Der Leichtbau ist ein wichtiges Entwicklungsfeld unserer Zeit, welches durch das Streben nach Mobilität von Mensch und Material vorangetrieben wird. Eine grundlegende Strategie des Leichtbaus ist der Stoffleichtbau, welcher durch eine Substitution herkömmlich verwendeter Materialien durch Werkstoffe einer möglichst geringen Dichte definiert ist. Die dabei eingesparte Masse wirkt sich direkt auf den Energieverbrauch und somit auch auf den Kraftstoffverbrauch eines Transportmittels aus, was letztendlich dessen Kohlenstoffdioxidausstoß und dessen Gesamtbetriebskosten reduziert. Häufig werden sehr schwere Metallkomponenten durch Polymere oder faserverstärkte Kunststoffe ersetzt. Durch konsequenten Austausch ist dadurch eine Massereduktion einer Rohkarosse um bis zu 42% möglich. Häufig erfordert dies ein großes Maß an Entwicklungsarbeit und nicht selten verhindern ökonomische oder technische Gründe den vollständigen Austausch.
Einen Lösungsansatz dafür bieten Kunststoff-Metall-Hybridverbindungen, welche die Vorteile beider Werkstoffe in einem Bauteil vereinen. Die etablierten Fügeverfahren der Hybridverbindungsherstellung sind Nieten und Kleben, welche jedoch nicht zeit- und kosteneffizient sind, was hingegen für eine großserientaugliche Fertigung nötig wäre. Das zentrale Problem bei Fügeprozessen unterschiedlicher Materialien liegt im Berührungspunkt beider Werkstoffe, an dem unterschiedliche Eigenschaften, wie zum Beispiel Schmelzpunkt, Ausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit, aufeinander treffen. Diese schließen ein Fertigungsverfahren wie etwa das Verschweißen, welches bei der Verbindung artgleicher Werkstoffe verwendet wird, völlig aus.
Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, thermisches Direktfügen mit Hilfe von Lasern als Alternativverfahren für die etablierten Hybridfügeprozesse hinsichtlich seiner Effizienz zu untersuchen. Als Grundlage dafür dienten die Ergebnisse von L. Hufmann aus 2016 für thermisches Direktfügen mit einer Heizplatte.
Im Fokus dieser Arbeit standen zwei Hybridverbindungen bestehend aus einer Aluminiumlegierung und glasfaserverstärktem Kunststoff sowie Baustahl mit glasfaserverstärktem Kunststoff. Um die Festigkeit der erzeugten Verbindungen zu evaluieren, wurden unterschiedliche mech. Charakterisierungen an verschiedenen Fügegeometrien durchgeführt. Zielstellung dieser Untersuchungen wurde eine möglichst homogene Temperaturverteilung an der Fügefläche während des Prozesses angestrebt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Fügeverfahren
2.2 Herstellung von Hybridverbindungen
2.2.1 Post-Mould Assembly (PMA)
2.2.2 In-Mould Assembly (IMA)
2.3 Haftungstheorien
2.3.1 Mechanische Adhäsion
2.3.2 Spezifische Adhäsion
2.3.3 Haftungsmechanismen zwischen Metall und Kunststoff
2.4 Licht
2.4.1 Laser
2.4.2 Infrarot Strahlung
3 Umsetzung
4 Experimenteller Teil
4.1 Probenherstellung
4.1.1 Verwendete Materialen und Geometrien
4.1.2 Oberflächenvorbehandlung
4.1.3 Fügeprozess
4.2 Prüf- und Untersuchungsverfahren
4.2.1 Infrarotthermografie
4.2.3 Zugscherprüfung
4.2.4 Modifizierter LWF-KSII-Prüfung
5 Ergebnisse und Auswertung
5.1 Thermografie
5.2 Laserstrukturierung
5.3 mechanische Charakterisierung
5.3.1 Zugscherprüfung
5.3.2 Zugscherfestigkeiten im Vergleich
5.3.3 Modifizierte LWF-KSII-Prüfung
5.4 Bruchbildauswertung
5.4.1 Zugschergeometrie
5.4.2 Modifizierte LWF-KSII-Geometrie
6 Zusammenfassung und Ausblick
Anhang
A Fügetabellen
B Datenblätter
C Laserstrukturierung
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des thermischen Direktfügens mittels Laser als effiziente Alternative zu klassischen Fügeverfahren wie Nieten oder Kleben bei Metall-Kunststoff-Hybridverbindungen. Dabei wird insbesondere der Einfluss verschiedener Laserparameter und Oberflächenvorbehandlungen auf die Festigkeit der Verbindungen analysiert.
- Methoden zur Herstellung von Metall-Kunststoff-Hybridverbindungen.
- Untersuchung der Temperaturverteilung mittels Infrarotthermografie.
- Anwendung verschiedener Oberflächenvorbehandlungen (Laserstrukturierung, Haftvermittler, Sandstrahlen).
- Mechanische Charakterisierung durch Zugscherprüfung und modifizierte LWF-KSII-Prüfung.
- Vergleich der erzielten Verbindungsfestigkeiten unter verschiedenen Belastungszuständen.
Auszug aus dem Buch
2.4.1 Laser
Laser steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, zu Deutsch „Licht Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Der Begriff beschreibt sowohl den physikalischen Effekt sowie auch die Geräte, die diesen ausnutzen. Diese bestehen aus drei Grundbestandteilen: einem aktiven Medium, einer Pumpquelle und einem Resonator. Das Medium kann aus Feststoffen (z.B. Halbleiterkristalle), Flüssigkeiten (z.B. Farbstofflösungen) oder gasförmig Stoffen (z.B. CO2) bestehen. In dieses wird durch die Pumpe Energie in Form von Strom oder Licht eingeführt, um dort das Niveau der Elektronen anzuheben, was man auch als „pumpen“ bezeichnet. Danach wird Licht mit gleichen Eigenschaften wie das zu emittierende zugeführt, was eine stimulierte Emission, wie in Abbildung 2.9 dargestellt, auslöst. Das eingestrahlte Photon bewegt sich mit dem emittierten weiter und so wird eine Kettenreaktion ausgelöst. Dabei sorgt der Resonator, bei dem es sich um ein Spiegelsystem handelt, dafür dass die Photonen gleicher Energie und gleichen Impulses das Lasermedium nur an durch ein Glasfaserkabel verlassen. [23]
Seit den 60er Jahren sind Laser ein immer größerer Bestandteil industrieller Produktionsprozesse. Der gesamte Anwendungsbereich für Laser erstreckt sich über [24]:
• Medizin
• Informations- und Kommunikationstechnik
• Unterhaltungstechnik
• Messtechnik
• Materialbearbeitung
Laser werden allgemein nach ihrem Medium unterteilt, sowie in Dauerstrich- (auch „continuous-wave“) und Pulslaser, dieser erzeugt im Gegensatz zu ersterem frequentierende Strahlung [23].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beschreibt die Relevanz des Leichtbaus für die Industrie und stellt die Forschungsfrage nach der Effizienz des thermischen Direktfügens mittels Laser im Vergleich zu etablierten Fügeverfahren dar.
2 Stand der Technik: Hier werden gängige Fügeverfahren, die Herstellung von Hybridverbindungen, physikalische Haftungstheorien sowie die Grundlagen von Licht und Laserbearbeitung als theoretische Basis erläutert.
3 Umsetzung: Das Kapitel erläutert die methodische Vorgehensweise, insbesondere die Optimierung der Temperaturverteilung mittels Lissajou-Figuren bei der Laserbearbeitung zur Erzielung einer homogenen Fügung.
4 Experimenteller Teil: Dieser Abschnitt beschreibt detailliert die Probenherstellung, die verwendeten Werkstoffpaarungen, die verschiedenen Oberflächenvorbehandlungen sowie die angewandten Prüfverfahren.
5 Ergebnisse und Auswertung: Hier werden die Ergebnisse der thermografischen Analysen, der Laserstrukturierung und der mechanischen Prüfverfahren sowie die Bruchbildauswertung präsentiert und diskutiert.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die Erkenntnisse zur Eignung des laserinduzierten Direktfügens zusammen und diskutiert Potenziale für eine zukünftige industrielle Anwendung.
Schlüsselwörter
Leichtbau, Hybridverbindungen, Metall-Kunststoff, thermisches Direktfügen, Laser, Infrarotthermografie, Zugscherprüfung, LWF-KSII-Prüfung, Adhäsion, Oberflächenstrukturierung, Haftvermittler, Vestamelt, Tepex, Werkstoffpaarung, Festigkeitsanalyse.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Potenzial und die Festigkeit von Metall-Kunststoff-Hybridverbindungen, die durch laserinduziertes thermisches Direktfügen hergestellt wurden.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die thermische Fügetechnik, die physikalische Adhäsion, Laserbearbeitung von Werkstoffen sowie die mechanische Prüfung von Hybridbauteilen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Hauptziel ist die Untersuchung der Festigkeit lasergefügter Hybridverbindungen und die Optimierung des Fügeprozesses hinsichtlich der Temperaturverteilung, um effizientere Alternativen zu klassischen Fügeverfahren zu finden.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden experimentelle Methoden wie Infrarotthermografie zur Prozessüberwachung sowie mechanische Prüfverfahren wie die Zugscherprüfung und die modifizierte LWF-KSII-Prüfung angewandt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Beschreibung der Probenherstellung, die Analyse der Fügeparameter, die Durchführung der thermografischen Untersuchungen sowie die systematische mechanische Auswertung der Versuche.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Leichtbau, Hybridverbindungen, thermisches Direktfügen, Laserbearbeitung und mechanische Charakterisierung.
Welche Auswirkung hat die Oberflächenstrukturierung auf die Haftfestigkeit?
Die Laserstrukturierung ermöglicht durch eine definierte Oberflächenform eine mechanische Verankerung der Kunststoffschmelze, was die Adhäsion signifikant verstärkt und die Verbindungsfestigkeit positiv beeinflusst.
Warum ist das gewählte Prüfverfahren LWF-KSII wichtig für diese Arbeit?
Die modifizierte LWF-KSII-Prüfung ist entscheidend, da sie Beanspruchungsrichtungen außerhalb der Fügeebene ermöglicht und somit realitätsnahe Belastungsszenarien im Vergleich zu reinen Zugscherversuchen abdeckt.
Wie unterscheidet sich das Verhalten von Stahl und Aluminium bei diesem Fügeprozess?
Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeit und Absorption erfordern Aluminiumlegierungen andere Laserparameter als Baustahl, wobei die homogenere Wärmeverteilung bei Aluminium eine Rolle für die Prozessstabilität spielt.
- Quote paper
- Paul Hantsche (Author), 2017, Thermisches Direktfügen. Untersuchung zum laserinduzierten thermischen Direktfügen von Metall-Organoblech-Hybridverbindungen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1168340
