Analyse der erzielbaren Verbundeigenschaften von Kunststoff/Metall-Hybriden durch das Hinterspritzen metallischer dreidimensionaler Surfi-Sculpt Formschlusselemente unter Berücksichtigung der Ausbildung von Mikrobindenähten (HySurf)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann; Professor Dr.-Ing. Uwe Reisgen
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik ; Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555232518

Kunststoff/Metall-Hybridbauteile werden aufgrund der kombinierten Nutzbarkeit der werkstoffspezifischen Eigenschaften zur Gewichtsreduktion von Strukturbauteilen und zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eingesetzt. Die Verbindung der artfremden Werkstoffgruppen kann durch Fügeprozesse wie Schweißen, Kleben oder im integrierten Hinterspritzprozess, dem so genannten In-Mould-Assembly erfolgen. Dabei werden verschiedene Verbindungsmechanismen (kraft-, stoff-, formschlüssig) unterschieden. Formschlüssige Verbindungen bieten die Vorteile der kunststoffseitigen Materialunabhängigkeit und Wiederlösbarkeit der Komponenten. Konventionelle form- sowie stoffschlüssige Verbindungsmechanismen haben gemein, dass die Anbindung der beiden Werkstoffe vorwiegend über eine zweidimensionale Grenzfläche zwischen den beiden Werkstoffen definiert ist. Demgegenüber bietet das Surfi-Sculpt Verfahren die Möglichkeit, dreidimensionale makroskopische Strukturen auf verschiedenartigen Metalloberflächen zu erzeugen, welche sich aus einer dominanten Erhöhung und einer begleitenden Vertiefung zusammensetzen. Dies ermöglicht eine verbesserte Strukturausnutzung für die Anbindung zwischen Metall und Kunststoff, resultiert jedoch, durch das Hineinragen der metallischen Struktur in die Kunststoffkomponente, in neuen Fließ- und Anbindungseffekten im Vergleich zu rein subtraktiven Strukturen. Die Surfi-Sculpt Strukturen können im Laserstrahlschweißprozess erzeugt werden. Dabei hängt die resultierende Geometrie von den Prozessparametern ab und beeinflusst den im Hinterspritzprozess entstehenden Formschluss signifikant. Die Kenntnis über diese Wechselwirkungen ermöglicht eine lastfallspezifische Einstellung dreidimensionaler Formschlussgeometrien, wodurch die Verbundeigenschaften zielgerichtet optimiert werden können. Zur Bestimmung des Einflusses der Surfi-Sculpt Struktureigenschaften auf den Hinterspritzprozess und die resultierenden Verbundeigenschaften werden geometrisch verschiedenartige Surfi-Sculpt Strukturen in die Metallkomponente eingebracht und anschließend im Spritzgießprozess formschlüssig mit der Kunststoffkomponente verbunden. Der Fokus liegt sowohl auf der Betrachtung der Eigenschaften der erzeugten metallischen Surfi-Sculpt Strukturen (Erhöhung, Vertiefung, Breite, Hinterschnitt, Anordnung, metallurgische Eigenschaften) als auch auf den Einflüssen des Verbindungsprozesses (Fließ-, Füll- und Abkühlverhalten der Kunststoffschmelze, Druck- und Temperaturverhältnisse), die auf die Gesamtbauteileigenschaften wirken. In Spritzgießsimulationen wird der Einfluss der verschiedenen Strukturgeometrien und Positionen auf die resultierenden Bindenähte hinter den Einzelstrukturen untersucht. Gesamtziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Methodik zur Vorhersage des Verbund- und Versagensverhaltens von hinterspritzten dreidimensional verbundenen Kunststoff/Metall-Hybridbauteilen durch Surfi-Sculpt Strukturen in Abhängigkeit der Prozess- und Materialparameter.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen