Thermisches Direktfügen von Biokunststoff mit Metall

Eine durch Induktion thermisch direktgefügte PLA-Aluminium-Mischverbindung. Das Fügen erfolgt ohne Zusatzwerkstoffe. (Bildquelle: IWS Dresden)

Für eine industrielle Anwendung ist es enorm wichtig, Werkstoffe nicht nur belastbar, sondern auch schnell fügen zu können. Hier ist thermisches Direktfügen vorteilhaft, aber für Biokunststoffe noch relativ wenig verbreitet. Das Prinzip beim thermischen Metall-Kunststofffügen ist es, den Kunststofffügepartner durch gezielte Wärmeeinbringung an der Fügefläche in einen plastischen oder flüssigen Zustand zu überführen, um somit die Metalloberfläche zu benetzen. Unter Beaufschlagung eines Fügedruckes kann sich der Kunststoff in der Struktur der Metalloberfläche verkrallen und abkühlen. Je besser die Oberfläche strukturiert ist, desto besser ist die Haftung. Auch der Einsatz von Haftvermittlern ist möglich.

Heiß und fest

Wie beim Kleben liegt auch hier der Schlüssel zur gewünschten Belastbarkeit: ungenügend vorbehandelte Oberflächen führen zu deutlich geringeren Festigkeiten. Die Wärmeeinbringung erfolgt in der Regel indirekt über die Erwärmung des Metalls, aber auch direkt über die Erwärmung des Kunststoffes. Die mit der sogenannten HPCi-Technologie (Heat-Press-Cool-integrative) entstandenen Fügungen sind hauptsächlich formschlüssig und zu einem geringeren Teil stoffschlüssig, dauerhaft und nicht ohne Schädigung von mindestens einem der Fügepartner wieder lösbar.

Vorteile gegenüber anderen Fügeverfahren, wie Kleben oder Montage mit Verbindungselementen (Bohren, Entgraten, Gewindeschneiden, Setzen), sind die extrem kurzen Prozesszeiten, da das Aufwärmen sehr schnell und das Abkühlen schnell erfolgt. Die gefügten Bauteile besitzen nach der Abkühlung sofort ihre Endfestigkeit und können direkt weiterverarbeitet werden. Es werden keine Zusatzmaterialien wie Klebstoffe, Lote und Flussmittel oder Verbindungselemente (Schrauben, Niete, Bolzen etc.) benötigt. Das Verfahren ist weniger anfällig gegen verschmutzte Oberflächen wie es beim Kleben der Fall ist, da die Fügefläche verflüssigt wird und Verschmutzungen in der flüssigen Phase aufgenommen werden. Es entfallen Zeiten, die für den Klebstoffauftrag und die Aushärtung oder andere höhere Aufwendungen, etwa bei einer Montage für das Setzen von Verbindungselementen, nötig sind. Thermisch gefügte Verbindungen sind wie Klebungen toleranzausgleichend.

Innovativ mit Induktion

Induktive Erwärmung ist vielseitig einsetzbar. Hier erhitzt ein Induktor ein Aluminiumblech während des Fügvorgangs. (Bildquelle: IWS Dresden)

Das Prinzip beim thermischen Direktfügen mittels Induktion ist die Erwärmung eines Fügepartners mittels elektrischer Energie. Die Funktionsweise entspricht dabei den Abläufen bei klassischen Induktionsanwendungen wie Härten, Glühen, Schmelzen, Löten und Schweißen. Grundvoraussetzung dafür ist ein elektrisch leitfähiger Körper, in der Regel Metall. Eine mit hochfrequenter Wechselspannung durchflossene Metallspule, der Induktor, erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld. Dieses induziert Wirbelströme in den Metallfügepartner, was zur sogenannten Joulschen Wärme führt. Vorteilhaft ist, dass die Wärme beim thermischen Direktfügen damit direkt im Körper entsteht und keine oder nur geringe Wärmeleitung zum Zielort, der Fügezone, nötig ist. Das Verfahren verläuft berührungslos und es wird keine direkte Zugänglichkeit zum erwärmenden Material benötigt, solange keine anderen leitfähigen Materialien das Magnetfeld behindern.

Flexibel mit Lasern

Das thermische Direktfügen mittels Laserwärme ist ein direkt für das Herstellen von Metall-Kunststoff-Mischverbindungen erdachtes einstufiges Fügeverfahren. Mit einer Laserstrahlquelle wird auf die Oberfläche des Metallfügepartners gestrahlt. Diese Oberfläche sollte auf der gegenüberliegenden Seite der Fügefläche liegen. An der Oberfläche wird die Strahlung in Wärme umgewandelt und sphärisch im Bauteil weitergeleitet.  Sie erwärmt somit die Fügeseite und schmilzt den anliegenden Kunststoff auf. Um das Metall zu erwärmen und nicht abzutragen, wird der Laser auf der Bauteiloberfläche defokussiert, damit das Material nicht aufschmilzt oder verdampft. Durch Laserbewegung sind beliebige Konturen möglich.

In einem Schritt mit Ultraschall

Durch Ultraschallfügen sind nicht nur artgleiche Fügeverbindungen möglich. (Bildquelle: IWS Dresden)

Das Ultraschallfügen von Kunststoff-Metall-Mischverbindungen ist ein vom Ultraschallschweißen von Thermoplasten adaptiertes Verfahren. Durch mechanische Schwingungen zwischen den zu fügenden Teilen entsteht durch Molekular- und Grenzflächenreibung Wärme, welche den thermoplastischen Kunststoff aufschmilzt. Diese mechanischen Schwingen werden in einem Konverter mit Hilfe von piezoaktiven Elementen aus elektrischen Wechselspannungen gleicher Frequenz mit einem sehr hohen Wirkungsgrad umgewandelt. Die so entstehenden mechanischen Schwingungen werden an die Sonotrode weitergleitet. Die Sonotrode ist das energieeinbringende Element, welches die Schwingungen und gleichzeitig auch den Fügedruck auf das Bauteil überträgt. Durch sie wird die Kunststoffschmelze in Kavitäten und Zerklüftungen der Metalloberfläche getrieben. Die dort anschließend erstarrende Schmelze kühlt sich ab und verkrallt sich formschlüssig in den Oberflächenstrukturen. Die Schweißzeiten liegen im Bereich von wenigen Zehntelsekunden.

Die Verfahren auf dem Prüfstand

Für die Versuche lagen PLA, PET und PP als kommerziell verfügbare Folien vor.

Für die Metallseite wurde ein 1,5 mm dickes Aluminiumblech aus EN AW6082 T6 eingesetzt, eine im Automobil- und Maschinenbau weitverbreitete Legierung. Es wurden für die jeweiligen Paarungen Induktionsfügen, Laserfügen, Ultraschallfügen und als Referenz, den derzeitigen Marktstandart, Kleben angewendet. Die Oberfläche des Aluminiumbleches wurde durch einen lasergestützten Abtrageprozess, ähnlich einem Gravurprozess, mit einer regelmäßigen linienförmigen Struktur versehen. Die Probekörpergeometrie ist angelehnt an die DIN EN 1465, welche für die überlappende Zugscherprüfung von Klebstoff erdacht worden ist.

Bei den schwierig zu verklebenden Kunststoffen PET und PLA können mit den thermischen Fügeverfahren die Festigkeiten bis Faktor 4 gegenüber der Referenz Kleben gesteigert werden. (Bildquelle: IWS Dresden)

Alle Prüfkörper besitzen die gleiche Überlappfläche und werden mit den gleichen Prüfparametern bis zur Zerstörung geprüft, um eine direkte Vergleichbarkeit herzustellen.

Alle Klebverbindungen wiesen durchgehend adhäsives Versagen am Kunststoff auf, wobei PP für diese Testkonfiguration die höchsten Werte erreichte und deutlich vor dem biobasierten PLA lag. Die ultraschallgefügten Proben versagten überwiegend adhäsiv. PET ließ sich mit einem leichten Vorsprung am besten ultraschallfügen. Die durch Induktion und Laser thermisch direktgefügten Proben verhielten sich ähnlich, PLA und PET erreichten dabei die größten Festigkeiten und zeigten gemischt adhäsives und kohäsives Versagen. PP wies im Vergleich zum Kleben eine geringfügig schlechtere Festigkeit auf bei adhäsivem Versagen.

Wissen für die Praxis

In den Untersuchungen zeigte sich, dass sich PLA und PET hervorragend durch thermisches Direktfügen via Induktion oder Lasererwärmung fügen lassen. Bei entsprechender Vorbehandlung der Oberfläche konnten hohe Verbindungsfestigkeiten realisiert werden, welche Klebverbindungen weit übertreffen können. Der biologische Ursprung des PLA stellt bei diesen Verbindungstechnologien keinen Nachteil dar. Für den mäßig bis gut klebbaren Kunststoff sind die thermischen Fügeverfahren damit eine sehr gute Alternative. Die äußerst kurzen Prozesszeiten erlauben ein schnelles Handling und somit eine hohe Produktivität. Durch den Verzicht auf Zusatzwerkstoffe und Chemikalien wird zusätzlich eine hohe Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit erreicht.

Dank

Diese Maßnahme wird mitfinanziert durch die Förderung aus dem Europäischen Sozialfonds (ESF) und aus Steuermitteln auf der Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.