Wie Werkstoffe unzertrennlich werden
Chemnitzer Forscher können dank neuer Experimentalpresse hybride Werkstoffverbindungen detailliert untersuchen
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Tino Mieruch (r.), Geschäftsführer der Firma Mieruch & Hofmann, und TU-Forscher Axel Dittes betrachten eine Probe aus Aluminium und Polyamid, die dank der neuen Experimentalpresse mit sehr hoher Abkühlgeschwindigkeit gefertigt wurde. Foto: Diana Schreiterer
Im hybriden Leichtbau werden verschiedene Werkstoffe wie Metalle und Kunststoffe miteinander vereint. Im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsweisen sollen dadurch sowohl die nötige Stabilität für eine Struktur erreicht als auch die Leichtigkeit des späteren Bauteils gewährleistet werden. Dieses besondere Verschmelzen von Werkstoffen wird im Exzellenzcluster MERGE an der Technischen Universität Chemnitz untersucht. Das Ziel der Forscherinnen und Forscher: die Vorteile beider Werkstoffklassen miteinander verbinden.
Ein Team um Axel Dittes, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik der TU Chemnitz, forscht insbesondere an der Kombination aus Metallen und faserverstärkten Thermoplasten. Ihr Fokus liegt auf der Gestaltung der Werkstoffgrenzfläche, also dem Bereich, an dem beide Werkstoffe aufeinander treffen. Damit große mechanische Lasten übertragen werden können und um die Metallkomponente zugleich vor einer Schädigung durch Korrosion zu schützen, setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler modulare Beschichtungssysteme ein: „Wir nutzen unter anderem sogenanntes organisch modifiziertes, silikatisches Glas, das als Beschichtung, umgangssprachlich könnte man sagen Klebstoff, auf die Metalloberfläche aufgesprüht wird“, erklärt Axel Dittes.
Die eigentliche Verbindung der artverschiedenen Werkstoffe erfolgt anschließend im Heißpressverfahren, bei dem der thermoplastische Kunststoff schmilzt und sich so mit der Beschichtung des Metalls verbindet. „Dabei bildet der Kunststoff mit dem oberen Bereich der Beschichtung ein durchdringendes Netzwerk, sodass auf molekularer Ebene eine sehr große Zahl an Bindungen entsteht, wodurch wiederum eine sehr hohe Haftfestigkeit erreicht wird“, so der Wissenschaftler weiter.
Maßgeschneiderte Werkstoffe dank innovativer Presse
Der Erfolg dieses Verschmelzungsprozesses hat ausschlaggebenden Einfluss auf die Eigenschaften des gesamten Verbundes. Zugleich sind für die Verschmelzung drei entscheidende Parameter relevant: die Zeitspanne, in der das schmelzflüssige Polymer in die Beschichtung eindringen kann, der aufgebrachte Anpressdruck und die Abkühlgeschwindigkeit. Letztere bestimmt die Kristallisation der Thermoplaste während des Fügens und damit die Festigkeit der Verbindungszone.
Um diese komplexen Vorgänge zunächst im kleinen Maßstab detailliert untersuchen zu können, entwickelte die Firma Mieruch & Hofmann aus Limbach-Oberfrohna für die Forscherinnen und Forscher der TU Chemnitz eine spezielle Fügeanlage, die sogar besonders hohe Abkühlraten von deutlich mehr als 100 Kelvin pro Minute erreicht. „Dank dieser maßgeschneiderten Anlage können wir vor allem kleine und variable Probengeometrien, wie zum Beispiel Rohrproben oder Laminate, herstellen. Der große Vorteil der neuen Anlagetechnik liegt für uns vor allem darin, dass wir die Parameter Temperatur und Anpressdruck während des Aufheizens, Schmelzens und Abkühlens in sehr weitläufigen Grenzen reproduzierbar variieren können und damit alle relevanten Werkstoffzustände an der Metallbeschichtung-Polymer-Grenzfläche erzeugen können“, beschreibt Axel Dittes die Vorteile.
Abkühlgeschwindigkeit entscheidend
Vor allem der Kunststoffanteil im Verbund kann mit der neuen Anlage nun gezielt abgekühlt werden. Mehrere Sensoren überwachen an vier Stellen gleichzeitig die Temperatur des Verbundes beim Fügen. Über zwei verschiebbare, kalibrierte Zylinder kann die Höhe des aufgebrachten Drucks variiert werden: der kleinere der beiden Zylinder bietet zwischen zehn und 100 Newton, der größere sogar bis zu 1.000 Newton Presskraft. Über eine eigens entwickelte Software können Bediener die Anlage steuern. Die Spezialentwicklung ist um ein Vielfaches kleiner als herkömmliche Anlagen, in ihrer Funktion ist sie jedoch durchaus vergleichbar mit großen Pressanlagen.
In zukünftigen Forschungsvorhaben will Dittes mit seinen Kolleginnen und Kollegen mit der neuen Experimentalpresse den Vorgang noch detaillierter betrachten: „Unser Ziel ist es, geeignete Beschichtungen und Fügeprozesse für Multimaterial-Leichtbaustrukturen zu entwickeln und die Auswirkungen auf die Mikrostruktur der Verbunde genau zu erforschen.“
Multimaterial-Leichtbaustrukturen finden beispielsweise seit vielen Jahren Einsatz im Flugzeugbau. Jedoch dauert die Herstellung dieser Komponenten viele Stunden. Die Chemnitzer Forscherinnen und Forscher wollen mit ihren Erkenntnissen perspektivisch eine deutliche Verkürzung der Fertigungstaktzeiten aufzeigen und ein noch besseres Leichtbaupotential erreichen. Mit einer Modifizierung der Beschichtung zwischen den Werkstoffen und einer Optimierung des Verfahrens im Hinblick auf Druck- und Temperaturverlauf, soll es aus ihrer Sicht schon in einigen Jahren eine wesentlich effizientere und schnellere Herstellung geben. Dadurch können auch weitere Anwendungsfelder, z. B. im Automobilsektor, erschlossen werden. Ihre Vision: unzertrennliche Schichtverbunde im Minuten-Takt.
Weitere Informationen erteilt Axel Dittes, M. Sc., Tel. +49 (0)371/531-34964, E-Mail axel.dittes@mb.tu-chemnitz.de
(Autoren: Peter Jacobi / Diana Schreiterer)
Matthias Fejes
02.10.2019
