Bessere Hybridbauteile

Spritzgießen und andere Verfahren clever nutzen

Die Kombination von Metall und Kunststoff bedingt – unabhängig vom Produktionsverfahren – Schnittstellen zwischen den Werkstoffen. Häufig werden die mit Metalleinlegern (Inserts) im Kunststoffanteil überbrückt, die entsprechende Verbindungsmöglichkeiten bereitstellen. Diese bewährte Technologie lässt sich nachhaltig und in vielen Anwendungen verbessern.

Fillserts kombinieren massive und offenporige Funktionsstrukturen. Die offenporigen Strukturen sind, wie auch die massiven, anwendungsspezifisch einstellbar und können mit einem oder unterschiedlichen Werkstoffen infiltriert werden. © Automoteam

Eine sehr spezielle Art von Inserts sind Fillserts – selektiv offenporigen Aluminium-Einlegeteile. Im Gegensatz zu den konventionellen Metalleinlegern werden mit Kunststoffen nicht umspritzt, sondern infiltriert. Damit bieten sie neue Möglichkeiten, um leichte, multifunktionale und mediendichte Hybridteile zu produzieren. Filserts sind laut Anbieter Automoteam in drei- bis sechsstelligen Stückzahlen in verschiedenen Ausführungen lieferbar.

Die Herstellung hybrider Bauteile in der Kombination von Kunststoffen mit Metallen ist in der Kunststoffverarbeitung seit langem etabliert. Überwiegend kommen zwei Konstruktionsprinzipien zum Einsatz, Insert- und Outsert-Spritzgießen. Das Insert-Spritzgießen integriert die Funktionen und Eigenschaften metallischer Werkstoffe in Form von Einlegeteilen in die Kunststoff-Matrix. Die Metalleinleger werden im Fertigungsprozess in das Urformwerkzeug eingelegt und kraft- und formschlüssig vom urgeformten Kunststoff fast vollständig umspritzt. Beim Outsert-Spritzgießen werden Funktionen und Eeigenschaften polymerer Werkstoffe durch selektive Ummantelung eines Metalleinlegers integriert. Die Metalleinleger werden in diesem Fall nur in ausgewählten Bereichen vom Kunststoff umspritzt.

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Beide Hybrid-Techniken haben jedoch, besondere für den funktionsintegrierten Leichtbau:

  • Metallen wie Stahl oder Messing sind vergleichsweise schwer
  • geringe Kontaktfläche mit eingeschränktem Kraft- und Formschluss
  • Verzug, Rissbildung und Undichtigkeit durch unterschiedliche Wärmedehnung
  • erhöhtes Risiko für Spalt-, Kontakt- und elektrochemische Korrosion an den Grenzflächen zwischen verschiedenen Werkstoffen
  • eingeschränkte Qualität und Funktionalität bei Übertragung höherer Kräfte und Drehmomente, besondere bei Vibration oder Klimawechsel
  • teilweise ist Chemikalieneinsatz für bessere Haftung erforderlich
Viele Strukturen, Werkstoffe und Funktionen lassen sich weitgehend frei kombinieren. © Automoteam

Die neue Fillsert-Technik soll Hybridteile in Bezug auf Gewicht, Leistung, Multifunktionalität und Qualität verbessern und neue Konstruktionen und Anwendungen ermöglichen. Fillserts werden als selektiv oder komplett offenporige Gussteile aus Aluminium im Kokillenguss hergestellt. Sie weisen stoffschlüssig verbundene massive und/oder offenporige Funktionsbereiche auf. Die möglichen geometrischen Kombinationen offenporiger und massiver Funktionsbereiche erlauben viele neue konstruktive Lösungen.

Die offenporigen Kokillenguss-Teile unterscheiden sich von konventionellen, geschäumten oder gesinterten Metallen. Sie haben einstellbare Poren, makroskopisch isotrope Eigenschaften, ein belastbares Gussgefüge, bessere mechanische, strömungsmechanische, thermische und akustische Eigenschaften und können in unterschiedlichen Formen und Größen mit Toleranzen im Bereich von 1/100 Millimeter genau gefertigt werden. Die Dichte des offenporigen Aluminiums beträgt 1,3 g/cm3. Sowohl in den massiven als auch in den offenporigen Bereichen der Fillserts lassen sich alle von den massiven Metallen bekannten Funktionen, wie Gewinde, Bohrungen, Scharniere, Ösen, Einpressbolzen, Nietmuttern und anderes realisieren.

Geometrisch präzise und makroskopisch isotrope Fillserts lassen sich in die Kunststoff-Matrix integrieren. © Automoteam

Die Porengröße in den offenporigen Funktionsbereichen kann anwendungsspezifisch von wenigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern eingestellt werden, auch gradierte Einstellungen sind möglich. So können sie mit Polymeren in diversen Urformverfahren wie Spritzgießen, Thermoformen, Blasformen, Schäumen oder RTM infiltriert werden, um einen stabilen und gasdichten Werkstoffverbund ohne den Einsatz von Chemikalien herzustellen. Werden sie gezielt nicht infiltriert, können sie weitere für offenporige Metalle spezifische Funktionen wie Filtration, Schalldämpfung, Wärmeübertragung, Crashenergie-Absorption, Entlüftung und andere integrieren.

Komplett offenporige Fillserts ohne massiven Funktionsbereich können vollständig in eine Kunststoff-Matrix integriert werden. So kann ein Kunststoffbauteil bewusst an ausgewählten Stellen mit einer Funktionalität vom Verbundwerkstoff ausgestattet werden.

Massive Fillserts mit selektiv offenporigen Funktionsbereichen können gezielt lokal mit Polymeren infiltriert werden. So kann ein Aluminiumbauteil bewusst an ausgewählten Stellen mit einer Funktionalität vom Verbundwerkstoff ausgestattet werden oder eine definierte Schnittstelle für ein Kunststoffbauteil zur Verfügung stellen.

Beispiele geben den ersten Eindruck über die neuen Gestaltungsmöglichkeiten. © Automoteam

Selektiv offenporige Fillserts können mit einem oder mehreren massiven und/oder offenporigen Funktionsbereichen ausgestattet werden, um viele weitere Kombinationen von massiven, offenporigen, infiltrierten und nicht infiltrierten Funktionsbereichen zu ermöglichen.

Hybride Befestigungssysteme
Unter dem Begriff Fastening Fillserts sind hybride Befestigungssysteme für den multifunktionalen Multimaterial-Einsatz. Sie basieren auf der Kompatibilität der offenporigen Gussteile mit konventionellen Fügeverfahren wie Schrauben, Nieten, Bördeln, An- und Einpressen, Löten, Kleben und Ultraschallschweißen. Damit stehen viele Möglichkeiten offen, um für jede Anwendung ein optimales Befestigungssystem zu entwickeln. Zusätzlich lassen sich solche Schnittstellen auch mit weiteren Funktionen wie Vibrationsdämpfung, Filtration oder Wärmeübertragung ausstatten.

Hybrides Befestigungssystem in Kombination mit der Ecosyn-Blindnietmuttern-Technologie. © Automoteam

So arbeitet die unter anderem für Kunststoffe und Leichtbaumaterialien entwickelte Ecosyn-Blindnietmutter-Technologie der KVT-Fastening in den offenporigen Gussteilen. Aufgrund der gezielten Auslegung des Befestigungselements wird hier eine definierte Wulstbildung ohne Lochleibung im Trägermaterial erzielt. Damit sind der sichere Sitz des Gewindesystems und der Toleranzausgleich gewährleistet. Auch dünnwandige Bereiche und Hohlstrukturen lassen sich für tragfähige Befestigungspunkte nutzen.

Die Fillserts mit Gewinde im offenporigen Bereich sind belastbar und können mit verschiedenen offenporigen oder massiven Bauteilen verschraubt werden. Die bewusste Infiltration des porösen Gewindes mit Polymeren oder Klebstoffen sichert die Schraubenverbindung zusätzlich bei Vibrationen oder dynamischen, zyklischen Belastungen durch eine chemische oder klemmende Sicherungswirkung ab. Diese Systeme kombinieren klassische Befestigungselemente mit der konstruktiven Freiheit offenporiger Gussteile zu neuen, hybriden, multifunktionalen und genauen Befestigungssystemen. Sie lassen sich vormontieren, automatisiert in die Fertigungswerkzeuge einlegen und mit Polymeren, Harzen, Klebstoffen und anderen materialien infiltrieren.

Lasttragende Schraubverbindung zwischen offenporigem Fillsert und einem Vollmaterial-Stutzen. © Automoteam

Mehr Leistung und Funktion
Darüber hinaus kann die Funktionalität und Leistungsfähigkeit von Fillserts zusätzlich erweitert werden, indem die Oberflächen des Bauteils in den massiven und/oder offenporigen Funktionsbereichen im Metaker-Verfahren in einen Mikro-Werkstoffverbund umgewandelt werden. Diese Technologie verändert die mechanischen, elektrischen, thermischen, optischen, haptischen, chemischen und biologischen Werkstoffeigenschaften von Leichtmetallen. So können die Einleger abhängig von der individuellen Konfiguration mit vielen für Aluminium bisher nicht verfügbaren Funktionen ausgestattet werden, um einen Einsatz von Stahl, Messing, Bronze oder Keramik überflüssig zu machen. Dazu gehören:

  • wärmeleitend, mikrostrukturiert und verschleißfest, günstige Tribologie, Wärmemanagement
  • dielektrisch (22 kV/mm) und hoch wärmeleitend (210 W/mK), interessant für elektronische Anwendungen
  • hoch wärmeleitend und wärmestrahlend, interessant für IR-Heizung, LED- und Elektronikkühlung
  • wärmeleitend, korrosionsbeständig und Licht reflektierend, interessant für Lichtsysteme
  • optisch und haptisch anspruchsvoll, kratzfest, Licht absorbierend, interessant für Zierteile und optische Geräte
  • Atomar haftend, mikrostrukturiert, mikroporös und aktiviert, interessant für Kleben, Drucken, Lackieren, Imprägnieren
  • Lebensmittelecht, mikrostrukturiert und bioaktiviert, interessant für medizinische Anwendungen

So kann beispielsweise ein Metaker-modifiziertes 99,5-Prozent Aluminium-Fillsert eine Oberflächen-Mikrohärte von über 1000 HV, 22 kV/mm elektrische Durchschlagsfestigkeit und zugleich 210 W/mK Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Bandbreite der umsetzbaren Funktionen und die dadurch entstehenden Potenziale sind groß.

Um das vollständige Optimierungspotenzial der Fillserts auszuschöpfen, ist ein ganzheitliches Technologieverständnis in den interdisziplinären Entwicklerteams erforderlich. Hier kann auf Beratung von Automoteam gesetzt werden. In einem weiteren Schritt können die Fillserts in einer der Standardausführungen anwendungsspezifisch angepasst oder in einer Sonderausführung anwendungsspezifisch bis zur Serienreife entwickelt werden.

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