SB_21226BRLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Werkstofforientierte
Prozessführung
punktförmiger
Thermoplast-Metall-
Hybridverbindungen
mittels einseitiger
Widerstandserwärmung

Werkstofforientierte
Prozessführung punktförmiger
Thermoplast-Metall-
Hybridverbindungen
mittels einseitiger
Widerstandserwärmung
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.226 BR
DVS-Nr.: 04.3289
Technische Universität Ilmenau
Fakultät Maschinenbau
Fachgebiet Fertigungstechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.226 BR / DVS-Nr.: 04.3289 der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 583
Bestell-Nr.: 170693
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Schlussbericht vom 31.03.2023
zu IGF-Vorhaben Nr. 21.226 BR
Thema
Werkstofforientierte Prozessführung punktförmiger Thermoplast-Metall-Hybridverbindungen
mittels einseitiger Widerstandserwärmung
Berichtszeitraum
01.10.2020 - 31.03.2023
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Technische Universität Ilmenau
Fakultät Maschinenbau
Fachgebiet Fertigungstechnik
Gustav-Kirchhoff-Platz 2
98693 Ilmenau

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ....................................................................................................................... 8
2 Stand der Forschung und Technik .................................................................................10
2.1 Fügen von Kunststoff mit Metall .........................................................................10
2.2 Thermisches Fügen von Kunststoff mit Metall ....................................................10
3 Ziel des Forschungsvorhabens ......................................................................................36
4 Experimentelles Vorgehen ............................................................................................37
4.1 Werkstoffe ..........................................................................................................37
4.2 Anlagentechnik ...................................................................................................39
4.3 Mechanische Verbindungcharakterisierung ........................................................40
4.4 Materialografische Verbindungscharakterisierung ..............................................41
4.5 Laserstrukturierung ............................................................................................42
5 Ergebnisse und Diskussion ...........................................................................................44
5.1 Instrumentierter Halbschnittversuchsstandes und Charakterisierung der
Werkstoffe ..........................................................................................................44
5.1.1 Halbschnittversuchsstand .......................................................................44
5.1.2 Charakterisierung der Grundwerkstoffe...................................................48
5.2 Untersuchungen zur Fügezonenausbildung im Halbschnittversuch ....................49
5.2.1 Einfluss der Schweißzeit .........................................................................49
5.2.2 Einfluss der Elektrodenkraft ....................................................................56
5.2.3 Einfluss des Schweißstroms ...................................................................64
5.2.4 Vergleich der Einflüsse auf die Schmelzschichtgeometrie ......................67
5.2.5 Einfluss verzinkter Oberflächen ..............................................................70
5.2.6 Fazit zu den Einflüssen auf die Schmelzschichtcharakteristik im
Halbschnittversuch .............................................................................................72
5.2.7 Übertragbarkeit der Halbschnittversuche auf die koaxiale
Elektrodenanordnung .........................................................................................74
5.3 Experimentelle Untersuchungen zur Ableitung relevanter Einflussgrößen ..........78
5.3.1 Einfluss Schweißstrom, -zeit, -kraft und Oberflächenwechselwirkungen auf
den Prozessbereich............................................................................................78
5.3.2 Einfluss des Stoff-, Form- und Kraftschlusses und
Oberflächenmodifikationen .................................................................................87
5.3.3 Aufbau eines numerischen Simulationsmodells ......................................95
5.3.4 Verfahrensvergleich zwischen widerstands- und laserstrahlgefügten
Kunststoff-Metall-Verbindungen ....................................................................... 105
5.4 Übertragung der experimentellen Untersuchungen auf weitere Werkstoffe ...... 110
5.4.1 Übertragung der experimentellen Untersuchungen auf die Chromstähle
1.4510 (X3CrTi17) und 1.4016 (X6Cr17) .......................................................... 110
AiF-Forschungsvorhaben – 21.226 B
II

5.4.2 Übertragung der experimentellen Untersuchungen auf die transparenten
thermoplastischen Kunststoffe, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat
(PC) und Polyethylenterephthalat (PET) ........................................................... 112
5.5 Mechanisch-technologisches Eigenschaftsprofil ............................................... 114
5.5.1 Mechanische Eigenschaften widerstandsgefügter Metall-Kunststoff-
Verbindungen unter quasistatischer Beanspruchung........................................ 115
5.5.2 Dynamisches Eigenschaftsprofil widerstandsgefügter Metall-Kunststoff-
Verbindungen ................................................................................................... 121
5.6 Definition von Qualitätsmerkmalen ................................................................... 131
5.6.1 Definition von Prüfmerkmalen ............................................................... 131
5.6.2 Beeinflussung der strukturellen Eigenschaften des Kunststoffs ............ 137
5.7 Bewertung praxisrelevanter Wechselwirkungen zwischen Prozess und
Anlagentechnik ................................................................................................. 140
5.7.1 Einfluss der Elektrodengeometrie ......................................................... 141
5.7.2 Einfluss des Elektrodenwerkstoffs ......................................................... 151
5.7.3 Einfluss der Elektrodenschrägstellung und Randabstand ..................... 154
5.7.4 Eignung als Fixiertechnologie mittels Punktschweißkleben ................... 159
5.7.5 Spaltüberbrückbarkeit und Möglichkeit des Schweißens ohne Gegenlage
164
5.7.6 Einfluss der Nachhaltezeit..................................................................... 167
5.8 Demonstrator ................................................................................................... 168
6 Zusammenfassung ...................................................................................................... 171
7 Formales ..................................................................................................................... 172
7.1 Schlussfolgerungen und Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielstellungen
des Forschungsantrages .................................................................................. 172
7.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .............................. 180
7.3 Wissenschaftlich-technischer Nutzen ............................................................... 180
7.4 Wirtschaftlicher Nutzen insbesondere für KMU, innovativer Beitrag und industrielle
Anwendungsmöglichkeiten ............................................................................... 180
7.5 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen Transferkonzepts ...... 181
7.6 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ..................................................... 183
7.7 Angaben zu gewerblichen Schutzrechten ......................................................... 185
8 Literaturverzeichnis ..................................................................................................... 186
9 Abbildungsverzeichnis ................................................................................................. 197
10 Tabellenverzeichnis ..................................................................................................... 211
11 Anwenderrichtlinie ....................................................................................................... 212
AiF-Forschungsvorhaben – 21.226 B
III

1 Einleitung
Blechverarbeiter gehören in Deutschland in vielerlei Fällen unabhängig von der geographischen
Lage zu sogenannten Hidden Champions, die weltweit agieren und aus einer KMUbzw.
Familienstruktur im Unternehmen ihre Stärke ableiten. Eine Herausforderung ist es hierbei,
dem fortschreitenden Strukturwandel durch Produktion und Marktwachstum in anderen
Wirtschaftsregionen langfristig entgegenzuwirken bzw. standzuhalten. Deutsche Unternehmen
im Bereich der Blechverarbeitung liefern zunehmend komplette Baugruppen mit eigener
Entwicklung, gleichwohl bedienen sich die Unternehmen verstärkt komplexer System- und Anlagentechnik
entlang der Wertschöpfung Umformen, Trennen und Fügen. Durch die Anforderung,
unterschiedliche Werkstoffe in eine Baugruppe einzusetzen, (Leichtbau im Fahrzeug,
Kosten und Funktionalität im Bereich weißer Ware und Schrankbau) werden deutsche KMU
zunehmend mit der Herausforderung konfrontiert, auch Baugruppen in Mischbauweise herzustellen.
Darüber hinaus liegen wesentliche Anwendungen nicht nur bei Leichtbaustrukturen für
Transportanwendungen, sondern insbesondere in der elektrischen und mechanischen Isolation
der Werkstoffe. In den letzten Jahren haben sich hybride Fertigungskonzepte insbesondere
im Bereich der Elektromechanik durchgesetzt. Beispiele liegen hierfür insbesondere bei
Stromschienen innerhalb vom Leistungsbaugruppen, Steckverbindern und Batteriegehäusen.
[Hou17] [Röh16] [Kne19] [Gäc 15] Im Bereich des Maschinenbaus werden diese Verfahren
genutzt um die mechanischen Dämpfungseigenschaften von Baugruppen zu erhöhen. [Lan
17] Hierdurch können die jeweils vorteilhaften Eigenschaften der Werkstoffe genutzt werden.
Im Behälter-, Schrank- (auch metallische Möbel), Geräte- und Fassadenbau [Mat08], der
Elektroindustrie [Kun 15] sowie im Fahrzeugbau ([Neu 13], [IBS 15]) hat sich im letzten Jahrhundert
vor allem das Widerstandsschweißen in KMU etabliert, um artgleiche Punktverbindungen
(St/St, Al/Al etc.) zu erzeugen. Die Gründe hierfür sind zum einen der mögliche hohe
Automatisierungsgrad, die erhöhte Flexibilität bei Variantenvielfalt und die hohe Wirtschaftlichkeit
(begrenzte Investitionskosten für Anlagen- und Spanntechnik). Zum anderen sind der
Wegfall von Zusatzwerkstoffen aber in erste Linie die geringen Schweißzeiten im Bereich weniger
Millisekunden und eine technisch einfache Prüfung der Schweißverbindung (sowohl zerstörend
als auch zerstörungsfrei) weitere ausschlaggebende wirtschaftliche Faktoren. So betragen
bspw. die Prozesskosten nur ca. 0,0007 € pro Schweißpunkt [Mat08].
In vielen der adressierten Märkte werden seit ca. zwei Dekaden verstärkt Mischbaukonzepte
verfolgt, in denen auch Metall und Kunststoff (Thermoplast) im gemeinsamen Verbund eingesetzt
werden müssen, um einerseits Gewichtseinsparungen zu realisieren und andererseits
Einfluss auf Isolation (thermisch und elektrisch), Dämmung (Schwingung), Reinheit, Optik
(Sichtfenster) und Ästhetik (Färbung und Glanz für Dekorzwecke) zu nehmen. Die elektrischen
Isolatoreigenschaften von Kunststoffen verhindern den Einsatz der in KMU etablierten Widerstandsschweißtechnologie
zum Erzeugen punktförmiger Verbindungen zwischen Metallen mit
Kunststoffen, weshalb technisch aufwendige mechanische Fügeverfahren (bspw. Schraubund
Nietverfahren) oder das Kleben eingesetzt werden. In beiden Fällen erfordert die Verbindungsbildung
den Einsatz zusätzlicher Fügeelemente (Klebstoff, Schrauben, Niete, etc.), die
neben dem Massezuwachs der Baugruppe vor allem weitere Prozessschritte (z.B. Auftragens
des Klebstoffes, Vorlochoperationen, Einstanzen des Elementes und Abdichten der Verbindung)
und dementsprechend auch Zusatzkosten und längere Fertigungszeiten verursachen.
AiF-Forschungsvorhaben – 21.226 B
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Industrierelevante Lösungen zum Verbinden von Metall und Kunststoff mittels Widerstandsschweißen
sind kaum vorhanden, auch wenn hier eine Erweiterung der Wertschöpfung bei
den Lieferanten (KMU) zu verzeichnen wäre. Erste prozesstechnische Ansätze zum thermischen
Direktfügen durch einen widerstandsbasierten Fügeprozess werden in der Literatur aufgeführt.
Über eine einseitige Anordnung der Elektroden wird der Metallpartner erwärmt. Infolge
der Wärmeleitung wird der Kunststoff an der Grenzfläche zum Metall lokal aufgeschmolzen.
Über den gleichzeitig wirkenden Anpressdruck der Elektroden kann der plastifizierte Kunststoff
die Metalloberfläche benetzen und bildet nach dem Abkühlen einen festen punktförmigen (lokalen)
Verbund aus. Diese Herangehensweise zieht die offene Frage nach der Ableitung von
werkstoffangepassten Prozessbedingungen und der Festlegung von Kenngrößen zur Beschreibung
der Verbindungsgüte (Qualitätskriterien) mit sich. Das resultierende Eigenschaftsprofil
wird maßgeblich durch das im Kunststoff vorherrschende Temperatur-Zeit-Regime
bestimmt, während Angaben zum Bestimmen von Kenngrößen über zerstörende oder
zerstörungs-freie Prüfung völlig fehlen. Gerade diese Fragestellungen verhindern eine zügige
Umsetzung und entsprechend einer Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit deutscher KMU in
diesem Bereich.
An dieser Stelle knüpft dieses Vorhaben an, mit dem Schwerpunkt der Beschreibung und der
kriterienorientierten Entwicklung eines widerstandsbasierten Fügeprozesses zum thermischen
Direktfügen von Metall mit Kunststoff. Aus den Ergebnissen dieses Vorhabens profitieren vor
allem Anwender aber auch Anlagenhersteller von einer wissenschaftlich fundierten Erweiterung
eines in ihrem Hause bewährten und etablierten Fügeverfahrens auf weitere Materialkombinationen,
wodurch sich insbesondere für KMU vollständig neue Einsatzgebiete erschließen.
Die Erkenntnisse tragen dazu bei, das Fügen von Kunststoffen mit Metallen in der industriellen
Anwendung zu etablieren und den Anwenderkreis gerade im Bereich der KMU zu erweitern
und gegenüber der internationalen Konkurrenz abzugrenzen. Dies führt nicht nur zu
einer Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit, sondern für die Paarung Metall und Thermoplast
viel mehr zu einer Risikominimierung, die eine erleichterte Einschätzung und Annahme neuer
Fügeaufgaben gewährt. Vor dem Hintergrund des zunehmenden Wettbewerbes deutscher Unternehmen
im Bereich der Zulieferung, des Anlagenbaus, der Entwicklung von Schweißmaschinen
und -steuerungen als auch der Herstellung von Bauteilen oder Halbzeugen bietet dieses
Vorhaben ein hohes Potenzial, die Marktstellung deutscher KMU zu bewahren und die
durchaus gute Position weiter auszubauen.
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2 Stand der Forschung und Technik
2.1 Fügen von Kunststoff mit Metall
Punktförmige Verbindungen werden in der Blechverarbeitung in hohem Maße zum Fügen und
Fixieren eingesetzt. Im Vergleich zum linienförmigen, durchgehenden Fügen wird eine geringe
thermische Belastung der Baugruppe und bei abnehmender Blechdicke und Steifigkeit ein geringer
Gesamtverzug erzielt. Darüber hinaus sind kurzen Fügezeiten möglich. Das Herstellen
von Verbundbauweisen zwischen Kunststoff und Metall im industriellen Umfeld setzt geeignete
Fügetechniken voraus.
Die divergierenden physikalischen-, elektrischen- und Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe
stellen seit mehreren Jahren Herausforderungen, die bislang durch mechanische Fügeverfahren
wie Clinchen, Nieten und Schrauben in Kombination mit Klebstoff gelöst wurden.
Dabei wird Energie hinzugeführt, die vordergründlich zum örtlichen Umformen verwendet wird.
Diese Verfahrensweise stellt eine praktikable und bewährte Lösung dar, weist jedoch Grenzen
auf. Beispielsweise muss gegebenenfalls eine großflächige Verformung oder ein sich ausprägender
Bereich lokaler Spannungskonzentrationen kompensiert werden. Während beim konventionellen
Nieten eine Vorbohrung notwendig ist (Blindnieten), ist beim Stanznieten eine
beidseitige Zugänglichkeit notwendig. Das Abführen des gestanzten Materials muss ebenso
gewährleistet werden.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass mechanische Fügeverfahren zwar eine feste Verbindung
erlauben, führen jedoch zu einer Schädigung der Verbindungspartner oder zu einer erheblichen
Umformung. Darüber hinaus sind häufig zusätzliche Elemente notwendig, die eine
Zunahme des Gesamtgewichtes, weitere Montageschritte und stets eine optische Ausprägung
der Fügestelle (von außen sichtbar) mit sich ziehen [Kot 18].
2.2 Thermisches Fügen von Kunststoff mit Metall
Thermisches Direktfügen
Der schematische Ablauf des thermischen Direktfügens thermoplastischer Kunststoffe mit Metallen
ist in Abbildung 1 dargestellt. Kunststoff und Metall befinden sich an der Grenzfläche in
Kontakt. Auf diese wirkt eine Wärmequelle und ein Druck. Die resultierende Wärmeenergie im
metallischen Fügepartner geht durch die Wärmeleitung an die Grenzfläche in den Kunststoff
über. Dabei wird der metallische Fügepartner durch die eingebrachte Erwärmung nicht geschmolzen.
Der Kunststoff bildet, bei infolge der Erwärmung eine plastifizierte bzw. schmelzflüssige
Phase an der Grenzfläche zum Metall aus. Durch Adhäsionskräfte kommt es nach der
Erstarrung zur Ausbildung eines festen Verbundes zwischen beiden Fügepartnern. Diese resultierende
Fügezone ist räumlich begrenzt und reicht von der Grenzfläche bis in die Tiefe des
Kunststoffes hinein. [Kat07][Sch19].
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