LaserDireCt - Laserbasiertes Direktfügen von Thermoplasten mit duroplastischen CFK-Leichtbaustrukturen für den industriellen Einsatz, Teilvorhaben: Entwicklung von erfolgreichen Fügeverbindungen anhand von generischen Bauteilen

Abstract

Vor dem Hintergrund des Klimawandels und der zunehmenden weltweiten Bestrebung Produkte klima- und ressourcenschonend zu gestalten, hat sich der Multi-Material-Leichtbau und damit auch der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen in vielen Industriezweigen zunehmend etabliert. So werden für High-Performance-Bauteile und Strukturbaugruppen kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze (EP-CFK) aufgrund ihrer hervorragenden gewichtsspezifischen mechanischen Performance eingesetzt. Diese ermöglichen durch die lastpfadoptimierte Ausrichtung der Fasern eine Substitution von schweren Materialien z.B. bei Fahrzeugstrukturen, im Schiffs- und Flugzeugbau oder auch im Windkraftsektor, mit dem Ziel die Energieeffizienz der Produkte zu steigern. Für nicht- oder semi-tragende Bauteile zeigt sich demgegenüber ein hohes Anwendungspotenzial für Thermoplaste (TP) und glasfaserverstärkte Thermoplaste (TP(GF)). Diese zeichnen sich besonders aufgrund ihrer herausragenden Verarbeitungs- und Gestaltungsmöglichkeiten bei gleichzeitig geringen Herstellungskosten und moderater Performance aus. Weiterhin bieten sie durch ihre Wiederaufschmelzbarkeit ein hohes Recyclingpotenzial. Bei der Befestigung von nicht- bzw. semi-strukturellen Bauteilen aus TP an Strukturbaugruppen aus EP CFK (z.B. bei der Anbringung von Befestigungselementen für Kabelführungen, Anbauteilen oder Sensoren im Mobilitätssektor oder zur Versteifung von CFK-Strukturen z.B. bei Motorhauben oder den Flügeln von Windkrafträdern) stoßen die herkömmlichen etablierten Fügeverfahren an ihre Grenzen.

Against the backdrop of climate change and the increasing global efforts to design products in a climate- and resource-friendly manner, multi-material lightweight construction and thus the use of fibre-reinforced plastics has become increasingly established in many branches of industry [1]. For example, carbon fibre-reinforced epoxy resins (EP-CFRP) are used for high-performance components and structural assemblies due to their outstanding weight-specific mechanical performance. Thanks to the load path-optimised orientation of the fibres, these enable the substitution of heavy materials, e.g. in vehicle structures, in ship and aircraft construction or in the wind power sector, with the aim of increasing the energy efficiency of the products [2,3]. In contrast, thermoplastics (TP) and glass fibre-reinforced thermoplastics (TP(GF)) have a high application potential for non-load-bearing or semi-load-bearing components. These are characterised in particular by their outstanding processing and design options combined with low manufacturing costs and moderate performance [4,5]. Furthermore, they offer a high recycling potential due to their re-meltability [6]. When fastening non-structural or semi-structural components made of TP to structural assemblies made of EP CFRP (e.g. when attaching fastening elements for cable guides, add-on parts or sensors in the mobility sector or for stiffening CFRP structures, e.g. for bonnets or the wings of wind turbines), the conventional established joining processes reach their limits.