Blitzschnell gefügt und bombenfest
Mit Laser und Plasma auf dem Weg zu effizientem Faserverbund-Leichtbau.
Nur einen Lidschlag dauert es und die Verbindung von thermoplastischer Probe und Metall-, Keramik- oder Polymerbauteil ist fertig. Wie sich solche ultra-schnellen Verfahren realisieren lassen, zeigte das Fraunhofer-IWS vergangene Woche auf der Europäischen Fachmesse für Verbundwerkstoffe, der Composites Europe, in Stuttgart.
Abb.: Hutprofil aus Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), gefügt durch den Einsatz reaktiver Multischichtsysteme (RMS). (Bild: IWS)
Möglich werden diese Prozesszeiten durch den Einsatz sogenannter reaktiver Multischichtsysteme (RMS). Diese zwischen 20 und 100 µm starken Folien werden zwischen die zu fügenden Bauteile gelegt. Durch eine lokale Aktivierung über einen elektrischen Funken oder Laserpuls reagieren die Einzellagen der RMS chemisch miteinander. Diese Reaktion setzt eine definierte Energiemenge frei und schmilzt im Fügebereich den thermoplastischen Fügepartner auf. Der aufgebrachte Fügedruck sorgt für das reproduzierbare Verbinden mit dem Bauteil.
Um eine gute Haftfestigkeit des Thermoplasts zu erzielen ist eine optimierte Oberflächenvorbehandlung notwendig. Hierbei wird auf die langjährigen Erfahrungen der Forscher der Arbeitsgruppe „Kleben und Faserbundtechnik“ beim strukturellen Kleben zurückgegriffen. Neben der Feinreinigung und chemischen Aktivierung durch eine Plasmabehandlung zeigt insbesondere die makroskopische Strukturierung positive Effekte bei der Erhöhung der Verbindungsfestigkeit. Auch hierbei kommt das flexible Werkzeug „LASER“ zum Einsatz und ersetzt aufwendige mechanische Strahl- oder nasschemische Prozesse.
Abb.: Die bei Atmosphärendrücken arbeitende LARGE Plasmaquelle, hier mit einer Breite von 150 mm betrieben mit Argon-Strickstoff-Plasma. (Bild: IWS)
Die zur Vorbehandlung von Polymer- oder Metalloberflächen eingesetzten kommerziellen Plasmaquellen können typischerweise nur Behandlungsbreiten von wenigen Zentimetern realisieren. Durch den unaufhaltsamen Trend zur Massenfertigung von Faserverbundstrukturen steigen aber auch die Anforderungen hinsichtlich hochproduktiver Oberflächenbehandlungs- und Fügetechniken. Deshalb wurde am Fraunhofer IWS im Geschäftsfeld „Chemische Oberflächen- und Reaktionstechnik“ eine Großflächen-Plasmaquelle für diesen Einsatzfall entwickelt. Bei der sogenannten LARGE-Plasmaquelle ist der Name Programm: sie ermöglicht die Vorbehandlung von Strukturen mit bis zu 50 Metern in der Minute bei typischen Behandlungsbreiten von bis zu 35 Zentimetern.
IWS / LK
