Entwicklung einer Multi-Material-Verbindung aus kupferbeschichtetem FVK und Stahl durch eine innovative Fusions-Technologie

Abstract

Für die Verbindung von Metall und Polymer wurden verschiedene Techniken weiterentwickelt, wie Kleben, Clinchen oder Schrauben. Diese haben Nachteile in Bezug auf die Kriechneigung der Klebstoffe oder strukturelle Schäden am faserverstärkten Kunststoff (FVK).
Eine innovative Prozesskette, bestehend aus der Laservorbehandlung des FVK vor der Metallisierung durch thermisches Spritzen und dem anschließenden Niedertemperatur-Lötprozess, ermöglicht eine zuverlässige Multimaterialverbindung, ohne strukturelle Schädigung sowohl des FVK als auch des Metallbauteils. Neben einer rauen Fügefläche ermöglicht die Laservorbehandlung eine tiefe Verzahnung der thermisch gespritzten Kupferschicht mit dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffsubstrat (CFK). Nachdem die Haftfestigkeit des kupferbeschichteten CFK im Vergleich zum Sandstrahlen auf 18 MPa verdoppelt werden konnte, wurde dieser Hybrid mit einem Stahl-Gegenstück mit einem Weichlot BiSnAg1 mittels Infraroterwärmung verbunden. Darüber hinaus erreichte der Hybrid in einem 4-Punkt-Biegeversuch ohne Beeinträchtigung der Beschichtung eine Biegespannung von 1128,0 MPa. Die Multimaterialverbindung erreichte im Zug-Scher-Versuch bis zu 15,5 MPa. Im Ermüdungsversuch hielten die Proben 5.000.000 Lastzyklen bei einer maximalen Spannung von 15 MPa und einer mittleren Spannung von 8,6 MPa ohne messbare Strukturschäden stand. Nach der Salzwasseralterung blieb die Fügezone unbeeinträchtigt.