Metall-Metall- oder Metall-Kunststoff-Verbund mit Mikro-Formschlüssen

Die Lasertechnik bietet optimale Möglichkeiten zur Vorbehandlung von Oberflächen. Forscherinnen und Forschern des Fraunhofer IFAM ist es gelungen, mittels einer Laservorbehandlung eine signifikante Steigerung der Verbundfestigkeit im Metall-Metall-, Metall-Kunststoff- oder Kunststoff-Verbund zu erreichen. Die hohen Grenzflächenfestigkeiten resultieren aus form- und kraftschlüssigen Mikroverklammerungen zwischen laserbehandeltem Bauteil und infiltriertem Metall oder Kunststoff. Grundlegend sind neuartige, laserinduzierte Kanäle auf Bauteilen, welche eine vollständige Infiltration mit Schmelzen oder Kunststoffen ermöglichen. Zudem können gegenüber konventionellen Fügemethoden durch die Integration des Fügeprozesses in den Urformvorgang Produktionszeit und -kosten eingespart werden.

Herausforderungen konservativer Fügeverfahren

Konservative Verbindungstechniken, zum Beispiel durch Schrauben oder Nieten, erfordern mehrere Arbeitsschritte und bedingen erhöhte Bauräume sowie Massen in der Fügezone zum Ausgleich lokaler Krafteinleitungen. Beim Metall-Hybridguss oder Kunststoff-Spritzguss werden stoffschlüssige Anbindungen von Bauteilen durch inerte Oberflächenoxide und rasche Erstarrungszeiten der Schmelzen behindert. Ein Beispiel stellt Aluminiumoxid dar, welches durch seine hohe Schmelztemperatur weder von Schmelzen des Aluminiums (700 °C) noch der eines Kunstoffs aufgeschmolzen werden kann.

Zuverlässige Verbindungen durch Oberflächenkanäle…

Die Lösung für die oben genannten Herausforderungen bieten mikroskopische, formschlüssige Verbindungen in der Fügezone, welche vollständig mit den Schmelzen infiltriert, eine homogene Kraftübertragung ermöglichen. Dafür werden mittels handelsüblichen Lasersystemen in einem innovativen Prozess lateral Kanäle in die anzugießenden Bauteiloberflächen eingebracht. Die erzeugte Oberflächenstruktur wird im folgenden Metallguss bzw. Kunststoff-Spritzguss mit dem flüssigen Werkstoff vollständig infiltriert, wodurch ein form- und kraftschlüssiger Verbund generiert wird. Dieser lässt sich hinsichtlich der Verbundfestigkeit gezielt einstellen, sodass bspw. gewünschte Grenzfestigkeiten möglich sind.

… und was der Laser ermöglicht

Lasersysteme erlauben die Strukturierung nahezu aller Materialien, wie Metalle, Kunststoffe oder Keramiken. Die laserbedingte Genauigkeit der eingebrachten Kanalstrukturen erlaubt die gezielte Benetzung der Strukturen sowie die Entlüftung der Grenzfläche für eine vollständige Infiltration. Korrosionsbedingte Unsicherheiten durch Niete oder Schrauben mit vorliegenden Spalten entfallen.

Die Strukturierung erfolgt kantenscharf und maskenlos. Die übertragbaren Kräfte über Mikroformschlüsse sind dabei durch die Grundwerkstoffeigenschaften und die Geometrien der Mikrostrukturen definiert.

Ihr kompetenter Partner im Bereich Metall-Metall- und Metall-Kunststoff-Verbund

Das Fraunhofer IFAM hat mehr als ein Jahrzehnt Erfahrung im Bereich der Laser-, Kunststoff- und Gießereitechnik. Wir bieten unseren Kunden:

• Untersuchungen an kommerziellen Laseranlagen für die Strukturierung verschiedenster Bauteile
• Fundierte Kenntnisse und Versuchsanlagen zur Guss- und Spritzgussanbindung
• Verschiedenste Charakterisierungsmethoden der Grenzflächen
• Beratungen bei Entwicklungen / Prozesseinführung
• Partnerfirmen für mögliche Umsetzungen

Die Oberflächentechnik ist eine Kernkompetenz des Fraunhofer IFAM. Die Arbeitsgruppe »Lasertechnik« entwickelt Prozesse für die Oberflächenbehandlung verschiedenster Materialen auf Basis von industriell etablierten oder verfügbaren Systemkomponenten. In der Abteilung »Plasmatechnik und Oberflächen« verfügt die Gruppe über umfassendes Know-how, Analysemethoden und ergänzende Verfahren der Oberflächenbehandlung. Die Anwendungsfelder reichen vom Automobilbau, über die Flugzeugherstellung und Consumer Electronics bis hin zur Medizintechnik.