carbonfaserverstärkter Kunststoff, CFK, Kelebetechnik, Fügetechnik

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

| von Susanne Nördinger

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

carbonfaserverstärkter Kunststoff, CFK, BMW, Fügetechnik
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.

Beispiel 1: Automatisiertes Kleben von FVK-Platten

Fraunhofer IFAM, Fügetechnik, FVK-Platten
Automatisiertes Kleben von FVK-Platten entwickelt am Fraunhofer IFAM. - Bild: Fraunhofer IFAM

Faserverstärkte Kunststoffplatten bringen im Flugzeugbau Stabilitäts- und Gewichtsvorteile. Die Montage des neuen Materials ist aber komplex. Daher hat das Fraunhofer IFAM eine Testanlage für das automatisierte klebetechnische Fügen von FVK-Platten entwickelt, die die Fertigung erleichtert.

Die geforderte Flexibilität der Fügevorrichtung liefert die modulare und dezentrale Antriebstechnik Indradrive Mi von Rexroth. „Die Besonderheit unserer Anlage ist das automatisierte Toleranzmanagement, also das vorsichtige ‚Hinbiegen‘ der großen Bauteile, bis sie zueinander passen“, sagt Dr. Dirk Niermann vom Fraunhofer IFAM.

Beispiel 2: Sandwich-Panels sicher verkleben

Delo Industrie Klebstoffe, Sandwich-Panels, Delo-Duopox
Sandwich-Panels sicher verkleben mit einem zweikomponentigen Klebstoff von Delo Industrie Klebstoffe. - Bild: Delo Industrie Klebstoffe

Delo Industrie Klebstoffe hat einen zweikomponentigen Klebstoff für den Flugzeuginnenraum entwickelt. Delo-Duopox AB8390 ist für Verklebungen von Sandwich-Panels geeignet. Der Klebstoff hat eine gute Festigkeit im Temperaturbereich von -55 °C bis +85 °C. Zudem ist er weiß und farbecht, wie eine 1 000-Stunden-Lagerung bei +70 °C und 85 % Luftfeuchtigkeit zeigt. Mit dem Klebstoff werden etwa Composite-Panels für Gepäckablagen geklebt. Das Panel besteht nicht aus CFK oder GFK, sondern aus phenolharzbeschichteten Aramid-Fasern. Darauf wird noch eine transparente Dekorfolie aus Polyvinylfluorid zur Oberflächenbeschichtung geklebt.

Beispiel 3: Fügen per Steg-Schlitz-Prinzip

Steg-Schlitz-Prinzip, Fraunhofer IWS, Fügetechnik
Fügen per Steg-Schlitz-Prinzip zum Verbinden von faserverstärktem Thermoplast mit Metall entwickelt am Fraunhofer IWS. - Bild: Fraunhofer IWS.

Am Fraunhofer IWS kommt das sogenannte Steg-Schlitz-Prinzip zum form- und stoffschlüssigen Verbinden von faserverstärktem Thermoplast (Organoblech) mit Metall zum Einsatz. Das Organoblech dient als Stegblech, ein metallisches Blech als Schlitzblech. Beim Fügen kommt der Laser ins Spiel. Der Faserlaser erlaubt einen sehr fein einstell- und regulierbaren Wärmeeintrag und erhitzt berührungslos und exakt positioniert den überstehenden Teil des faserverstärkten Stegblechs. Die zweidimensionale und hochfrequente Strahlauslenkung mithilfe einer Scanneroptik ermöglicht eine gleichmäßige Erwärmung des Kunststoffs.

Beispiel 4: Selbstfurchende Gewindebuchse

IMS Verbindungstechnik, Fügetechnik, Gewindebuchse
Selbstfurchende Gewindebuchse entwickelt von IMS Verbindungstechnik. - Bild: IMS Verbindungstechnik

Das Mebux-LW Insert von IMS Verbindungstechnik ist eine neu entwickelte Gewindebuchse. Das Außengewinde wurde speziell für den Einsatz in faserverstärkten Kunststoffen entwickelt und ist selbstfurchend. So kann das Insert ohne Vorschneiden eines Gewindes eingebracht werden. Das Innengewinde ist nicht komplett ausgeformt und bewirkt zusammen mit seitlichen Schneidschlitzen, dass sich das Insert beim Eindrehen einer Schraube verspreizt. Eine zusätzliche Fixierung im Werkstück ist durch die Verspreizung der Buchse nicht erforderlich. Das Verfahren eignet sich, wenn im CFK ein dauerhafter Verschraubungspunkt benötigt wird.

Beispiel 5: Kalt lochen und kalt nieten

Profil Verbindungstechnik, Fügetechnik, Composites
Das Verfahren ‚Kalt lochen plus kalt nieten‘ von Profil Verbindungstechnik. - Bild: Profil Verbindungstechnik

Das Verfahren ‚Kalt lochen plus kalt nieten‘ von Profil Verbindungstechnik wird schon lange dafür eingesetzt, die Elemente ‚Mutter‘, ‚Bolzen‘ oder ‚Massebolzen‘ in Aluminium oder Stahl einzusetzen. Indem die Form der Nietmatrize im Setzwerkzeug verändert wurde, eignet sich die Fügetechnik nun auch für Composite-Materialien.

Zunächst wird mithilfe des kalten Werkzeugs in den kalten Composite-Kunststoff mit einer Lockkraft von rund 5 kN innerhalb von 1 s ein Loch eingebracht. Dann erfolgt im Zeitraum von rund 1 s und mit einer Nietkraft von rund 70 kN der Nietvorgang. Das Verfahren wird in Serie genutzt.

Beispiel 6: Vollstanzniet plus Scheibe

Profil Verbindungstechnik, Fügetechnik, Composites, Vollstanzniet
SBV Vollstanzniet plus Scheibe entwickelt von Profil Verbindungstechnik. - Bild: Profil Verbindungstechnik

Bringt man Halbhohlstanznieten in Composites ein, können sich Faserschichten des Composite-Materials trennen (Delamination). Um zwei Composite-Bleche sicher miteinander zu verbinden, hat Profil Verbindungstechnik daher den SBV Vollstanzniet plus Scheibe entwickelt.

Über die Scheiben wird 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. Aktuell befindet sich das Verfahren im Entwicklungsstadium.

Der Eintrag "freemium_overlay_form_pro" existiert leider nicht.