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Oral-Poster-Präsentation

Funktionelles Laserstrukturieren temperatursensibler Materialien für Leichtbau-Anwendungen

Mittwoch (26.06.2019)
15:03 - 15:06 Uhr

Durch konstruktiven Leichtbau, neue Materialien und prozesstechnische Neuentwicklungen werden Gewichtseinsparungen erzielt, die im Einsatz bewegter Massen zu geminderten Energieverbrauch und Emissionen führen. Hierfür werden häufig schwere Metallkomponenten durch leichteren Faser-Kunststoff-Verbund ersetzt. Nichtsdestotrotz ist Metall in bestimmten Bereichen unabdinglich, z.B. wenn eine verschleißbeständige Oberfläche gefordert ist oder metallische Krafteinleitungselemente benötigt werden.

Lösungsansätze liegen in unterschiedlichsten Beschichtungs- und Fügeprozessen. Eine Herausforderung besteht in der zuverlässigen Verbindung von Funktionselement mit dem kunststoffbasierten Substrat. Essenziell ist dabei die Oberflächenbeschaffenheit des zu modifizierenden Bauteils. Je rauer die Oberfläche, desto mehr Verankerungspunkte bietet sie im nachfolgenden Verarbeitungsprozess. Etablierte Vorbehandlungs-Methoden aus der Metallverarbeitung, wie das Sandstrahlen, sind nur bedingt auf faserverstärkte Kunststoffe übertragbar. Die hohe Aufprallenergie der Teilchen raut die Oberfläche stochastisch an, beschädigt aber zugleich oberflächennahe Fasern.

Eine berührungsfreie und verschleißarme Alternative bietet die Laserstrukturierung. Das lokale Entfernen der Kunststoffmatrix mit gepulster Laserstrahlung legt die Fasern schonend frei, sodass saubere und definierte Verankerungsmöglichkeiten für den Fügepartner entstehen. Die vergrößerte Oberfläche sowie die erzeugten Hinterschnitte ermöglichen einen tiefgreifenden Formschluss. Mit der Laserstrukturierung werden signifikant höhere Haftfestigkeiten bei Kleben, Kunststoff-Spritzgießen als auch Beschichten erlangt. In Rippen-Abzugsversuchen zeigen angespritzte Kunststoffrippen an ein Organoblech eine zehnfach höhere Haftfestigkeit im Vergleich zur unbehandelten Oberfläche. Thermische Spritzschichten weisen unter Verwendung einer Laserstrukturierung eine 40%-ige Steigerung der Schichthaftung im Vergleich zum mechanischen Strahlen auf. [1]

Ein Alleinstellungsmerkmal besteht im gezielten Freilegen eng begrenzter Funktionsflächen mit nachfolgendem Beschichten ohne Maskierung. Aufgrund des lokalen Anrauens durch den Laser haftet das Beschichtungsmaterial ausschließlich in dem vorbehandelten Bereich. So können dünne Leiterbahnen maskenfrei erzeugt werden. Es werden maßgeschneiderte Eigenschaften von Verschleißschutz für Gleitlager über Temperaturisolierung bis hin zu Heizfunktion zum Beispiel für Batteriegehäuse umsetzbar.

Sprecher/Referent:
Jana Gebauer
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS