Hybridmaterialien mit mehreren Funktionen

Moderne Anwendungen mit neuen Funktionen gehen mit neuen Anforderungen an Materialien und Bauteile einher. Im Bereich neuer Mobilitäts- und Verkehrskonzepte müssen beispielsweise verschiedene Eigenschaften wie geringes Gewicht, Langzeitbeständigkeit und elektromagnetische Abschirmung gleichzeitig erfüllt werden. Ein Beispiel dafür ist in einem vollelektrischen Fahrzeug der sogenannte Pulswechsel-Umrichter. Es ist eines der komplexesten und kostspieligsten Bauteile im elektrifizierten Antriebsstrang. Er wandelt die Gleichspannung der Batterie in Wechselspannung um, wie sie der Elektromotor benötigt. Das Gehäusebauteil ist dabei wichtig, um elektromagnetische Abschirmung und Funktionssicherheit zu gewährleisten. Aktuell wird für dieses Gehäuse ein Aluminiumdruckguss-Bauteil mit hohem Gewicht verwendet. Um bei derartigen Bauteilen eine signifikante Gewichtsreduktion bei gleichzeitiger elektromagnetischer Verträglichkeit und Langzeitbeständigkeit zu gewährleisten, könnte ein Bauteil aus Kunststoff eingesetzt werden, welches mit Fasern verstärkt und metallisch beschichtet wird. Dafür sind verschiedene technologische Ansätze bekannt, eine anforderungsgerechte Lösung existiert bislang jedoch nicht.

Im Projekt CHIMERA wird die Funktionalisierung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff durch metallische Schichten weiterentwickelt. Durch die Kombination zweier Teilprozesse, dem Laserstrukturieren und dem thermischen Spritzen, sollen gewichtsreduzierte Metall-Kunststoff-Hybride mit optimierter Verbundfestigkeit und Langzeitbeständigkeit hergestellt werden. Es wird untersucht, wie sich Metall-Kunststoff-Hybride für reale Bauteilgrößen mit wirtschaftlichen Prozessgeschwindigkeiten bei gleichbleibenden Eigenschaften verarbeiten lassen. Das Verfahren erlaubt im Erfolgsfall, kunststoffbasierte Bauteile mit zusätzlichen Funktionen wie Verschleißbeständigkeit, Medienresistenz, elektrischer oder thermischer Leitfähigkeit zu versehen. Demonstrator im Projekt ist ein Gehäusebauteil zur elektromagnetischen Abschirmung. Die experimentellen Untersuchungen werden durch das sogenannte Digital Prototyping begleitet: Die Funktionsprüfung einer Neuentwicklung erfolgt mithilfe von Computermodellen. So soll eine verlässliche Prognose des Langzeitverhaltens durch einen virtuellen Prüfstand sichergestellt werden. Das Verhalten von Hybridmaterialien wird über einen langen Zeitraum unter realen Einsatzbedingungen getestet und mit der Prognose über digitale Methoden abgeglichen.

Das Projekt CHIMERA soll dazu verhelfen, kunststoffbasierte Bauteile flächig oder lokal mit typischen Eigenschaften von Metallen zu versehen und einen funktionellen Mehrwert bei nur minimalem Zusatzgewicht der Bauteile zu generieren. Die Marktfähigkeit von Hybridwerkstoffen und damit verbundener Fertigungsverfahren kann dadurch signifikant erhöht werden.

Abbildung: Funktionalisierung kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes durch maskenfreies
Beschichten mit Kupfer auf laserstrukturierter Oberfläche (Quelle: Fraunhofer IWS Dresden)