11/03/2019
Door Ad Spijkers
Toepassingen in mobiliteit en transport vragen steeds meer lichtgewicht componenten om gewicht, energie en grondstoffen te besparen. Maar er is ook een groeiende vraag naar geschikte productieprocessen.
Hybride onderdelen van staal, lokaal wanneer de functie dat vereiste aangevuld met vezelcomposieten, combineren een hoge mechanische sterkte met een optimale massa. In het EU-onderzoeksproject ComMUnion ontwikkelen het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) en het Fraunhofer-Institut für Lasertechniek (ILT) in Aken samen met veertien partners uit industrie en onderzoek industriële processen voor hybride lichtgewicht constructies van metaal- en vezelcomposieten voor de auto- en luchtvaartindustrie.
Combinatie van technieken
Het nieuwe hybride productieproces is gebaseerd op een combinatie van laserstructurering en het leggen van laser ondersteunde tape: Hiervoor worden de metalen componenten eerst voorbewerkt met de laser en voorzien van een speciaal ontwikkelde en nauwkeurig gedefinieerde ruwe oppervlaktestructuur. De structurering maakt het mogelijk om de lichte constructie-elementen, die later als wapening worden gebruikt, mechanisch rechtstreeks op de stalen component aan te brengen zonder dat extra verbindingen nodig zijn.
De thermoplastische vezelcomposiet versterkingen, die specifiek zijn aangepast aan de te verwachten belastingen, worden met behulp van het geautomatiseerde tape-installatieproces op de component aangebracht. Hiervoor verwarmt de laser de met vezels versterkte tapes (die lokaal direct voor de verbindingszone op het metaal worden aangebracht), zodat het matrixmateriaal smelt. Het dringt door in de oppervlaktestructuren en zorgt ervoor dat de tapes met de ingebedde vezels zich aan het geruwde oppervlak van de staalcomponent hechten.
Geschikt voor massaproductie
De combinatie van deze twee laserprocessen, voor het structureren en voor het verwarmen, heeft vooral voordelen wanneer de mechanische eigenschappen van de component lokaal verbeterd moeten worden zonder dat het gewicht van de component aanzienlijk toeneemt. Het proces is geschikt voor massaproductie omdat er geen verdere nabewerkingsstappen nodig zijn om het materiaal te consolideren nadat de thermoplastische tapes zijn aangebracht. De lokale verwarming vermindert ook de vervorming en restspanningen bij het samenvoegen van de twee verschillende materialen.
De laserstructurering zoals die wordt door Fraunhofer ILT is ook niet onderhevig aan slijtage van het gereedschap en kan reproduceerbaar en precies op de metalen component worden gebruikt.
De onderzoekspartners hebben een eerste demonstratiecomponent van hoogwaardig staal en met vezelcomposiet versterkte kunststof vervaardigd om de geschiktheid van het proces voor gebruik aan te tonen (proof-of-concept).
Onderzoekers van beide Fraunhofer-instituten hebben de functionaliteit van de procescombinatie in het kader van het ComMUnion-project getest en bewezen met behulp van een hybride lichtgewicht zijskirt, een carrosserieonderdeel voor de automobielindustrie.
(foto: Fraunhofer IPT)