Wechselwirkungen beim Laserfügen von Metallen an Polymeren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417913350

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Metall-Kunststoff-Verbunde erlangen nach wie vor aufgrund ihrer werkstoffspezifischen Eigenschaften stetig an Bedeutung. Während sich Kunststoffe durch eine geringe Dichte, einen ge-ringen Preis pro Volumen und nahezu freie Formgebung auszeichnen, können Metalle auf-grund der mechanischen Eigenschaften hohen Belastungen ausgesetzt werden. Somit kön-nen gleichzeitig steife als auch leichte Bauteile konstruiert werden. Das Schweißen als stoffschlüssiges Fügeverfahren, bei dem beide Fügepartner geschmolzen werden, eignet sich aufgrund unterschiedlicher Schmelztemperaturbereiche sowie mangelnder chemischer Verträglichkeit nicht zum Fügen von Kunststoff-Metall-Hybriden. Eine vielversprechende Fügetechnologie besteht im Fügen von Kunststoff und Stahl mittels Laserstrahlung. Dabei entsteht ein Verbund durch Benetzung des Stahls durch die Kunststoffschmelze, während der Stahl im festen Zustand verbleibt. Die genauen Haftungsmechanismen sowie die Verbundeigen-schaften sind noch Gegenstand der Forschung. Das durchgeführte Forschungsprojekt zielt darauf ab, ein grundlegendes Verständnis der vorherrschenden Haftungsmechanismen und Verbundeigenschaften bereitzustellen. Zudem soll ein vertieftes Verständnis des Versagens-verhalten von laserstrahlgefügten Kunststoff-Metall-Verbunden, die einer physikalisch-chemischen Oberflächenbehandlung unterzogen wurden, erlangt werden. Zur Beantwortung dieser Forschungsfragen wurden zum einen die Oberflächen der Hybridbauteile vor dem thermischen Fügen mit unterschiedlichen Methoden behandelt und beschichtet. Zum anderen wurden Fügeversuche mit einer zusätzlichen metallischen Zwischenschicht in Form einer Folie durchgeführt. In beiden Fällen sollte der Einfluss auf die Verbundfestigkeit untersucht werden. Zusätzlich zu den praktischen Versuchen wurden die Fügeprozesse thermisch und thermomechanisch simuliert. Neben der Ermittlung der Temperaturentwicklung in der Fügezone sollten die induzierten Eigenspannungen und die resultierenden Verbundfestigkeiten berechnet und mit den entsprechenden Ergebnissen aus den praktischen Versuchen validiert werden. Im Rahmen des Projektes hat sich herausgestellt, dass zum Laserfügen von unpolaren Kunststoffen an Stahl eine hinreichende mechanische Verklammerung notwendig ist, da ansonsten kein Verbund realisiert werden kann. Zudem konnte beobachtet werden, dass eine Niederdruckplasmabehandlung sowohl bei dem PA6.6 als auch beim PP zu einer Reduzierung der Festigkeit geführt hat. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine Überbehandlung mit Plasma zu einem molekularen Abbau des Kunststoffs führt. Die Zugscherfestigkeit der Verbunde ist vor allem von der Wärmeleitfähigkeit in dem Grenzflächenbereich abhängig. Je höher die Wärmeleitfähigkeit der applizierten metallischen Zwischenschicht war, desto geringer war die Zugscherfestigkeit. Der in der Fügezone applizierte Werkstoff hatte auch Einfluss auf die Korrosionsresistenz der Verbunde. Stahlproben mit Titanbeschichtung in Verbindung mit PP als Fügepartner wiesen nach Wechseltests eine höhere Festigkeit im Vergleich zu unbeschichteten Proben auf. Darüber hinaus konnte ein thermisches und thermomechanisches Simulationsmodell aufgebaut werden. Sowohl die Temperaturen als auch die aus den Eigenspannungen ermittelten Festigkeiten konnten berechnet werden und lieferten teilweise prozessnahe Ergebnisse beim Vergleich der simulativen mit den experimentellen Ergebnissen. Es besteht jedoch noch weiteres Potential zur Verbesserung des Modells, in dem künftig die Schmelzeströmung des Kunststoffs simuliert und die Laserverteilung mitberücksichtigt wird.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Entwicklung eines thermischen Simulationsmodells für das Laserdurchstrahlfügen von PA-6.6 mit CrNi-Stahl, Joining plastics. 3, S. 170–176.
  Hopmann, C.; Knupe-Wolfgang, P.; Bölle, S.; van der Straeten, K. & Timmer, C.
  
• Influence of different surface metallizations on the lap shear strength of laser hybrid metal-plastic joints, MCIC 2022, Chemnitz
  Timmer, Christian
  
• Influence of Metallic Interlayers on the Lap Shear Strength of Laser Joined Plastic and Metal Hybrids. MDPI AG.
  Tillmann, Wolfgang; Wojarski, Lukas; Hopmann, Christian; Fatherazi, Patricia & Timmer, Christian
  
• The Influence of Low-Pressure Plasma Treatments on the Lap Shear Strength of Laser-Joined AISI 304 Hybrids with Polypropylene and Polyamide 6.6. Applied Sciences, 13(24), 13275.
  Tillmann, Wolfgang; Wojarski, Lukas; Hopmann, Christian; Fatherazi, Patricia & Timmer, Christian