Energieeffizienter Leichtbau durch innovatives thermisches Fügen und Trennen von CFK-Bauteilen (ELite)

Problemstellung
Ein aktueller Leichtbautrend ist die Mischbauweise von kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) und Metallen. Dabei sollen die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Materialien vorteilhaft kombiniert werden, um unter anderem Gewicht und Antriebsenergie zu reduzieren. Der Einsatz von maßgeschneiderten Hybrid-Verbindungen aus CFK und Metall (Titan, Aluminium, Stahl) stellt erhebliche Herausforderungen an die derzeitigen Bearbeitungs- und Fügetechniken. Bei den bislang eingesetzten Fügeverfahren Nieten und Kleben sind vor allem die damit verbundene Bauteilschädigung bzw. Umweltbelastung sowie der hohe Aufwand (Kosten, Energie) Hemmnisse für die industrielle Anwendung von CFK-Metall-Mischbauweisen.

Projektziele
Ziel des Forschungsprojekts ELite war die Umsetzung eines neuartigen Fügekonzepts zum schnellen und energie- bzw. ressourceneffizienten Fügen von CFK und Metallen. Dabei wurden CFK-Bauteile in der Vorfertigung mit metallischen Adapterplatten versehen, um sie an diesen Stellen mit einer metallischen Struktur flächig verbinden zu können.

Vorgehensweise
Folgende innovative Technologien kamen dabei zur Anwendung: Laserbasierte Materialbearbeitung von CFK, laserbasierte Oberflächenstrukturierung von Metall und CFK, thermisches Fügen von Metall mit CFK mittels reaktiven Nanofolien sowie die Lösbarkeit der Fügeverbindung im Bedarfsfall (Reparatur, Recycling).
Die Forschungsarbeiten beinhalteten darüber hinaus die Überprüfung und Optimierung der CFK-Bearbeitungsqualität (Toleranzen, Delamination, Risse) und der Qualität der Vorbehandlungs- und Fügeverfahren (mechanische und korrosive Eigenschaften). Die Energieeffizienz der neuen Fertigungsschritte wurde im Vergleich mit konventionellen Bearbeitungs- und Fügeverfahren bewertet.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
In Anwendungsbeispielen aus dem Automobilbau und der Luftfahrt wurden die laserbasierte CFK-Bearbeitung und das Nanofolien-Fügeverfahren eingesetzt, um rein metallische durch hybride Bauteile bzw. um Klebe- und Nietverbindungen zu ersetzen. Mit dem Einsatz von Laser und Nanofolie können somit Bauteilgewichte reduziert und bei gleichbleibend hoher Prozessqualität Ressourcen bei der Herstellung hybrider Strukturen eingespart werden. Die Übertragbarkeit der neuen Leichtbau-Fügetechnologie auf den Maschinenbau sowie weitere Bereiche des Fahrzeugbaus (Schienen- und Wasserfahrzeuge, mobile Arbeitsmaschinen) wird erwartet.

• Abwicklungsgesellschaft TWI GmbH & Co. KG
• Airbus Defence and Space GmbH
• BLZ Bayerisches Laserzentrum Gemeinnützige Forschungsgesellschaft mbH
• BMW AG
• InnoJoin GmbH & Co. KG
• Technische Universität München