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.
Table of Contents
- Abkürzung und Symbolverzeichnis
- 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
- 4.1 Probenherstellung
- 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
Objectives and Key Themes
Das Ziel dieser Arbeit liegt in der Untersuchung der Effizienz von thermischem Direktfügen mit Hilfe von Lasern als Alternative zu etablierten Verfahren für die Herstellung von Hybridverbindungen. Die Arbeit fokussiert auf zwei Hybridverbindungen, bestehend aus Aluminiumlegierung und glasfaserverstärktem Kunststoff sowie Baustahl mit glasfaserverstärktem Kunststoff.
- Bewertung der Effizienz von Laserfügen im Vergleich zu etablierten Verfahren
- Untersuchung des Einflusses verschiedener Fügeparameter auf die Festigkeit der Verbindungen
- Analyse der Temperaturverteilung während des Fügeprozesses
- Charakterisierung der Festigkeit der Verbindungen mittels mechanischer Prüfungen
- Entwicklung eines optimierten Fügeprozesses für die Herstellung von Hybridverbindungen
Chapter Summaries
Die Arbeit beginnt mit einer Einleitung, die den Hintergrund und die Motivation für die Untersuchung von Laserfügeverfahren erläutert. Kapitel 2 beleuchtet den Stand der Technik und behandelt verschiedene Fügeverfahren, insbesondere die Herstellung von Hybridverbindungen, sowie relevante Haftungstheorien.
Kapitel 3 beschreibt die Umsetzung der experimentellen Arbeit. Kapitel 4 erläutert die Probenherstellung und die Prüf- und Untersuchungsverfahren, die für die Bewertung der Fügequalität eingesetzt wurden. Kapitel 5 präsentiert und analysiert die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen, einschließlich der Thermografie, Laserstrukturierung und mechanischen Charakterisierung.
Schließlich fasst Kapitel 6 die wichtigsten Erkenntnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsrichtungen.
Keywords
Die Arbeit beschäftigt sich mit den Themen Hybridverbindungen, Laserfügen, thermisches Direktfügen, Aluminiumlegierung, glasfaserverstärkter Kunststoff, Festigkeit, Temperaturverteilung, mechanische Charakterisierung.
- 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
