Prozesskette für das Fügen endlosfaserverstärkter Kunststoffe mit Metallen in Leichtbaustrukturen (PROLEI)

Karosserien konventioneller Fahrzeuge werden vorwiegend in metallischer Bauweise gefertigt. Selbst an tragenden und sicherheitsrelevanten Karosseriesegmenten kann durch Kombination von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) mit Metallen erheblich Gewicht eingespart werden. Die hohe Zugbelastbarkeit der FVK in Richtung der Verstärkungsfasern kann dabei gezielt zur Verbesserung der Steifigkeit der Karosserie genutzt werden. Dazu notwendige Verbindungen von Metall- und Kunststoffbauteilen erfordern aber besondere Vorbehandlungen der Kontaktflächen, die bislang noch nicht zufriedenstellend möglich sind.

Im Forschungsprojekt PROLEI wird eine neue Fügetechnologie für Kunststoff-Metall-Verbindungen für die Anwendung in der industriellen Serienfertigung von Karosseriebauteilen entwickelt. Thematische Schwerpunkte bilden dabei Prozesse zum Strukturieren von Kontaktflächen mit Hilfe eines Lasers und zum anschließenden automatisierten Fügen. Ziel ist der direkte Einsatz dieser innovativen Technologien in industriellen Fertigungsprozessketten der Großserienfertigung im Automobilbau.

Dazu wird ein leistungsfähiges optisches System entwickelt, welches das großflächige Laserstrukturieren der Oberfläche von räumlich gekrümmten Metall- und Kunststoffbauteilen ermöglicht. Diese Oberflächenstrukturierung dient der Erzeugung eines Mikroform- sowie Stoffschlusses in Kleb- und Reibpressfügeverbindungen (s. Abbildung 2). Dadurch können diese wesentlich höher belastet werden. Erforscht wird, wie Metall- und FKV-Oberflächen für die jeweilige Fügeaufgabe optimal strukturiert werden können. Auch muss sichergestellt sein, dass Einflüsse nachfolgender Fertigungsschritte die Fügeverbindung nicht schädigen. Zur Vorhersage der mechanischen Eigenschaften der hergestellten Hybridbauteile wird ein Simulationsmodell entwickelt. Die neue kostengünstige, großserienfähige Fügetechnologie wird im Projekt beispielhaft zum robotergestützten Direktfügen duroplastischer FVK-Segmente in der Karosseriefertigung angewandt.

Die Projektergebnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zur ressourceneffizienten Serienfertigung, insbesondere von Elektrofahrzeugen in Leichtbauweise, bei gleichzeitiger Erfüllung höchster technologischer und funktionaler Anforderungen. Es wird künftig möglich sein, sichere und dauerhafte Fügeverbindungen verschiedener Werkstoffkombinationen an Fahrzeugkarosserien effizient herzustellen. Die aus dem Projekt resultierenden Weiterentwicklungen in der Fertigungs- und Automatisierungstechnik sind zudem auf weitere Leichtbau-Anwendungen, insbesondere auf den Luftfahrzeugbau, übertragbar.

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