Bauteile aus einem Verbund von unterschiedlichen Werkstoffen gewinnen in der industriellen Anwendung immer größere Bedeutung. Die gezielte Kombination der positiven Werkstoffeigenschaften erlaubt eine effiziente, den steigenden Anforderungen angepasste, Konstruktion. Insbesondere wo Bauteile leicht, stabil und gegen Korrosion geschützt sein müssen, wie zum Beispiel in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie, bietet sich die Kombination von Kunststoffen und Metall an.
Der wachsende Anteil von Polymeren und der Anstieg weiterer Materialien am Fahrzeug und der damit einhergehende Rückgang von konventionellem Stahl resultiert in eine Multi-Material-Bauweise, für die geeignete Fügetechniken definiert werden müssen. Beim Fügen der verschiedenen Materialien hat die genutzte Fügetechnik einen großen Einfluss auf die Kosten und stellt gleichzeitig eine technische Herausforderung dar, da die Verbindung der Werkstoffe oft die Schwachstelle des Bauteils darstellt.
Aus diesem Grund bedarf es erhöhtem Forschungs- und Entwicklungsaufwand, um die bestehenden Verfahren aus technischer und wirtschaftlicher Sicht zu verbessern sowie neue Verfahren zu entwickeln und zu verifizieren. In dieser Arbeit wird nach einem Kapitel zum Stand der Technik über die Verbindung von Kunststoffen und Metall, eine Auswertung einer Versuchsreihe zu einer speziellen Fügetechnik, dem “InterLayer” Prozess, durchgeführt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation und Zielsetzung
2 Stand der Technik - Metall-Kunststoff-Verbindungen (MKV)
2.1 Grundlagen der Adhäsion und Kohäsion
2.2 Fertigungsverfahren, Definitionen und Wirkprinzipien
2.3 Laserschweißen und Laserdurchstrahlschweißen
2.4 Laserbasiertes Metall-Kunststofffügen
2.4.1 Laserstrahl-Kunststoffnieten
2.4.2 Laser Assisted Metal and Plastic Joining (LAMP)
2.4.3 Thermisches Direktfügen
2.4.4 LIFTEC
2.5 InterLayer-Prozess
2.5.1 Mögliche Anwendungsbereiche
2.5.2 Stand der Forschung des InterLayer Prozesses
2.6 Konkretes Anwendungsbeispiel
3 Experimentelle Machbarkeitsstudie - InterLayer-Prozess
3.1 Versuchsaufbau
3.1.1 Probenkörpercharakterisierung
3.1.2 Experimentelle Analyse
3.2 Probekörper
3.3 Ergebnis der optischen Eigenschaften von PEEK
3.4 Ergebnis der thermischen Eigenschaften von PEEK
3.5 Versuchsdurchführung
3.6 Auswertung des Fügeprozesses
3.6.1 Fehlerbetrachtung
3.6.2 Fehlerfortpflanzung
3.6.3 Bestimmung des Prozessfensters
4 Zusammenfassung und Ausblick
Anhang A
A.1 Draufsicht der Wärmeeinflusszonen am transparenten Fügepartner (nach Zugprüfung)
A.2 Gegenüberstellung Materialeigenschaften von PEEK und Aluminium
A.3 Optischer Aufbau
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, die technische Machbarkeit einer stabilen und reproduzierbaren lasergestützten Metall-Kunststoff-Verbindung mittels des sogenannten „InterLayer“-Prozesses zu verifizieren und die einhergehenden Unsicherheiten durch experimentelle Testreihen zu quantifizieren und zu evaluieren.
- Grundlagen moderner Multi-Material-Bauweisen im Fahrzeugbau
- Vergleich verschiedener laserbasierter Fügeverfahren
- Detaillierte Analyse des InterLayer-Prozesses zur stoffschlüssigen Verbindung
- Durchführung einer experimentellen Machbarkeitsstudie mit PEEK und Aluminium
- Fehlerbetrachtung und Bestimmung optimaler Prozessfenster
Auszug aus dem Buch
1.1 Motivation und Zielsetzung
Durch den Einsatz von Verbundwerkstoffen können Energie, Material und Ressourcen zum Beispiel in Form vereinfachter Montag eingespart werden. Die Menschheit hat spätestens im 21. Jahrhundert erkannt, dass konventionelle Energieträger nicht unendlich zur Verfügung stehen. Die Auswirkungen auf Mensch und Natur durch den Ausstoß von klimaschädlichen Gasen sind in den letzten Jahren spürbar geworden und somit ist die Einsparung von Energie, im Besonderen konventionell erzeugter Energie, von hoher Bedeutung.
Die Optimierung des Eigenschaftsprofils von Bauteilen aus verschiedenen Werkstoffen und die damit einhergehende Reduzierung von Gewicht spart im Mobilitätssektor Energie zur Fortbewegung der Massen und reduziert damit den CO2 Ausstoß. Um dieser Anforderung zu erfüllen, werden zur Gewichtsreduktion zum Beispiel kohlefaserverstärkten Kunststoffe für Teile des Chassis eingesetzt, die aber wiederum im Fall des i3 von BMW mit dem restlichen Fahrgestell verklebt werden. Dabei wird Gewicht von 16 kg pro Auto an Klebstoff verbraucht [5] was sich wiederum auf das Gewicht auswirkt. Dieser Gegensatz zeigt, dass weiterhin ein großer Bedarf an innovativen Fügetechniken für Verbundwerkstoffe vorhanden ist.
Die komplexe Herausforderung der stoffschlüssigen Verbindung metallischer Werkstoffe mit thermoplastischem Kunststoff einer neuartigen Verbindungstechnologie dem Inter-Layer Prozess wird im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Ziel ist es hierbei die technische Machbarkeit hinsichtlich einer stabilen und reproduzierbaren Verbindung zu verifizieren und die einhergehenden Unsicherheiten mittels der Testreihen zu quantifizieren.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die steigende Bedeutung von Multi-Material-Bauweisen im Leichtbau und definiert die Zielsetzung zur Untersuchung des InterLayer-Prozesses.
2 Stand der Technik - Metall-Kunststoff-Verbindungen (MKV): Erläutert physikalische Grundlagen von Adhäsion und Kohäsion sowie verschiedene etablierte und innovative laserbasierte Fügeverfahren wie LAMP, LIFTEC und den InterLayer-Ansatz.
3 Experimentelle Machbarkeitsstudie - InterLayer-Prozess: Dokumentiert den Versuchsaufbau, die Charakterisierung der Fügepartner PEEK und Aluminium sowie die durchgeführten Zug-Scher-Versuche zur Bestimmung der Verbindungsqualität und der Prozessfenster.
4 Zusammenfassung und Ausblick: Bewertet die erzielten Ergebnisse, diskutiert die Stabilität des Prozesses und gibt Empfehlungen zur Prozessoptimierung, etwa durch Intensitätshomogenisierung oder Modulation der Laserleistung.
Schlüsselwörter
Metall-Kunststoff-Verbindung, InterLayer-Prozess, Laserdurchstrahlschweißen, PEEK, Aluminium, mechanische Festigkeit, Zug-Scher-Versuch, Prozessfenster, Fügen, Leichtbau, Schweißnahtanalyse, Laserleistung, Materialeigenschaften, Verbundwerkstoffe, Fehlstellenanalyse.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und experimentellen Untersuchung innovativer Fügetechniken für die Verbindung von Metallen mit thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere dem sogenannten InterLayer-Prozess.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Zu den zentralen Themen gehören die physikalischen Grundlagen der Adhäsion und Kohäsion beim Stoffschluss sowie die vergleichende Analyse verschiedener laserbasierter Fügeverfahren im industriellen Kontext.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist der experimentelle Nachweis der technischen Machbarkeit einer stabilen und reproduzierbaren Verbindung von PEEK und Aluminium mittels des InterLayer-Prozesses unter Quantifizierung bestehender Unsicherheiten.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird ein experimenteller Ansatz gewählt, bei dem Testreihen unter Variation der Laserleistung durchgeführt, die Bruchkräfte mittels Zug-Scher-Versuchen ermittelt und die Nahtgeometrien lichtmikroskopisch sowie thermisch analysiert werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine umfassende Literaturrecherche zum Stand der Technik, die Beschreibung des Versuchsaufbaus, die Materialcharakterisierung der Fügepartner sowie die statistische Auswertung und Fehlerbetrachtung der erzielten Fügeergebnisse.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Forschungsarbeit?
Wesentliche Begriffe sind Metall-Kunststoff-Verbindung (MKV), InterLayer-Prozess, Laserschweißparameter, Zugfestigkeit, Prozessfenster und PEEK als thermoplastischer Fügepartner.
Warum wurde in der Studie PEEK als Kunststoff ausgewählt?
PEEK wurde gewählt, da es als leistungsstarker Thermoplast besondere thermische Eigenschaften aufweist, die für die Analyse der Stoffschlussbildung im InterLayer-Prozess von hoher Relevanz sind.
Welche Bedeutung hat die Bestimmung des Prozessfensters?
Die Bestimmung des Prozessfensters ist entscheidend, um den Bereich zwischen unzureichender Anhaftung und thermischer Zersetzung des Kunststoffs zu definieren, was für die industrielle Reproduzierbarkeit des Verfahrens unerlässlich ist.
- Quote paper
- Nicolas Ürlings (Author), 2021, Stand der Technik und experimentelle Machbarkeitsstudie zur lasergestützten Metall-Kunststoff-Verbindung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1431048
