P 1128 – Thermisches Fügen von lichtbogenoberflächenbehandelten Stählen mit faserverstärkten Kunststoffen

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ISBN: 978-3-946885-87-0 Kategorien: ,

Beschreibung

P 1128 – Thermisches Fügen von lichtbogenoberflächenbehandelten Stählen mit faserverstärkten Kunststoffen

Das thermische Fügen metallischer und polymerer Werkstoffe bietet gegenüber mechanischen Fügeverfahren und Kleben Vorteile. Um eine ausreichende Haftfestigkeit zu erreichen ist eine Oberflächenvergrößerung des metallischen Fügepartners vorteilhaft. Dazu werden hauptsächlich Strahl- oder Laserverfahren eingesetzt. Die Bewertung der erzeugten Oberflächen erfolgt durch Bestimmung geometrischer Kenngrößen, aber auch Testverfahren zur Benetzbarkeit. In der vorhandenen Literatur konnten Haftfestigkeiten je nach Material und Strukturierungsverfahren zwischen 5,2 MPa und 43 MPa recherchiert werden. Oberflächenstrukturierung mittels Lichtbogen ist bisher kaum dokumentiert. Die erzeugten Strukturen weisen eine hohe Unregelmäßig auf, und es nicht bekannt, inwiefern vorhandene Verfahren zur Oberflächenbewertung angewendet werden können.
Ziel des Projektes war es, metallische Oberflächenstrukturen mittels herkömmlicher Lichtbogentechnik zu strukturieren. Die oberflächenbehandelten Metalle dienen zur Herstellung von hybriden Metall-Kunststoff-Verbindungen. Als Referenz zur Lichtbogenstruktur wurden Laserstrukturen im Dauerstrich- (cw) sowie im gepulsten Betrieb erzeugt. Fokus der Untersuchungen stellte die Charakterisierung der erzeugten Strukturen in Hinblick auf deren topografische und energetische  Beschaffenheit sowie deren Auswirkungen auf das Benetzungs- sowie das daraus resultierende Bruchverhalten dar. Die Untersuchungen wurden zunächst an modellhaften punktförmigen Versuchen zur Bestimmung der einen Zugfestigkeit für unterschiedliche Materialpaarungen durchgeführt. Anschließend fand eine Übertragung der Ergebnisse auf industrienahe Fügegeometrien statt (linienförmigen Versuche). Hierbei wurden neben den genannten Werkstoffen zusätzlich faserverstärke Thermoplasten eingesetzt.
Durch die gewonnenen Erkenntnisse soll ein Beitrag zur aktuellen Erforschung von neuen Fügeverfahren für hybride Werkstoffverbunde geleistet werden. Die Prozessparameteranalyse zur Erstellung von laserstrukturierten Oberflächen im gepulsten sowie im cw-Laserbetrieb zeigt deutliche Unterschiede in den erreichbaren Strukturformen. Unter Verwendung des cw-Prozesses können vorwiegend tiefe Strukturen hergestellt werden. Hierbei ist die Anzahl der Überfahrten maßgeblich für die Geometrie des resultierenden Strukturmusters. Ab einer Anzahl an Überfahrten von i = 2 entsteht eine tropfenförmige Strukturierung, welche Hinterschneidungen aufweist. Mittels gepulster Laserstrahlung lassen sich durch geringe Pulsfrequenzen (f = 20 kHz) breite, flache Strukturen erzeugen. Mit zunehmender Pulsfrequenz (f = 60 – 70 kHz) können aufgrund des auftretenden Druckes tropfenförmige Strukturen hergestellt werden.

Veröffentlichung:
Januar 2021

Autoren:
M.Sc. M.-L. Solf, Dr.-Ing. K. Schricker, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. J. P. Bergmann, Dipl.-Ing. M. Lohse, Dr.-Ing. M. Hertel, Prof. Dr.-Ing. habil. U. Füssel