Hybride Karosseriebauteile in Großserie

Forschungsprojekt: Bauteile aus Stahl werden durch Faserverbundwerkstoffe verstärkt

Anwendungen in Mobilität und Transport verlangen heute immer öfter nach Leichtbauteilen, um Gewicht und damit Energie und Ressourcen einzusparen.

Teil eines hybriden Seitenschwellers lokal funktionalisiert durch laserunterstütztes Tapelegen./Bild:© Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Der Bedarf an großserientauglichen Fertigungsverfahren für hybride Bauteile aus Stahl, die durch Faserverbundkunststoffe verstärkt sind, wächst: Im EU-Forschungsprojekt »ComMUnion« entwickeln die beiden Aachener Fraunhofer-Institute für Produktionstechnologie IPT und für Lasertechnik ILT gemeinsam mit14 weiteren Partnern aus Industrie und Forschung solche industriellen Prozesse für den hybriden Leichtbau aus Metall und Faserverbundkunststoffen für die Automobil- und Luftfahrtbranche.

Das neue hybride Fertigungsverfahren kombiniert Laserstrukturieren und laserunterstütztes Tapelegen: Dafür werden die Metallbauteile zunächst mit dem Laser vorbearbeitet und mit einer speziell entwickelten rauen Oberflächenstruktur versehen. Dadurch können die Leichtbauelemente, die später zur Verstärkung dienen sollen, mechanisch und ohne weitere Verbindungen auf das Stahlbauteil angebracht werden.

Die Verstärkungen aus thermoplastischem Faserverbundkunststoff, die gezielt an die zu erwartenden Belastungen angepasst sind, werden durch das automatisierte Tapelege-Verfahren auf das Bauteil aufgebracht. Dazu erwärmt der Laser die aufgelegten faserverstärkten Tapes lokal unmittelbar vor der Fügezone auf dem Metall, sodass das Matrixmaterial schmilzt. Es dringt dadurch in die Oberflächenstrukturen ein und bewirkt, dass die Tapes mit den eingebetteten Fasern auf der aufgerauten Oberfläche des Stahlbauteils haften.

Die Kombination dieser beiden Laserverfahren spielt ihre Vorteile genau dann aus, wenn die mechanischen Eigenschaften des Bauteils lokal verbessert werden sollen, ohne dass das Bauteilgewicht dabei deutlich steigt. Der Prozess eignet sich besonders für die Großserienfertigung, da nach dem Ablegen der thermoplastischen Tapes keine weiteren Nachbearbeitungsschritte zur Konsolidierung des Werkstoffs erforderlich sind. Die punktgenaue, lokale Erwärmung verringert darüber hinaus den Verzug und die Eigenspannungen beim Fügen der beiden unterschiedlichen Materialien. Die Strukturierung mit dem Laser, eingesetzt durch das Fraunhofer ILT, unterliegt zudem keinerlei Werkzeugverschleiß und lässt sich reproduzierbar und punktgenau auf dem Metallbauteil einsetzen.

Funktionsfähigkeit der Verfahrenskombination belegt
Um die Einsatzfähigkeit des Verfahrens in Form eines »Proof-of-Concept« zu zeigen, haben die Forschungspartner nun ein erstes Demonstratorbauteil aus hochfestem Stahl und Faserverbundkunststoff gefertigt: Anhand eines hybriden Leichtbau-Seitenschwellers, einem Karosseriebauteil für den Automobilbau, haben die beiden Fraunhofer-Forscher Kira van der Straeten vom Fraunhofer ILT und Tido Peters vom Fraunhofer IPT im Rahmen des ComMUnion-Projekts die Funktionsfähigkeit der Verfahrenskombination getestet und belegt.