Während noch vor wenigen Jahren die hohe Integrationsdichte der Kunststoffe als großer Produktionsvorteil galt, lösen Mehrmaterialsysteme sie mittlerweile zunehmend ab. Diese ermöglichen es, den für jede Einzelfunktion eines Bauteils optimalen Werkstoff an den jeweils passenden Stellen einzusetzen. Um jedoch unterschiedliche Materialien und Mischmaterialkomponenten miteinander zu verbinden, wie inkompatible Thermoplaste, Thermoplast-Duroplast- oder Thermoplast-Metall-Kombinationen, eignen sich die stoffschlüssigen Schweißverfahren nicht. Ebenso existieren Anwendungen ohne thermoplastische Komponente, zum Beispiel Duroplast-Elastomer-Verbindungen, die kein umformendes Fügen ermöglichen. Darum werden fügetechnische Prozessstrategien benötigt, mit denen sich all diese artfremden Materialien zuverlässig miteinander verbinden lassen. Diese Schwerpunkte stehen aktuell im Fokus der Forschung und Entwicklung an der Professur Kunststoffe der Technischen Universität Chemnitz.

Mehrmaterialsysteme effizient verbinden

Beim Ultraschall-Stauchnieten kommt eine Art Hohlniete zum Einsatz, die in ihrem Zentrum knapp oberhalb des zweiten Fügepartners plastifiziert wird. So entsteht ein Schmelzpolster, das die Sonotrodenschulter anschließend aufstaucht, was zu einem hochwertigen Nietwulst führt.
(Bildquelle: TU Chemnitz)

Ultraschall-Stauchnieten

Für unlösbare, formschlüssige und teils kraftschlüssige Verbindungen zwischen unverträglichen Materialien ist das Nieten eine technisch und wirtschaftlich bedeutende Fügetechnik. Um diese anzuwenden, sollte mindestens eine Bauteilkomponente aus einem thermoplastischen Material bestehen. Dabei wird das zumeist spritzgusstechnisch in einen Fügepartner integrierte Verbindungselement, der Nietpin, plastifiziert und umgeformt, sodass eine formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen entsteht. Schwierig beim Kunststoffnieten ist jedoch das Anbinden des Nietkopfes an den kalten Nietpin. Die dabei entstehenden und durch den direkten Umformprozess nur unwesentlich beeinflussbaren Bindenähte führen zu einer wenig stabilen Verbindung.

Um diese Problematik des konventionellen Nietens zu umgehen, entwickelten die Wissenschaftler der Professur Kunststoffe gemeinsam mit der Firma Herrmann Ultraschall, Karlsbad, innerhalb eines vom Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (ZIM) geförderten Projektes das Ultraschall-Stauchnieten. Dieses verzichtet auf das klassisch stirnseitige Umformen des Nietpins. Stattdessen kommt eine Art Hohlniete zum Einsatz, die in ihrem Zentrum knapp oberhalb des zweiten Fügepartners plastifiziert wird. Durch diese Volumenerwärmung und das Verwenden einer abgestuften Sonotrode entsteht ein ausreichendes Schmelzpolster. Anschließend erfolgt im zweiten Prozessschritt das Aufstauchen des Nietpins durch die Sonotrodenschulter, was zu einem hochwertigen Nietwulst führt. Untersuchungen an zu 30 Prozent glasfasergefülltem Polyamid 66 von BASF sowie die Validierung des Prozesses an weiteren Thermoplasten, wie PBT-GF30, ABS-PC, POM oder PC-GF20, belegten, dass sich im Vergleich zu am Markt etablierten Kunststoffnietverfahren festere Verbindungen erreichen ließen – bei gleichzeitig deutlich kürzeren Zykluszeiten.

Mehrmaterialsysteme effizient verbinden

Beim Clinchen-Ultraschallschmelzkleben sorgt das Clinchen für eine formschlüssige Verbindung. Gleichzeitig schmelzt die Ultraschallschweißpresse die Polymermatrix auf, wodurch letztere als Schmelzklebstoff zum Metall fungiert. Im Bild: Das Schliffbild einer Clinchverbindung aus Stahl (DC04) und PA6-GF25
(Bildquelle: TU Chemnitz)

Hybridverfahren Clinchen-Ultraschallschmelzkleben

Eine weitere, durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte, Verfahrensentwicklung der Professur Kunststoffe zum Fügen von Kunststoff-Metall-Werkstoffkombinationen ist das Clinchen mit gleichzeitigem Ultraschall-Schmelzkleben. Dabei sorgt das Clinchen für eine formschlüssige Verbindung, wobei ein Stempel den metallischen Fügepartner durch den Kunststoff in eine Matrize presst.
Im gleichen Prozessschritt erzeugt eine torsionale Ultraschallschweißpresse eine Reibrelativbewegung zwischen Metall und Kunststoff, was die Polymermatrix aufschmelzt. Diese fungiert dabei als Schmelzklebstoff zum Metall. Der Clinchstempel wird dabei durch eine zentrale Bohrung im Schwingsystem der Ultraschallpresse geführt. Somit gelangt er unverzüglich nach dem Ultraschall-Schmelzkleben durch die noch warmen Fügepartner, was für eine feste Clinchverbindung sorgt.

Mehrmaterialsysteme effizient verbinden

Bei der Verfahrenskombination Clinchen-Ultraschallschmelzkleben ermöglicht die Kombination aus stoff- und formschlüssiger Verbindung eine Art Fail-Safe-Verhalten: Mit dem Versagen der Klebeverbindung wird das Bauteil zwar zerstört, die Einzelkomponenten werden jedoch durch den Clinchpunkt weiterhin zusammengehalten, bis die Verformung erneut den kritischen Punkt überschreitet.
(Bildquelle: TU Chemnitz)

Die Verfahrenskombination erzielt dabei festere Verbindungen unter Zug-Scher-Belastung gegenüber den beiden Einzelverfahren. Zusätzlich ermöglicht die Kombination aus stoff- und formschlüssiger Verbindung eine Art Fail-Safe-Verhalten, da mit dem Versagen der Klebeverbindung zwar das Bauteil zerstört ist, die Einzelkomponenten jedoch durch den Clinchpunkt weiterhin zusammengehalten werden, bis die Verformung erneut den kritischen Punkt überschreitet.

Reaktiver Metall-Kunststoff-Verbund mittels Spritzgießen

Hybridkonstruktionen aus thermoplastischen Kunststoffen und Metallen sind vielversprechende Verbundsysteme. Ihre Verbindung beruht konventionell auf physikalischen Wechselwirkungen, wie Formschluss durch mechanisches Verklammern. Unzureichende Kenntnisse über die Wirkung der Grenzflächen und die damit verbundenen Adhäsionsmechanismen begrenzen den Einsatz dieser Methode jedoch stark. Hier setzt die Forschung der Professur Kunststoffe zusammen mit der Professur Polymerchemie der TU Chemnitz an. Ziel ist es, über die sogenannte Zwillingspolymerisation eine chemische Bindung zwischen Metall und Kunststoff zu erzeugen. Dazu bringen die Wissenschaftler das sogenannte Zwillingsmonomer vor dem Spritzgießprozess auf das Metall auf. Durch den anschließenden thermischen Energieimpuls der einströmenden Kunststoffschmelze reagiert das Monomer und verbindet sich mit den Oberflächen der beiden Komponenten. Dafür werden speziell konstruierte chemische Verbindungen – eben das Zwillingsmonomer – benötigt, welches während des thermischen Aktivierens zu zwei Homopolymeren reagiert.

Die Wissenschaftler haben das Prinzip der Zwillingspolymerisation in den bisherigen Untersuchungen für Metall-Kunststoff-Verbindungen nachgewiesen. Die Metall- und Kunststoffkomponente wurden durch das Verfahren vollständig aneinander gebunden. Der Fokus der weiteren Arbeiten liegt nun darauf, das Prinzip in den Spritzgießprozess zu integrieren sowie die vorliegenden chemischen Bindungen zu analysieren.

 

Mehrmaterialsysteme effizient verbinden

In diesem Projekt für Mehrkomponenten-Spritzguss wiesen die Wissenschaftler nach, dass sich rieselfähige Duroplast-Formmassen und ausgewählte Elastomere zeitgleich in einer Anlage verarbeiten lassen.
(Bildquelle: TU Chemnitz)

Energieeffizienter Leichtbau – Motorträger aus faserverstärktem Duroplast

Neben dem optimalen lokalen Ausnutzen der jeweiligen Materialeigenschaften treiben die Leitthemen Energieeffizienz und Ressourcenschonung aktuelle und zukünftige Entwicklungen voran. Das Substituieren von konventionellen Materialien steht dabei im Fokus der Untersuchungen. Im Hinblick auf die ökonomischen Randbedingungen, das Energieeinsparpotenzial und die steigenden Materialanforderungen rückt die Werkstoffgruppe der Duroplaste wieder verstärkt in den Fokus. Sie sind hart, steif und thermisch belastbar. Außerdem benötigen Duroplaste im Vergleich zu einem typischen Thermoplast, wie Polyamid um ca. 45 Prozent weniger Energie bei der Herstellung, gegenüber Aluminium sind es ca. 83 Prozent. Zudem existieren aufgrund der exothermen Härtungsreaktion weniger thermoplasttypische Einschränkungen der Bauteilauslegung. Zum Beispiel lassen sich mit Duroplasten Bauteile mit relativ dicken Wänden sowie große Wanddickensprünge umsetzen.

Im vom BMBF geförderten Forschungsprojekt Fiberset untersuchte die Professur Kunststoffe unter anderem gemeinsam mit der Firma Daimler das Werkstoffpotenzial eines langglasfaserverstärkten Phenolharzes (PF-GF55), das am Beispiel eines Automobil-Motorträgers Aluminium ersetzen sollte. Es stellte sich heraus, dass das im Spritzguss hergestellte Bauteil deutlich dimensionsstabiler war, eine geringere Kriechneigung sowie günstigere NVH-Eigenschaften (Noise, Vibration, Harshness; dt. Geräusch, Vibration, Rauheit) besaß. Zudem war es leichter und das Material günstiger. Der Fokus lag gleichzeitig darauf, eine geschlossene Prozesskette für die Großserie zu entwickeln. In diesem Zusammenhang war es günstig, dass das Duroplast-Bauteil im Gegensatz zum Äquivalent aus Thermoplast keine zusätzlichen Metallhülsen benötigt, was den Vor- und Nachbearbeitungsaufwand verringert. Zudem erfüllt das Bauteil durch die Langfaserverstärkung die Lastenheftanforderungen hinsichtlich der mechanischen Bauteileigenschaften und dem Fail-Safe-Verhalten. Das zeigt das Potenzial für zukünftige Serienanwendungen mit Duroplasten.

Mehrkomponenten-Spritzguss: Duroplaste mit Elastomeren

Durch den auf die lokalen Anforderungen an einem Bauteil angepassten Materialeinsatz sowie gezielte Werkstoffsymbiosen ergeben sich stetig neue Leichtbaupotenziale. Gleichzeitig nehmen die Möglichkeiten zu, diese Potenziale mittels energieeffizienten Prozessen und Bauteilen umzusetzen. Im Bereich der Thermoplaste steigen damit die Anforderungen an die umformenden und zum Teil stoffschlüssigen Fügeverfahren. Zudem existieren vermehrt Anwendungen, bei denen duroplastische Formmassen Thermoplaste aufgrund der geforderten Materialeigenschaften ersetzen. Das chemische Aushärten von Duroplasten verhindert jedoch ein nachträgliches Aufschmelzen, weshalb alternative Fügeprozesse benötigt werden. Eine dieser Möglichkeiten ist der Mehrkomponentenspritzguss, der unterschiedliche Werkstoffe zu einem Hybridbauteil verbindet.

Ein vom ZIM gefördertes Forschungsprojekt beschäftigt sich damit, einen temperaturbeständigen Duroplast-Elastomer-Verbund werkzeugfallend herzustellen – und zwar in einem werkstoff-, energie- und kostensparenden Prozess. Als Werkstoffe stehen dabei rieselfähige Duroplast-Formmassen sowie Elastomermaterialien, wie NBR, ACM, AEM, im Mittelpunkt, die sich als Werkstoffe für mineralöl- und kraftstoffbeständige Dichtelemente eignen.

Die Ergebnisse der bisherigen Untersuchungen zeigen ein hohes Potenzial beim Fügen von Duroplast-Elastomer-Verbindungen im Mehrkomponenten-Spritzguss hin. Die Wissenschaftler wiesen nach, dass sich rieselfähige Duroplast-Formmassen und ausgewählte Elastomere zeitgleich in einer Anlage verarbeiten lassen. Die Haftfestigkeiten der dabei entstehenden Verbindungen erfüllen die Vorgaben technischer Anwendungen. Den aktuellen wissenschaftlichen Projektschwerpunkt bildet das Analysieren der Haftungsmechanismen. Dabei sind sowohl Mikroverklammerungseffekte (Formschluss) als auch chemische Verbindungen (Stoffschluss) möglich, wobei sich die Forscher jedoch vorrangig auf das Erhöhen der chemischen Haftung konzentrieren.

 

Über die Autoren

Eric Brückner

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur Kunststoffe der TU Chemnitz.

eric.brueckner@mb.tu-chemnitz.de

Mirko Albrecht

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur Kunststoffe der TU Chemnitz.

Prof. Dr. Michael Gehde

ist Leiter der Professur Kunststoffe der TU Chemnitz.