Lichter bouwen met hybride

Het vast verbinden van constructiedelen uit verschillende materialen (bijvoorbeeld metaal en kunststof composiet) is een complex probleem. Fraunhofer-IWS heeft een geschikte verbindingsmethode ontwikkeld.

Het verbinden van nieuwe paren materialen; nieuwe constructieprincipes; op kwaliteit ingerichte productieprocessen. Dat zijn de uitdagingen waarvoor ondernemingen maar ook de onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) al jaren staan. Onderdelen en modules moeten zo licht, belastbaar en betrouwbaar mogelijk zijn en lang meegaan. Hybride verbindingen uit metaal en composietmaterialen vormen in de voertuigbouw, lucht- en ruimtevaart en veel andere terreinen de nieuwe trend.

Hybride constructies

Systemen uit meerdere maar op elkaar afgestemde combinaties van materialen zijn voor toekomstige vervoerssystemen de sleutel voor oplossingen met lichte constructies die zuinig omgaan met grondstoffen. In zowel de automobiel- als de luchtvaartindustrie gaat de trend wat betreft nieuwe soorten materialen in de richting van composietcombinaties.

Daarbij worden geschikte materialen met elkaar gecombineerd om de voordelen afhankelijk van hun belasting gericht te benutten. In veel innovatieve constructies worden zowel gecombineerde metalen onderdelen (bijvoorbeeld staal-aluminium) als hybride structuren (metalen en met vezels versterkte kunststofcomposieten) gebruikt.

Dergelijke hybride constructies vormen een grote uitdaging voor het verbinden van de combineren onderdelen. In tegenstelling tot monolithische structuren is het samenvoegen hiervan wezenlijk gecompliceerder. Afhankelijk van de combinatie van materialen is een speciaal, bij de materialen én bij de productietechniek passend verbindingsconcept nodig om verbindingen met voldoende kwaliteit en belastbaarheid reproduceerbaar te realiseren.

Laserverbinding

De onderzoekers van Fraunhofer-IWS in Dresden hebben reeds sleufprincipe voor vorm- en materiaalgesloten verbindingen van twee metaalplaten ontwikkeld en daarbij duidelijke vooruitgang geboekt voor lichter bouwen. Deze ervaringen zijn nu ook gebruikt voor het verbinden van met vezels versterkte thermoplasten (composietplaat) met metaal. De composietplaat dient hier als plaatfitting.

Voor het verbinden komt de laser om de hoek kijken. Een fiberlaser maakt zeer fijn instelbare en regelbare warmteoverdracht mogelijk en verhit contactloos en exact gepositioneerd het úitstekende deel van de met vezels versterkte plaatfitting. De tweedimensionale hoogfrequente bestraling met behulp van een scanneroptiek maakt een gelijkmatige verwarming van de kunststof mogelijk. Het juiste verwarmingsconcept garandeert de kwaliteit van dit gevoelige proces.

De laser vindt echter ook toepassing voor het direct thermisch verbinden van metaal met composietplaat voor overlappende verbindingen. De voeg wordt aan metaalzijde met behulp van een laser gestructureerd en ook de verwarming gebeurt met behulp van een laser. De vorm- en materiaalgesloten verbindingen op microscopisch niveau hebben dezelfde of hogere sterkten dan lijmverbindingen.

De bovenste foto toont een direct thermisch verbonden overlappende verbinding (hybride verbinding) uit metaalplaat en een met vezels versterkte thermoplast. De onderste foto toont een doorsnede van een direct thermisch verbonden overlappende verbinding uit metaalplaat (wit) en een met glasvezel versterkte thermoplast met lasermacrostructurering (foto's: Fraunhofer-IWS, Dresden).