile aus Materialkombinationen erfordert komplexe Material- und Fertigungskenntnisse. Im konkreten Fall bedeutet das also, das Verzugsverhalten der Verbundbauteile genauso zu betrachten wie das Integrationspotential durch die Verlagerung von Stanz- und Umformoperationen auf die Spritzgussmaschine.


Intelligente Mischbauweisen erfordern innovative Fügekonzepte

Ein Knackpunkt in der Fertigung hyb­rider Bauteile ist die Fügetechnik. Etablierte Fügeverfahren sind hier beispielsweise Vernieten, Verkleben oder eine Kombination beider Verfahren. Obwohl durch diese Techniken eine sehr gute Verbindung erzielt werden kann, sind die hohen Fertigungskosten ein Nachteil. Eine Projektgruppe des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT beschäftigt sich vor diesem Hintergrund beispielsweise mit der Entwicklung neuer Fügeverfahren für hybride Bauteile, basierend auf innovativen dreidimensionalen Verbindungselementen. Ziel der Arbeiten ist es, so die Fraunhofer-Forscher, die Geometrie der Verbindungselemente im Hinblick auf eine robuste Fertigung als auch auf eine hohe Festigkeit zu optimieren. In numerischen Simulationen und in Versuche sollen so eine Verbindungstechnik beziehungsweise ein FVK-Metall-Hybridbauteil mit höherer Schadenstoleranz bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion und geringen Fertigungskosten gefunden werden. Hohe Schadenstoleranz heißt Minimierung von Spannungs-Inhomogenitäten, Faserriss oder Lochleibung.

Die klassischen Materialien im Leichtbau sind neben Aluminium, hochfesten Stählen, Magnesium und Titan vor allem faserverstärkte Kunststoffe (FVK). Die Nachfrage nach diesen Komponenten ist weltweit stark gestiegen. Sie bestehen aus einer organischen Matrix, die entweder mit Kohlenstofffasern (CFK) oder mit Glasfasern (GFK) verstärkt ist. Doch noch ist die Bauteilefertigung mit langen Zykluszeiten und einem geringen Automatisierungsgrad verbunden.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung wirtschaftliche Fertigungsverfahren, welche die Nutzbarkeit von Leichtbauteilen im Massenmarkt deutlich steigern sollen. So haben sich das EU-Projekt „FibreChain“ und das BMBF-geförderte Projekt „InProLight“ zum Ziel gesetzt, unterschiedliche integrative Prozessketten von Speziallösungen bis hin zur großserientauglichen Produktion thermoplastischer FVK-Bauteile zu entwickeln. Das Fraunhofer ILT übernimmt hierbei die Aufgabe, das Fügen und Schneiden der Bauteile zu optimieren.

Ausgehend vom Rohmaterial wird beispielsweise ein Verfahren zum strukturellen Fügen der Leichtbaukomponente entwickelt. Bislang wurden die Bauteile durch Kleben oder Nieten verbunden. Doch die beiden konventionellen Verfahren benötigen eine Reihe von Vorverarbeitungsschritten, sind teuer und mit langen Prozesszeiten verbunden.


Fügen und Schneiden von Hybridbauteilen mit dem Laser

Um diese Nachteile zu umgehen, verbinden die Wissenschaftler um Andreas Rösner die Komponenten mit dem Laser, einem Verfahren, bei dem die Energie direkt in die Fügezone eingebracht wird und das mit einem Minimum an Bearbeitungszeit einhergeht. „Mit diesem Verfahren lassen sich sowohl komplexe Bauteile aus Einzelteilen herstellen als auch lastangepasste Strukturen durch selektive Versteifungen erzeugen. Eine Erweiterung stellt hierbei auch das Fügen von Kunststoff mit Metall dar, das in einem speziellen zweistufigen Verfahren mit Laserstrahlung realisiert werden konnte“. Rösner strukturiert das metallische Bauteil mittels Laserstrahlung und erwärmt es in einem zweiten Schritt durch Bestrahlung mit einem Diodenlaser. Der über Wärmeleitung erweichte Kunststoff dringt dann in diese Strukturen ein und verkrallt sich mit dem Metall. Das Schneiden von FVK-Bauteilen und Kunststoff-Metall-Verbindungen ist ein weiterer zentraler Aspekt. Bisherige Laserschneidtechniken erzielen aufgrund einer zu großen Wärmeeinflusszone oft ein unsauberes Bearbeitungsergebnis. Die Fraunhofer-Wissenschaftler um Frank Schneider entwickeln neue Schneidverfahren unter anderem mit einem innovativen Kurzpuls-C02-Laser. Die thermische Schädigung des Materials kann, so die Forscher, durch den geringen Wärmeeintrag des Lasers erheblich reduziert werden.

Mit Hochleistungs-Ultrakurzpuls­lasern können thermische Schäden nahezu vollständig eliminiert werden. „Bei Leistungen bis 500W können mit diesen Lasern wirtschaftliche Prozessschritte auch an hochempfindlichen Werkstoffkombinationen der Luft- und Raumfahrt umgesetzt werden“. Industrie und Forschung sind sich einig: Die Herstellung von FVK-Bauteilen soll deutlich vereinfacht werden, automatisierbar und vor allem schnell und kosteneffizient sein. Am Beispiel einer Autositzlehne der Firma Weber haben die Fraunhofer-Wissenschaftler bereits erfolgreich demonstriert, dass die eingesetzten Laserschweiß- und Schneidverfahren entscheidend dazu beitragen.


Haftvermittlersystem für stoffschlüssige Verbindung

Einen anderen Ansatz für die kosteneffiziente Herstellung von Hybridbauteilen verfolgt das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen. In Zusammenarbeit mit Partnern aus Industrie und Forschung erforscht es den Einsatz eines neuartigen Haftvermittlersystems für hybride Spritzgussbauteile. Üblicherweise werden die Werkstoffe Metall und Kunststoff durch einen Formschluss miteinander verbunden, der durch spritzgegossene Niete und/oder durch Kantenumspritzung erzielt wird. Ziel des Forschungsprojekts mit dem Namen „Hylight“ ist es, diesen Formschluss durch eine stoffschlüssige Verbindung zu ergänzen oder gar vollständig zu ersetzen. Das Zusammenspiel des hybriden Werkstoffverbunds bei hochbelasteten Strukturbauteilen soll dadurch weiter optimiert werden.

Die stoffschlüssige Verbindung wird dabei durch eine Haftvermittlerschicht erreicht, die noch vor der Metallumformung und dem Spritzgießprozess im Coil-Coating-Verfahren auf die Metallkomponente aufgebracht wird. Die angestrebte Optimierung soll erreicht werden, indem das mechanische Verhalten der Haftvermittlerschicht und der beteiligten Werkstoffe möglichst genau in einer Struktursimulation abgebildet wird. Zur Ermittlung von Kennwerten insbesondere für die Haftvermittlerschicht wurde am IKV ein spezieller Rohrprüfkörper entwickelt, bei dem die Kunststoffkomponente auf ein metallisches Blech aufgespritzt wird. Anhand dieses Prüfkörpers können Materialkennwerte des Verbunds sowohl für Zug- als auch für Schubbelastung ermittelt werden. Diese dienen dann als Grundlage zur Kalibrierung von numerischen Modellen zur simulativen Auslegung der stoffschlüssigen Hybridbauteile. Die aufgestellten Modellierungsansätze werden an Bauteilversuchen validiert, unter anderem an dem als Standardhybridbauteil etablierten „Erlanger Träger“. Auf diese Weise kann die Konstruktion eines realen Frontends optimiert und virtuell ausgelegt werden. Durch die Auslegung von stoffschlüssigen Hybridverbunden mithilfe der Struktursimulation können so Anwendungen zur Serienreife gebracht werden, die bei gleicher Leistungsfähigkeit das Fahrzeuggewicht weiter senken. An dem vom BMBF geförderten Projekt sind die Firmen Evonik, Ford, Hühoco, Kirchhoff Automotive, Lanxess und Montaplast sowie der Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT) an der Universität Erlangen als Projektpartner beteiligt.


Material-, Funktions- und Anlagenkombinationen

Noch eilt die Theorie der Praxis vo­raus. Noch werden Fertigungsverfahren und -techniken entwickelt und optimiert und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen durchgeführt. Doch eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen belegt, dass dem Mix aus verschiedenen Materialien im Leichtbau die Zukunft gehört. Aus Gewichts- und Funktionsgründen.

Unternehmen wie Schuler, Dieffenbacher, Diehl, Härter und viele andere haben auf diesem Feld bereits Fuß gefasst. Aus veredelten Präzisionsstanzteilen stellt Diehl Metal Applications beispielsweise Metall-Kunststoff-Verbundsysteme für elektronische und elektrotechnische Anwendungen her. Allein über 20 Millionen Stanzgitter für die ABS-, ESP- und Getriebesteuerungstechnik verlassen jährlich den Standort Zehdenick.

Bereits 1998 entwickelte der Schuler-Konzern die ersten Pressen zur Verarbeitung von kohlefaserverstärktem Kunststoff. Auch Dieffenbacher ist in diesem Segment aktiv und fertigt für Automobilhersteller Anlagentechnik für die Serienfertigung von CFK-Bauteilen. Die hohen Standards der Medizintechnik erfüllen die von Härter gefertigten Produkte – sie finden in zahlreichen medizinischen Anwendungen ihren Einsatz, wie beispielsweise im Bereich Diagnostik, wo Metall-Kunststoff-Komponenten für Blutzuckermessgeräte hergestellt werden. Prof. Dr. -Ing. Matthias Golle, Stiftungsprofessur für Stanztechnik an der Hochschule Pforzheim, sieht die Entwicklungstendenz für Hybridbauteile positiv: „Hybride Bauteile werden ihren Siegeszug weiter fortsetzen. Die Potenziale maßgeschneiderter, multifunktionaler Eigenschaften von hybriden Bauteilen, die sich aus dem intelligenten Verbund verschiedener Werkstoffe ergeben, werden zunehmend auch außerhalb des Automotivsektors erkannt.“

Annedore Munde

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT

http://www.ict.fraunhofer.de

Institut für Kunststoffverarbeitung RWTH Aaachen

http://www.ikv-aachen.de

Dieffenbacher GmbH

http://www.dieffenbacher.de

Härter GmbH

http://www.haerter.com

Fraunhofer ILT

http://www.ilt.fraunhofer.de

EuroBlech Halle 11, Stand B06

Schuler AG

http://www.schulergroup.com

EuroBlech Halle 27, Stand B40

Diehl Metall Stiftung & Co KG

http://www.diehl.com

EuroBlech Halle 27, Stand E15

Mit dem Laserstrahlschweißen lassen sich sowohl hybride Bauteile aus Einzelteilen herstellen als auch lastangepasste Strukturen durch selektive Versteifungen erzeugen.
Andreas Rösner

Hybride Bauteile werden ihren Siegeszug weiter fortsetzen.
Prof. Dr. -Ing. Matthias Golle


Vorteile von Hybridbauteilen

Integration neuer Funktionalitäten

Optimierter Materialeinsatz

Elektrische Leitfähigkeit (Stanzteile)

Elektrische Isolierfähigkeit (Kunststoff)

Haltefunktionen (Gitter, Rahmen, Gerüst)

Dichtheit der Teile (außen, innen)

Gewichtseinsparung

Wirtschaftlichkeit durch integrierte Fertigungsverfahren