Hybridfügen durch Fließlochformen

Für die Herstellung hybrider Werkstoffverbindungen werden aktuell verschiedene Verfahren mit und ohne Hilfsfügeelementen eingesetzt. Dabei kommt es zu unterschiedlichen Anforderungen sowie Problemen beim Fügen. Ein stoffschlüssiger hybrider Verbund aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) und Metall durch Kleben benötigt bspw. eine aufwendige Vorbehandlung der Fügepartner. Bei mechanischen Fügekonzepten zerstören die Fügeelemente meist die lasttragenden Fasernlokal, benöti-gen eine beidseitige Zugänglichkeit des Metall- und FKV-Halbzeuge. Zusätzlich beseht ein hoher Aufwand in der Positioniergenauigkeit. Das neue Verfahrensprinzip, welches durch das Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) und der Technischen Universität Braunschweig gemeinsam entwickelt wurde, stellt ein zusätzliches Fügeverfahren zum Verbinden metallischer Bleche mit FKV-, Holz- und Kunststoffhalbzeugen dar. Die beschriebenen Halbzeuge werden zwischen min-destens zwei metallischen Blechen positioniert. Die metallischen Halbzeuge und die (faserverstärkten) Kunststoff- und Holz-Halbzeuge können dabei gleiche oder unterschiedliche Abmessungen aufwei-sen. Auch können eines der metallischen Bleche oder beide metallischen Bleche Bestandteil einer Sandwichstruktur sein. Anschließend erfolgt das definierte Durchdringen aller Halbzeuge mit einem Fließlochformer. Dabei werden die Metalle erwärmt und verdrängt. Dies geschieht ohne Materialabtrag. Die Matrix des FKV-Halbzeugs wird aufgeschmolzen und die Verstärkungsfasern werden ggf. durch den Fließlochformer verdrängt und nicht zerstört, sodass ein kraftflussgerechter Faserverlauf gewährleistet ist. Das verdrängte Material formt eine Art Hülse aus, die wiederum zur Ausformung oder zum Schneiden oder Formen eines Gewindes genutzt werden kann. Bei gezielter Wahl der Prozessparameter und Materialkombination kommt es zur Ausbildung eines Form- und Stoffschlusses. Experimentell wurde das Verfahrensprinzip bereits zum Fügen eines metallischen Blechs mit einem FKV-Halbzeug und einer metallischen Decklage eines Metallschaumsandwiches getestet. Das Ergebnis ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Vorteile des Verfahrens sind: lediglich einseitige Zugänglichkeit zur Fügestelle, Materialverdrängung, d.h. kein Materialabtrag, keine Vorlochbohrungen erforderlich, daraus resultierende große La-getoleranzen der zu fügenden Halbzeuge (Positioniergenauigkeit), Aufschmelzen der Matrix und ggf. kraftflussgerechte Verdrängung der Fasern, Ausbildung eines Hinterschnitts / Formschlusses und ggf. Ausbildung eines Stoffschlusses. Das Verfahrensprinzip eignet sich für alle Anwendungsgebiete in denen metallische Bleche u.a. mit FKV-Halbzeugen verbunden werden. Zu nennen sind hier der Maschinen- und Anlagenbau, der Automobil-, Schienenfahrzeug und Schiffsbau sowie die Luft- und Raumfahrttechnik.

Various processes with and without additional fasteners are currently used for the production of hy-brid material connections. This leads to different requirements and problems when joining. A cohesive hybrid composite joint of fiber reinforced plastics (FRP) and metal by gluing requires, for example, complex pretreatment of the joining partners. With mechanical joining concepts, the joining elements usually destroy the load-bearing fibers locally and require access to the metal and FKV semi-finished products from both sides. In addition, there is a lot of effort in positioning accuracy. The new process principle, which was developed jointly by the Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology (IWU) and the Technical University of Braunschweig, represents an additional joining pro-cess for joining metal sheets with FRP, wood and plastic semi-finished products. The semi-finished products described are positioned in between at least two metal sheets. The metallic semi-finished products and the (fiber reinforced) plastic and wood semi-finished products can have the same or different dimensions. One of the metallic sheets or both metallic sheets can also be part of a sand-wich structure. Then the defined penetration of all semi-finished products takes place with a flow punch former. The metals are heated and deformed. This happens without material removal. The matrix of the FRP semi-finished product is melted and the reinforcing fibers are, if applicable, dis-placed by the flow punch former and not destroyed, so that a continuous fiber load path is guaran-teed. The deformed metal forms a kind of sleeve, which in turn can be used for shaping or for cutting or forming a thread. With a targeted choice of process parameters and material combination, a form closure and adhesive bond can be produced. The principle of the procedure for joining a metallic sheet with an FRP sheet and a metallic top layer of a metal foam sandwich has already been experi-mentally tested. The result is shown in Figure 1.