Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Metall-Kunststoff-Hybridbauteile haben sich im Bereich des automobilen Leichtbaus in den letzten Jahren etabliert. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer dünnwandigen Stahlblechstruktur in Verbindung mit geeignet gestalteten Kunststoffbereichen zur Verstärkung. Konventionell werden die Metallteile getrennt von den Kunststoffteilen hergestellt. Im Spritzgussprozess erfolgt lediglich das Urformen der Kunststoffteile und das Verbinden von Kunststoff- und Metallkomponenten. Die Herstellung derartiger Bauteile ist daher immer noch sehr arbeits- und kostenintensiv. Im Rahmen des Forschungsclusters »MERGE – Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen« wird an einstufigen Prozessen geforscht, die eine kostengünstigere Herstellung von Hybridkomponenten ermöglichen. Am Fraunhofer IWU werden dazu zwei Verfahrenskombinationen entwickelt. Weitere Forschungsschwerpunkte sind die Untersuchung der Metall-Kunststoff-Mischverbindung für Stahl- und Aluminiumwerkstoffe in Kombination mit verschiedenen Thermoplasten. Ziel hierbei ist die Substitution kostenintensiver Haftvermittler durch geeignete Oberflächenbehandlung und -strukturierung der Halbzeuge.
Verfahrenskombination Tiefziehen, Spritzgießen und Umformen mit der Schmelze
Das Verfahren verläuft in zwei aufeinanderfolgenden Prozessstufen im gleichen Werkzeug. Zunächst wird das Blech durch Tiefziehen umgeformt, im Anschluss erfolgt bei geschlossenem Werkzeug das Spritzgießen. Alleinstellungsmerkmal des am Fraunhofer IWU entwickelten Prozesses ist die gleichzeitige Nutzung der Kunststoffschmelze als Wirkmedium für die erweiterte Metallumformung im Innenhochdruck-Blechumformverfahren. Damit können Hinterschneidungen und andere Formelemente erzeugt werden, die bspw. einem zusätzlichen Formschluss dienen. Durch die Kombination aus Tiefziehen und Innenhochdruck-Blechumformen lassen sich die Vorteile beider Verfahren nutzen und komplexere Bauteilgeometrien ausformen als mit der üblichen Verfahrensweise. Da das Tiefziehen auf Kunststoffspritzgießmaschinen heutiger Bauart nicht vorgesehen ist, wurde die Verfahrenskombination auf einer konventionellen Tiefziehpresse mit angeschlossenem Bolt-On-Aggregat für den Kunststoffspritzguss realisiert.
Verfahrenskombination IHU und Spritzgießen
Geschlossene Profile bieten im Vergleich zu Blechbauteilen bei gleichem Gewicht höhere Steifigkeiten und somit ein höheres Leichtbaupotenzial. Im Gegensatz zu blechbasierten Metall-Kunststoff-Hybridbauteilen ist ein Umspritzen von dünnwandigen Hohlprofilen mit Kunststoff ohne innere Abstützung der Profile nicht möglich. Aufgrund des hohen Spritzdrucks würden die Profile kollabieren. Der Einsatz von Wirkmedien bewirkt nicht nur eine innere Abstützung, sondern wird gleichzeitig für eine zusätzliche Formgebung beim IHU genutzt. So lassen sich hochintegrierte profilbasierte Metall-Kunststoff-Hybridbauteile mit hohem Leichtbaufaktor in einem Schuss fertigen. Bei beiden Verfahrenskombinationen liegt die Herausforderung in der Kombination zweier unterschiedlicher Verfahrensgruppen. Das betrifft sowohl die Prozessauslegung und -führung als auch die Gestaltung der Werkzeuge. Durch intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Kunststoffexperten wurden beide Verfahren anhand von Demonstratoren erfolgreich erprobt.