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

3D-FiberTrain: Druck der Bugnase eines Hochgeschwindigkeitszug
29.05.2026

Fraunhofer Forschungsfeld Leichtbau bündelt Kompetenzen aus 16 Instituten

Seit 2025 leitet das Fraunhofer IWU das Forschungsfeld Leichtbau. Dieser Zusammenschluss bündelt die Kompetenzen von 16 Fraunhofer-Instituten und bildet damit eine interd...

CO2 Faserverbundbauteile Forschung Industrielle Anwendungen Innovation Leichtbau Materialentwicklung Recycling Ressourcennutzung Schienenfahrzeugbau Wertschöpfungskette
Mehr erfahren
Pultrusion: lange, leichte und zugleich hochfeste Faserverbundprofile.
27.05.2026

Pultrusionsverfahren im Überblick: Nachhaltige Faserverbundprofile für die Industrie

Pultrusion ermöglicht die kostengünstige Herstellung hochfester Faserverbundprofile. Erfahren Sie mehr über Anwendungen in Bauwesen, Energietechnik und E-Mobilität.

Batterie Baustahl Energie Energietechnik Fahrzeugbau Fertigung Forschung Fraunhofer Fraunhofer IWU Industrieanwendungen Konstruktion Korrosion Leichtbau Schienenfahrzeugbau Schienenfahrzeuge Simulation Stahl Thermoplaste Thermoplasten Umformen Werkstoff Werkstoffe
Mehr erfahren
27.05.2026

Zehn Titan-beschichtete Bi-Metall Sägeblätter für den Multimaster ab Mai 2026

Mit der Erweiterung seines Zubehörsortiments bringt FEIN zum 1. Mai 2026 acht weitere Titan-beschichtete Bi-Metall Sägeblätter für den FEIN Multimaster auf den Markt. Zus...

Aluminium Aluminiumprofile AM Beschichtung Kunststoff Multitool Schleifen Schneiden TIG Tools Werkstoff
Mehr erfahren
v.l.n.r.: Prof. Robert Schmitt, Prof. Michael Riesener, Prof. Wolfgang Boos und Prof. Christian Brecher
13.05.2026

Neues Direktorium am WZL der RWTH Aachen

Prof. Dr.-Ing. Michael Riesener und Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Boos treten gemeinsam die Nachfolge von Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Günther Schuh am Werkzeugmaschinenlabo...

Forschung Getriebetechnik Grundlagenforschung Industrie Innovationskraft Produktion Sensorsysteme Werkzeugmaschinen Wettbewerbsfähigkeit
Mehr erfahren
v.l.n.r.: Prof. Dr.-Ing. Mirko Schaper, Dekan der Fakultät für Maschinenbau, Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Leiter des Laboratoriums für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) und Universitätspräsident Prof. Dr. Matthias Bauer.
12.05.2026

50 Jahre Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik

Das Laboratorium für Werkstoff und Fügetechnik (LWF) der Universität Paderborn blickt 2026 auf 50 erfolgreiche Jahre Forschung, Lehre und Technologietransfer zurück.

Anlagentechnik Bauwesen Forschung Fügetechnik Karosseriebau Maschinenbau Technologietransfer Werkstofftechnik
Mehr erfahren