Laserbasiertes Schmelzkleben von Thermoplasten mit Metallen

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14550_PhilippAmend_Dissertation_OPUS.pdf (11.07 MB)
Diss. Reihe Maschinenbau, Band 347

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-09-10
Issue Year
2020
Authors
Amend, Philipp
Editor
Franke, Jörg
Hanenkamp, Nico
Merklein, Marion
Schmidt, Michael
Wartzack, Sandro
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-327-4
Abstract

Predictable and reliable joining techniques play a key role for manufacturing multi-material components consisting of metals and plastics for industrial lightweight constructions. Limited by the state of the art there is a particular need for research on bonding plastics to metals. Laser-based hotmelt bonding is a promising not yet industrially established joining technique that has high potential to fulfill the requirements. However, a holistic understanding of the process is still missing. The focus of previous investigations was on the optimization of adhesion by surface pretreatment of metal. This scientific work gives an in-depth process understanding of laser-based hot-melt bonding without surface pretreatment. Considering the differences between plastics and metals calculation- and experiment-based investigations were performed to analyze the effect of process parameters, material properties, surface chemistry/topography and ambient conditions on the hybrid joint. Based on the scientific results, a general calculation-based method for process design and optimization for laser-based hot-melt bonding was developed. This method allows a systematically identification of suitable process parameters with minimal experimental effort. Due to this fact, thermoplastic metal hybrids can now be joined reliable and efficient using laser-based hot-melt bonding.

Abstract

Berechenbare und prozesssichere Fügeverfahren sind ein Schlüsselfaktor für die Fertigung maßgeschneiderter Multimaterialbauteile aus Kunststoff und Metall für Leichtbauanwendungen. Nach dem aktuellen Stand der Technik und Forschung besteht vor allem für das Kleben von Kunststoff-Metall-Verbunde Forschungsbedarf. In dieser Arbeit wird deshalb das industriell noch nicht etablierte Verfahren des laserbasierten Schmelzklebens von Thermoplasten mit Metallen erforscht. Bisherige Studien thematisieren vor allem die Haftungsoptimierung durch Oberflächenvorbehandlung.

Die vorliegende Forschungsarbeit vermittelt ein grundlegendes Prozessverständnis für das laserbasierte Schmelzkleben ohne oberflächenvergrößernde Metallvorbehandlung unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Fügeteileigenschaften. Es wurden berechnungsgestützte und experimentelle Untersuchungen zur Analyse von Prozess-, Werkstoff-, Oberflächen- und Umwelteinflüssen auf die Klebfestigkeit durchgeführt und prozessrelevante Bedingungen festgelegt. Darüber hinaus wurde eine allgemeingültige Methodik zur berechnungsgestützten Prozessauslegung und -optimierung für das laserbasierte Schmelzkleben erarbeitet. Prozessfenster können nun mit minimiertem experimentellem Aufwand ermittelt werden, so dass zukünftig maßgeschneiderte Thermoplast-Metall-Verbunde mittels Laserstrahlung prozesssicher sowie effizient gefügt werden können.

Series
FAU Studien aus dem Maschinenbau
Series Nr.
347
Citation
mb.fau.de/diss
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-326-7
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