Hybride Karosseriebauteile aus Stahl und faserverstärkten Kunststoffen

Anwendungen in Mobilität und Transport verlangen heute immer öfter nach Leichtbauteilen, um Gewicht und damit Energie und Ressourcen einzusparen. Hybride Bauteile aus Stahl, lokal funktionalisiert durch Faserverbundkunststoffe, kombinieren diese hohe mechanische Belastbarkeit mit optimaler Masse. Der Bedarf an großserientauglichen Fertigungsverfahren, die solche Bauteile kosteneffizient herstellen können, wächst.

Im EU-Forschungsprojekt ComMUnion entwickeln die beiden Aachener Fraunhofer-Institute für Produktionstechnologie IPT und für Lasertechnik ILT gemeinsam mit 14 weiteren Partnern aus Industrie und Forschung solche industriellen Prozesse für den hybriden Leichtbau aus Metall und Faserverbundkunststoffen für die Automobil- und Luftfahrtbranche. Das neue hybride Fertigungsverfahren setzt auf eine Kombination von Laserstrukturieren und laserunterstütztem Tapelegen: Dafür werden die Metallbauteile zunächst mit dem Laser vorbearbeitet und mit einer speziell entwickelten und genau definierten rauen Oberflächenstruktur versehen. Durch die Strukturierung lassen sich die Leichtbauelemente, die später zur Verstärkung dienen sollen, direkt mechanisch auf das Stahlbauteil fügen, ohne dass weitere Mittel zur Verbindung eingesetzt werden müssen.

Die Verstärkungen aus thermoplastischem Faserverbundkunststoff, die gezielt an die zu erwartenden Belastungen angepasst sind, werden durch das automatisierte Tapelege-Verfahren auf das Bauteil aufgebracht. Dazu erwärmt der Laser die aufgelegten faserverstärkten Tapes lokal unmittelbar vor der Fügezone auf dem Metall, sodass das Matrixmaterial schmilzt. Es dringt dadurch in die Oberflächenstrukturen ein und bewirkt, dass die Tapes mit den eingebetteten Fasern auf der aufgerauten Oberfläche des Stahlbauteils haften.

Kombiniertes Verfahren, geeignet für die Großserie

Die Kombination dieser beiden Laserverfahren, zur Strukturierung und zur Erwärmung, spielt ihre Vorteile genau dann aus, wenn die mechanischen Eigenschaften des Bauteils lokal verbessert werden sollen, ohne dass das Bauteilgewicht dabei deutlich steigt. Der Prozess eignet sich besonders für die Großserienfertigung, da nach dem Ablegen der thermoplastischen Tapes keine weiteren Nachbearbeitungsschritte zur Konsolidierung des Werkstoffs erforderlich sind. Die punktgenaue, lokale Erwärmung verringert darüber hinaus den Verzug und die Eigenspannungen beim Fügen der beiden unterschiedlichen Materialien. Die Strukturierung mit dem Laser, eingesetzt durch das Fraunhofer ILT, unterliegt zudem keinerlei Werkzeugverschleiß und lässt sich reproduzierbar und punktgenau auf dem Metallbauteil einsetzen.

Vorstellung eines ersten Karosseriebauteils auf der JEC World 2019

Um die Einsatzfähigkeit des Verfahrens in Form eines Proof-of-Concept zu zeigen, haben die Forschungspartner nun ein erstes Demonstratorbauteil aus hochfestem Stahl und Faserverbundkunststoff gefertigt: Anhand eines hybriden Leichtbau-Seitenschwellers, einem Karosseriebauteil für den Automobilbau, haben die beiden Fraunhofer-Forscher Kira van der Straeten vom Fraunhofer ILT und Tido Peters vom Fraunhofer IPT im Rahmen des ComMUnion-Projekts die Funktionsfähigkeit der Verfahrenskombination getestet und belegt.

Die Projektpartner werden das Bauteil auf der Leichtbau-Messe JEC World vom 12. bis 14. März in Paris auf der Composites in Action Area an Stand 5D17 dem Fachpublikum vorstellen.

https://www.ipt.fraunhofer.de