31/01/2017
Door Ad Spijkers
Om tot lichtere constructies te komen worden steeds meer met vezels versterkte kunststoffen en lichtmetalen toegepast. Maar hoe kun je deze materiaalsoorten met elkaar verbinden?
In de meest uiteenlopende branches maar in het bijzonder in de automobielbranche winnen lichte hybride onderdelen uit met vezels versterkte kunststoffen en metaal terrein. Bij de productie is echter een van de belangrijkste vragen: hoe kunnen deze ongelijksoortige materialen duurzaam en veilig met elkaar worden verbonden én gescheiden?
Vormsluiting en specifieke adhesie
Als alternatief voor de tot nu toe favoriete methode (lijmen) heeft het Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aken een nieuw samenvoegproces ontwikkeld, dat kunststof en metaal met behulp van vormsluiting en adhesie met elkaar verbindt.
Een ultrakortepulslaser genereert in het metaal micro- en nanostructuren met hoge structuurdichtheid. Vervolgens wordt het metaal verhit en de kunststof met behulp van warmte geplastificeerd. De kunststofsmelt vloeit in de microstructuren en na het afkoelen ontstaat een vaste en duurzame verbinding tussen de beide materialen.
Met deze methode kunnen hybride onderdelen met een hoge afschuifvastheid van zo'n 25 MPa worden gemaakt. Deze hoge sterkten zijn vooral het gevolg van de sterke specifieke en mechanische adhesie van de micro- en nanostructuren.
Hybride spuitgietproducten
Een soortgelijke methode ontstond voor een andere, voornamelijk in de automobiel- en elektrotechnische industrie gebruikte techniek voor materiaalcombinaties. Hierbij worden onderdelen uit kunststof voorzien van metalen inserts (foto boven). Fraunhofer-ILT ontwikkelde een op een laser gebaseerde technologie, die kunststoffen en inserts met hoge sterkte verbindt.
Met behulp van laserstralen worden microstructuren in het metaal gegenereerd, die in het hierna volgende spuitgietproces wordt opgevuld met kunststofsmelt. Nadat de kunststof de vaste fase heeft bereikt, ontstaat een sterke, duurzame en vormgesloten verbinding met een afschuifsterkte van meer dan 22 MPa.
Door aanpassing van de structuurdichtheid en oriëntatie van de microstructuren op het metallische deel van de materiaalcombinatie kan de resulterende sterkte worden beïnvloed en aan de latere bedrijfscondities worden aangepast.
Lasers voor vormgesloten verbinding
Verbindingstechnieken zoals klinken of andere vormgesloten verbindingen vereisen nauwkeurige verbindingsoppervlakken. Met een laser is het combineren van verschillende materiaalsoorten zoals metaal en met koolstofvezel versterkte kunststof (CFK) mogelijk, met slechts één gereedschap en zonder slijtage.
Hiertoe ontwikkelde het instituut een methode voor het snijden van gestapelde lagen uit met koolstofvezel versterkte kunststof en titanium respectievelijk aluminium (foto onder). Hierbij wordt het CFK in meerdere scans opgeruwd. Het oppervlak wordt zodanig bewerkt, dat het optimaal geschikt is voor het tegenliggende metallische oppervlak, dat vervolgens onder een gasatmosfeer op de kunststof wordt geperst.
Beide deelprocessen kunnen ook in een stomplasproces van naast elkaar geplaatste materiaalcombinaties worden gebruikt. Hiertoe wordt door de laserbewerking een vormsluitende vertanding van beide materiaaloppervlakken gerealiseerd. (foto's: Fraunhofer-ILT)