Forschung
Moleküle - © Денис Марчук/ Pixabay
05.01.2025

Multi-Material-Verbindungen von kohlefaserverstärkten Kunststoffen und Aluminium für Leichtbauanwendungen

In der aktuellen Ausgabe unserer Fachzeitschrift JOINING PLASTICS/FÜGEN VON KUNSTSTOFFEN sowie im Archiv finden Sie viele weitere interessante Beiträge. Schauen Sie doch dort mal vorbei.
Joining Plastics

Electron Beam Bonding: Multi-Material-Verbindungen von kohlefaserverstärkten Kunststoffen und Aluminium für Leichtbauanwendungen

Die 26. UN-Klimakonferenz hat die dringende Notwendigkeit hervorgehoben CO2-Emissionen zu reduzieren. Für über 20% der globalen Emissionen ist der Verkehrssektor verantwortlich, dessen Hauptstrategie es ist, durch Flottenelektrifizierung Klimaneutralität zu erreichen. Die größten Herausforderungen sind jedoch das derzeitige Gewicht der Komponenten, die Kosten der Systeme zur Gewährleistung der Effizienz und langfristige Nachhaltigkeit. Die Industrie hat erkannt, dass es transformativer Technologien und fortschrittlicher Produktionsmethoden bedarf um leichtere, effizientere sowie kostengünstige Lösungen zu entwickeln die essenziell für die Unterstützung dieses Wandels und die Erreichung der Klimaziele sind.

Elektrische- und elektronische Geräte des Verkehrswesens, wie sie in der Luftfahrt- und Automobilindustrie zu finden sind, müssen entstehende Wärme effizient abführen können, um sensible Komponenten zu schützen und ihre Langlebigkeit zu gewährleisten. Kommt es zu lokalem Wärmestau kann dieser die Leistung beeinträchtigen und die Einsatzdauer verkürzen. Folglich werden Bauteile, die eine wirksame Wärmeableitung erfordern, wie Gehäuse von Elektromotoren, Leistungselektronik und Batterien, in der Regel aus konventionell hergestelltem Stahl oder Aluminiumlegierungen gefertigt.

Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFKs)

In den vergangenen Jahren haben kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFKs) zunehmend Metalle in Produkten ersetzt, bei denen es auf eine geringe Masse bei gleichzeitig hervorragender mechanischer Festigkeit ankommt, wie es in Flugzeugen oder Hochleistungsfahrzeugen der Fall ist. Allerdings ist der Nutzen von CFKs aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit auf Anwendungen beschränkt, bei denen eine gute Wärmeabfuhr nicht an oberster Stelle steht. Um diesen Limitierungen entgegenzuwirken kann eine Kombination von Aluminium und CFKs genutzt werden. Somit lassen sich die Vorteile beider Materialien ausnutzen, die als Metall-Polymer-Multimaterialien bezeichnet werden und auf Leichtbaustrukturen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und gutem Wärmemanagement abzielen.

Electron Beam Bonding - © Fraunhofer IPK
Ein neuartiges Verfahren „Electron Beam Bonding“ zur Herstellung von Multimaterial-Bauteilen im Überlapp- und Stumpfstoß und Bilder von additiv gefertigtem AlSi10Mg und kohlefaserverstärktem PA6, die mit diesem Verfahren verbunden wurden. © Fraunhofer IPK
Elektronenstrahl-Bindung

Eine große Herausforderung liegt in der Herstellung der Metall-Polymer-Multimaterialien aufgrund der Schwierigkeit eine starke Verbindung zwischen nicht artgleichen Materialien zu schaffen, was auf den unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften beruht. Das Fraunhofer IPK hat hierfür eine neue Methode „Electron Beam Bonding“ entwickelt, um diese Herausforderung mit Hilfe innovativer Elektronenstrahltechnologien zu meistern. Bei diesem Verfahren wird die thermische Energie mittels Elektronenstrahl und definiertem Scanfeld gleichmäßig auf die Metalloberfläche eingebracht, um die für das Erreichen der Schmelztemperatur des Verbundmaterials benötigte Wärmemenge zu erzielen. Durch den direkten Kontakt von Metall und Verbundwerkstoff findet ein Wärmetransport statt, welcher zum lokalen Aufschmelzen des Verbundwerkstoffs und damit zu Adhäsion am Metallteil führt. Elektronenstrahl-Bindung bietet mehrere Vorteile, darunter die Möglichkeit den Prozess unter Vakuum auszuführen, wodurch die Bildung von Oxidschichten auf der metallischen Oberfläche oder Gasbläschen im Verbundmaterial verhindert werden. Aufgrund der sehr flexiblen Bewegungsmöglichkeiten des Elektronenstrahls und der Möglichkeit die Strahlablenkung individuell einzustellen, eignet sich das Verfahren für alle geometrischen Formen und Verbindungsarten wie Überlapp-, Stumpf-, Eck- und T-Stöße. „Electron Beam Bonding“ Die neuartige Methode „Electron Beam Bonding“ wurde im Rahmen des MULTHEM- Projekts für das Fügen von additiv gefertigten Aluminium- und kohlefaserverstärkten Kunststoffen zur Herstellung von Multimaterialien entwickelt. Das Projekt „MULTHEM – Multi Material Additive Manufacturing for Lightweight and Thermal Management” wird von der Europäischen Union im Rahmen des Horizont Europa Programms für Forschung & Innovation für 2021 bis 2027 unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101091495 gefördert. Neben den Forschungs- und Technologieorganisationen, sind auch Industrieunternehmen an dem Projekt beteiligt, um diesen innovativen Ansatz auf ihre Produkte, beispielsweise Radioaltimetergehäuse für Flugzeuge (Thales), Elektromotorgehäuse für Drohnen (AirElectric) und Batteriegehäuse für Elektrofahrräder (ÉireComposites), anzuwenden. Dieser innovative Ansatz ermöglicht die Herstellung von leichten Batterie- und Motorgehäusestrukturen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und Kühlfunktionen.

(Quelle: Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK, Berlin)

Schlagworte

AMElektronenstrahlForschungKunststoffLeichtbauPolymer

Verwandte Artikel

SKZ warnt vor gefälschten Zertifikaten – nur offiziell gelistete Nachweise stehen für geprüfte Qualität.
21.01.2026

Gefälschte Zertifikate im Umlauf

Das Kunststoff-Zentrum SKZ in Würzburg weist aktuell auf wiederholt auftretende Fälle gefälschter SKZ-Zertifikate hin.

Fügen von Kunststoffen Kunststoff Kunststoffverarbeitung Qualitätsprüfung Richtlinien Zertifikat
Mehr erfahren
Benjamin Haberl (Ausbildungsleiter BZL), Matthias Ruff (Vertriebsleitung und Prokurist SKZ), Sonja Zak (Geschäftsführerin BZL) und Thomas Gutwein (Geschäftsführer BZL, von links) freuen sich über die neue Kooperation.
13.01.2026

Vertriebspartnerschaft in Österreich unterzeichnet

Seit November 2025 verstärkt das Kunststoff-Zentrum SKZ gemeinsam mit seinem neuen strategischen Vertriebspartner, dem Bildungszentrum Lenzing (BZL), seine Aktivitäten au...

Ausbildung Kunststoff Kunststoffmarkt Schulungen Weiterbildung
Mehr erfahren
Zum Jahresbeginn 2026 übernimmt ein neues Geschäftsführungsduo die Leitung des Unternehmens:  von Links: Marc Hägele (Sprecher der Geschäftsführung) und Yongwu Chen
11.01.2026

Wechsel der Geschäftsführung bei der Sonotronic GmbH

Die Sonotronic GmbH, Anbieter für Ultraschalltechnologie im Standard- und Sondermaschinenbau mit Sitz in Karlsbad, stellt ihre Geschäftsführung zum 1. Januar 2026 neu auf...

Fügen von Kunststoffen Geschäftsführung Kunststoff Sondermaschinenbau Ultraschall Ultraschallschweißen Verbindungstechnik
Mehr erfahren
Die neu aufgestellte Geschäftsführung des SKZ (von links): Dr. Benjamin Baudrit, Prof. Dr.-Ing. Martin Bastian, Dr. Thomas Hochrein und Dr. Giovanni Schober
09.01.2026

Geschäftsführung neu strukturiert

Mit Wirkung zum 1. Januar 2026 hat sich die Geschäftsführung des Kunststoff-Zentrums SKZ neu aufgestellt. SKZ-Vorstandsvorsitzender Prof. Dr.-Ing. Martin Bastian reagiert...

Forschung Fügen von Kunststoff Geschäftsführung Kunststoffe Management Vorstand Zertifizierung
Mehr erfahren
05.01.2026

Industrial Spring 2026

From 24 through 27 March 2026, Targi Kielce will bring together companies from Poland and abroad for metalworking, automation and tooling technologies.

Additive Manufacuring AI AM Automation Coating Cutting Event Laser Metalworking Robotics Sheet Metal Surfacing Technologies Tools Trade Fair Welding
Read more