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Bei der Produktion des 7er BMW muss im Bereich des Trägertunnels carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) mit Stahl verbunden werden. Möglich ist das dank Klebetechnik. - Bild: BMW

Faserverbundwerkstoffe gelten als bindungsscheu – sprich schwer zu fügen. Da sich die Werkstoffe aber neben Automobilproduktion und Flugzeugbau in immer mehr Branchen etablieren, ziehen auch die Fügetechniken nach. „Thermische Fügeverfahren scheiden bis heute aus“, erklärt Dr. Reinhard Mauermann, Hauptabteilungsleiter Fügen am Fraunhofer IWU. Deshalb seien mechanische Verfahren und das Kleben Gegenstand der Forschung.

Fügetechniken bei BMW: Zweikomponentenkleben, Infrarothärten und Bolzenkleben

Thomas Richter, BMW, Verfahrenstechnik
»Bei den CFK-Fahrgastzellen von BMW i3 und i8 kamen die Fügetechniken Zweikomponentenkleben, Infrarothärten und Bolzenkleben zum Ersteinsatz im Automobilbau«, so Thomas Richter, Leiter Verfahrenstechnik Karosseriebau, BMW Group Planung Produktionssystem. – Bild: BMW

Darauf setzt auch BMW. Für die Fertigung der CFK-Fahrgastzellen von BMW i3 und BMW i8 hat der Münchner Autobauer gezielt Fügeverfahren entwickelt. „Dort kamen die Verbindungstechniken Zweikomponentenkleben, Infrarothärten und Bolzenkleben zum Ersteinsatz im Automobilbau“, berichtet Thomas Richter, Leiter Verfahrenstechnik Karosseriebau, BMW Group Planung Produktionssystem stolz.

Das Bolzenkleben mit UV-Aushärtung sei über die Automobilindustrie hinaus die erste industrielle Serienanwendung überhaupt. Das Infrarothärten ermögliche BMW den Verzicht auf mechanische Fügeelemente zur Fixierung der Klebestellen und somit einen kostengünstigen Einsatz der Klebetechnik.

„Damit vermeiden wir die bei mechanischen Fügeverfahren auftretenden Beschädigungen der CFK-Verbundschicht, mit dem zusätzlichen Vorteil einer höheren Bauteilefestigkeit“, sagt Richter. Die reine Festigkeitsverklebung ohne zusätzliche Fügetechnik ist in den BMW-i-Baureihen inzwischen Standard.

Kleben: Auf die Oberflächeneigenschaften kommt es an

Aber auch beim Verkleben von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) muss einiges beachtet werden. „Eine Herausforderung ist sicherlich, dass FVK ein Begriff für eine Werkstoffgruppe mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften ist und das Thema nicht über einen Kamm geschoren werden kann und darf“, erläutert Dr. Hartwig Lohse von Klebtechnik Dr. Hartwig Lohse.

Sowohl auf der Faser-Seite als auch auf der Seite der Matrix gebe es vielfältige Möglichkeiten. Wenn auch der Einfluss der Matrix auf die Klebbarkeit deutlich höher sei als der der Fasern, dürfe dieser nicht vergessen werden. „Die Matrix bestimmt die Oberflächeneigenschaften und da Kleben an der Oberfläche stattfindet, sind deren Eigenschaften für den Erfolg und Dauerhaftigkeit einer Klebung von ausschlaggebender Bedeutung“, weiß Lohse.

Neben der Basischemie der Polymermatrix und den darin enthaltenen Additiven haben laut Lohse auch die Prozessbedingungen der Herstellung eines FVK-Teils und die dabei verwendeten Prozessmaterialien bedeutenden Einfluss auf die Oberfläche. „So ist eine mit Trennmitteln behaftete Oberfläche ohne eine vorherige Entfernung der Trennmittel in der Regel nicht sicher klebbar“, erklärt der Klebtechnik-Experte.

Allgemein könnten die Bedingungen des Formgebungsprozesses FVK-Oberflächen hinsichtlich ihrer Klebbarkeit beeinflussen und es könne sogar an einem Bauteil Bereiche geben, auf denen der Klebstoff sehr gut haftet, während es andere gibt, auf denen der gleiche Klebstoff nur schlecht oder gar nicht haftet.

Linienförmiges Fügen noch in der Testphase

Dennoch ist flächenförmiges Fügen – sprich Kleben – laut Mauermann vom Fraunhofer IWU das Standardverfahren beim Verbinden von Faserverbundwerkstoffen. Denn die gleichmäßige Kraftübertragung nutze die Werkstoffeigenschaften aller Partner am besten aus. „Das funktioniert mit entsprechender Oberflächenvorbereitung zuverlässig“, sagt der Fügetechnik-Spezialist. Linienförmiges Fügen befinde sich erst im Laborstadium.

Bei punktförmigen Fügeverbindungen fokussiert sich die Kraftübertragung zwischen den Fügepartnern sehr lokal, zum Beispiel durch Nieten mit oder ohne Vorloch, teilt Mauermann mit. „Beim Herstellen eines Vorloches ist Stanzen zwar produktiv, schädigt aber die Faserschichten durch Delamination. Deshalb werden seiner Erfahrung nach aufwendige Verfahren eingesetzt wie zum Beispiel Bohren und Wasserstrahlschneiden.

Neue Fügetechnik: der Vollstanzniet ohne Vorbehandlung der Oberflächen

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Der Dachspriegel wird beim 7er BMW ebenfalls aus carbonfaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Angebunden wird der CFK-Dachspriegel mit der Fügetechnik Halbhohlstanznieten. - Bild: BMW

Hier bietet Profil Verbindungstechnik ein neues Verfahren, das dieses Problem löst. „Um zwei Composite-Bleche sicher miteinander zu verbinden, haben wir den SBV Vollstanzniet plus Scheibe entwickelt“, erzählt Andreas Lembach aus der Entwicklungsabteilung des Unternehmens.

Über die Scheiben werde zunächst eine Vorspannung auf das Composite-Material gebracht. Anschließend wird der Vollstanzniet selbststanzend eingebracht. „Im Vergleich zum Kleben hat die Fügetechnik den Vorteil, dass keine Vorbehandlung notwendig ist und die Verbindungsfestigkeit sofort in voller Höhe vorliegt“, sagt Lembach.

Aktuell befindet sich das Verfahren im Entwicklungsstadium. Prototypen für ein Handwerkzeug zum Setzen des Vollstanzniets sind bereits vorhanden. In der Serienproduktion soll das Ganze als vollautomatischer Prozess ablaufen, bei dem ein Roboter das Nietwerkzeug führt.

Fazit: noch viele Herausforderungen beim Fügen von Faserverbundwerkstoffen

Weitere Herausforderung beim Fügen von Faserverbundwerkstoffen stellen laut Mauermann vom Fraunhofer IWU Temperaturdehnung und Korrosionsgefahr dar. „Die während der Lebenszeit einer Baugruppe auftretenden Temperaturdifferenzen führen zu unterschiedlichen thermischen Dehnungen im Metallpartner und Kunststoffverbund, die man sich wie einen Bimetalleffekt vorstellen kann“, sagt der Füge-Experte. Die Wirkung dieser Verformungen auf die Fügepartner und die Fügestelle müsse konstruktiv beachtet werden.

Wenn die Faserverbundseite wie bei CFK aus elektrisch leitenden Kohlefasern besteht, kann sich zum Fügepartner Metall eine große Potenzialdifferenz entwickeln, sagt Mauermann. Hat dann Elektrolyt während der Lebensdauer der Baugruppe Zugang zu Metall und Kohlefaser, führe das sofort zu Korrosion.

„Von Herstellkosten über Festigkeitsausnutzung, Fixierung, Toleranzen, Lösbarkeit bis Ermüdung und Korrosion gibt es viele Herausforderungen beim Fügen von Faserverbundwerkstoffen“, fasst Mauermann zusammen. Möglich ist das sichere Verbinden von CFK dennoch. Auch das Fraunhofer IWU arbeitet aktuell an einem Fügeverfahren, das sich für hohe Stückzahlen eignet.