Fügen von Kohlenstoff-Faser-Kunststoff-Verbunden durch Metall-Ultraschallschweißverfahren

Prof. Dr.-Ing. habil. Dietmar Eifler, Dr.-Ing. Guntram Wagner

Bearbeitung: Dr.-Ing. Frank Balle (Promotion 2009), Dipl.-Wirtsch.-Ing. Stefan Huxhold

Lehrstuhl für Werkstoffkunde

Zusammenfassung
Die Anbindung von Kohlenstoff/Faser-Kunststoff-Verbunden an metallische Werkstoffe soll möglichst so erfolgen, dass die Struktur der Ver­bundwerkstoffe nicht geschwächt wird. Die Metall-Ultra­schallschweißtechnik eröffnet die Möglichkeit, ohne unzulässige thermische und mechanische Beanspruchung der Füge­partner, Verbindungen zwischen den lasttragenden Verbundkom­po­nenten, den Kohlen­stofffasern, und den metallischen Konstruktionselementen zu erzeugen. So haben Vorversuche gezeigt, dass Metall/CFK-Verbunde durch Metall-Ultra­schall­punkt­schweißen herstellbar sind. Mit dem erst in den letz­ten Jahren zur industriellen Reife entwickelten Ultraschall-Torsionsschweißverfahren können ringförmige Fügebereiche reali­siert werden. Die Metall-Ultraschallrollnahtschweißtechnik dient schließlich dazu, naht­förmi­ge Verbindungen zu erzeugen. Ferner sollen die metallischen Bauelemente nicht nur an CFK-Verbunde sondern auch direkt an Kohlenstofffasern geschweißt werden. Die nach­träg­lich eingebrachte Matrix übernimmt somit zusätzlich die Funktion eines Korro­sions­schutzes im Fügebereich. Darüber hinaus sollen auch CFK-Ver­bunde durch Metall-Ultra­schall­schweiß­techni­ken unmittelbar miteinander verbun­den werden.

Stand der Forschung
Die Ent­wicklung von modernen Leichtbaustrukturen erfordert geeignete Fügever­fahren zur Einbindung von Verbundwerkstoffen in komplexe metallische Bauteile. Bisher finden über­wiegend klassische kraft-, form- und stoffschlüssige Methoden wie das Kleben, das Schmelz­schwei­ßen sowie das Fügen mittels Verbindungselementen wie Schrauben oder Bolzen An­wendung [1]. Aber auch Pressschweißverfahren wie das Vibrationsschweißen oder das Kunststoff-Ultra­schallschweißen werden vermehrt eingesetzt. Beim Kunststoff-Ultraschall­schweißen kommt es lediglich zu einer Ankopplung zwischen der Matrix der FK-Ver­bunde und den metallischen Bauelementen. Eine Verbindung zu den lasttragenden Fasern bzw. der Fasern untereinander erfolgt nicht. Metall-Ultraschallschweißverfahren ermöglichen hingegen dauerhafte Verbin­dun­gen zwischen den Fasern und den metalli­schen Fügekompo­nenten [2-5].

Eigene Vorarbeiten und Ziele
Die Antragsteller verfügen über umfangreiche Erfahrungen auf dem Gebiet des Ultraschall­schweißens und haben sich intensiv mit Fragen der Wechselwirkung zwischen Mikrostruktur und technologischen Eigenschaften ultraschallgeschweißter Werkstoffverbunde beschäftigt [6-9]. So können beispielsweise Gläser wie SiO2, Borosilikatglas, Kalknatron­glas aber auch Ke­ramiken wie Al2O3 und ZrO2 erfolgreich mit Metallen ultraschallgeschweißt werden. Die bei diesen Werk­stoff­kombinatio­nen erreichten Zugscherfestigkeiten liegen zwi­schen 20 und 35 MPa. Zudem belegen laufende Forschungsvorhaben an GFK-Ver­bunden die besondere Eignung der Metall-Ultraschallschweißtechnik zum Fügen von Glas/Faser-Kunststoff-Verbun­den[8-10]. Dieses Potential soll nun auch für CFK-Verbunde genutzt werden.

Literatur (stark gekürzt)

[1] Jauss, M.; Emmerich, R.; Eyerer, P.: Fügen thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe mit Bolzen oder Mikrowellen, Konferenz-Einzelbericht: 28. Internat. AVK-Tagung 1997, Composites Heute und Morgen, Ta­ gungshandbuch, Baden-Baden (1997)

[2] Netze, C.: Ultraschallschweißen von hochtemperaturbeständigen, unverstärkten, kurz­glasfaser- und endlosfa­ serverstärkten Thermoplasten, Diss. Universität Aachen (1993)

[3] Vetter, J.; Ehrenstein, G. W.: Vibrationsschweißen: Prozessverlauf, Einflussfaktoren und Qualitätssiche­rung. SKZ-Fachtagung "Verbindungstechniken bei Kunststoffbauteilen in der Serienfertigung", Würzburg (1998)

[4] Rudolf, R.; Neitzel, M.; Mitschang, P.; Steiner, M.: Innovative Fügetechniken. Vibrations­schweißen faserver­ stärkter Thermoplaste, Schweizer Maschinenmarkt, 24, Seite 50-51, 53-54, (1998)

[5] Michaeli, W.; Korte, W.: Ultraschallschweißen von langfaserverstärkten thermo­plasti­schen Prepregs, Thermoplastische Faserverbundwerkstoffe-Stand der Technik, Seite 107-119, VDI, Düsseldorf (1995)

[6] Roeder, E.; Schlicker, U.; Wagner, J.; Eifler, D.: Ultrasonic roll seam welding for the production of glass/metal compounds. Glastech. Ber. Glass Sci. Technol. 69, No. 10, (1996), 326/330

[7] Wagner, G.; Roeder, E., Eifler, D.: Einfluß einer Probenvorwärmung auf die Ultraschall­schweißbarkeit von Metall/Glas-Verbunden. Proc. DVM-Tagung: Verbundwerk­stoffe und Werkstoffverbunde, 10.1995, Bayreuth, (1996), 125/128

[8] Wagner, G.; Roeder, E.; Wagner, J.; Eifler, D.: Bedeutung der Fügeflächentemperatur bei der Herstellung von Keramik/Metall-Verbunden durch Ultraschallschweißen. DVS-Berichte 192 (1998), 325/328

[9] Solbach, D.; Wagner, G.; Mann, St.; Eifler, D.: Zur Statistik des Versagensverhaltens ultraschallgeschweiß­ter Glas-Metall-Verbunde. In: Proc. Werkstoffprüfung (1998), 177/182, Deutscher Verband für Materialfor­ schung und -prüfung e.V.

[10] Marchetti, M.; Roeder, E.; Eifler, D.: Ermüdungsverhalten kurzfaserverstärkter Gläser. In: Proc. Verbundwerk­stoffe und Werkstoffverbunde, Hrsg. K. Friedrich, DGM Informationsgesellschaft Verlag, (1997), 203/208

Eigene Veröffentlichungen sind durch eine fette Nummer hervorgehoben