05/11/2018
Door Ad Spijkers
Combinaties van lichtmetalen en vezelcomposieten zijn ideaal voor de lichte constructieconcepten voor de toekomst. Een nieuwe productietechniek moet een einde maken aan problemen door contactcorrosie.
Omdat lichtmetalen en kunststofcomposieten verschillende elektrochemische potentialen hebben, bestaat bij hybride combinaties het gevaar van contactcorrosie. In het kader van een onderzoeksproject van de Deutsche Forschungsgemeinschaft is een voor serieproductie geschikte nieuwe verbindingstechniek voor de combinatie van gegoten aluminium en met koolstofvezel versterkt kunststof ontwikkeld. Het Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen heeft hiertoe samengewerkt met het Faserinstitut Bremen.
Hybride onderdelen
Een materiaalcombinatie van vezelcomposieten en lichtmetalen stelt alle gevestigde verbindingstechnieken voor bijzondere uitdagingen. Bij gelijktijdig hoge verbindingssterkten mag door het verbinden geen noemenswaardig extra gewicht ontstaan. Contactcorrosie van de beide materialen moet worden vermeden. Behalve gelijmde of geniete hybride verbindingen biedt het hybride spuitgieten een nieuwe benadering om bij het verbindingen gewicht te besparen en de problematische contactcorrosie langdurig te voorkomen.
Door een thermisch resistente beschermlaag op het onderdeel uit koolstofcomposiet kunnen elektrochemische corrosieprocessen in de materiaalcombinatie worden ondervangen. Tegelijkertijd zorgt de laag voor een vaste verbinding.
Weinig processtappen
Binnen de nieuw ontwikkelde methode worden de composietstructuur vóór het gietproces gedeeltelijk gecoat met een thermisch zeer stabiele kunststof (PEEK). Deze begint pas bij temperaturen van zo'n 550°C noemenswaardig te ontbinden.
In een hierop volgende gietprocesstap wordt de composiet component in het spuitgietmatrijs gelegd en in het gebied van de kunststof met aluminium van een temperatuur van rond 700°C omspoten. Door een doelgericht gestuurd spuitgietproces met korte cyclustijden en door de keuze van verdere geschikte proces- en materiaalparameters is een integratie van de kunststof in het spuitgietproces mogelijk, ondanks het temperatuurverschil, zonder dat zijn eigenschappen worden beïnvloed.
Tijdens het productieproces van de aluminium componenten wordt gelijktijdig op deze manier een stabiele verbinding tussen beide materialen gerealiseerd. Een dure bewerking respectievelijk voorbehandeling van de verbindingsvlakken is hierdoor niet nodig. Optioneel kunnen ook ondersnijdingen in de verbindingszone worden aangebracht om de sterkte verder te verbeteren. De tot nu toe gerealiseerde verbindingssterkten liggen met zo'n 20 MPa al iin het domein van structuurlijmen.
Ontwikkeling voor serieproductie
In veel branches, zoals de automobielindustrie, luchtvaart, windenergie, sportapparatenindustrie, maar ook in de klassieke machinebouw is de vraag naar hybride materialen groot. Bij de productie van grote aantallen is een efficiënte serieproductie noodzakelijk.
Om aan deze eisen te voldoen, werd voor de maakbaarheidsstudie een vasthoudelement uit de vliegtuigbouw gekozen, dat in grote aantallen wordt geproduceerd. Doel van het team ontwikkelaars is om nu aan de hand van dit onderdeel de hybride spuitgiettechnologie zodanig verder te ontwikkelen, dat voor het aluminium spuitgietproces een procesvenster kan worden vastgelegd om reproduceerbare hybride combinaties tussen met koolstofvezel versterkte kunststoffen en aluminium seriematig te kunnen produceren.