Kreislauffähige Metall-Kunststoff-Hybridbauweise für eine nachhaltige Rohstoffnutzung
KreisHybrid entwickelt neue Verbindungstechnologien für Metall-Kunststoff-Hybridbauteile auf Basis atmosphärischer Plasma-Beschichtungen. Dadurch entstehen leichte, dichte und langlebige Bauteile mit reduziertem Materialeinsatz. Gleichzeitig wird die Recyclingfähigkeit der Hybridstrukturen von Anfang an mitgedacht.
Hybride Werkstoffe ermöglichen durch die gezielte Kombination unterschiedlicher Materialien eine anwendungsoptimierte Ressourcennutzung. Insbesondere Hybridverbunde aus Metall und Kunststoff sind branchenübergreifend als Konstruktionsprinzip für funktionsintegrierte Strukturen etabliert. Die derzeit eingesetzten formschlüssigen Verbindungstechniken stoßen jedoch hinsichtlich Tragfähigkeit, Dichtheit und Gestaltungsfreiheit zunehmend an Grenzen. Insbesondere in Gehäusestrukturen sowie bei medien- und stromführenden Bauelementen werden dauerhafte stoffschlüssige Verbindungen benötigt, die durch klassische Verbindungstechnologien nicht abgedeckt werden können.
Ziel des KreisHybrid-Projektes ist daher die industrielle Erschließung stoffschlüssiger Metall-Kunststoff-Verbindungen mittels atmosphärischer Plasmabeschichtung. Diese Technologie bietet aufgrund der anlagenseitigen kompakten Bauweise, der standardisierten Schnittstellen zur Automatisierung und der Möglichkeit eines schnellen Wechsels der eingesetzten Präkursoren eine hohe industrielle Wandlungsfähigkeit. Sie erlaubt bei reduziertem Materialeinsatz die Erzeugung hochfester, mediendichter Verbindungen ohne den Bedarf aufwändiger Schutzmaßnahmen, was insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) der kunststoffverarbeitenden Industrie von besonderem Interesse ist. Allerdings adressieren aktuell verfügbare Präkursoren nahezu ausschließlich die Kombination von Stahl und Polyamiden. Für eine signifikante Steigerung des Potenzials hybrider Strukturen ist eine Ausweitung des Werkstoffspektrums auf weitere Materialkombinationen erforderlich. Im Fokus steht daher die Entwicklung neuer Präkursorformulierungen besonders für die Kombination von Aluminium und Polypropylen, um im Sinne des Stoffleichtbaus und der CO₂-Reduktion bestehende Druckgussbauteile durch energieeffizient herstellbare Tiefzieh- und Spritzießkomponenten zu ersetzen. Die Verwendung von Polypropylen bietet hierbei ökologische Vorteile gegenüber Polyamiden, da geringere CO₂-Äquivalente in der Herstellung anfallen. Zusätzlich sollen Nichteisenmetalle und KTL-beschichtete Oberflächen adressiert werden, um die Anwendungsbandbreite zu erweitern. Damit verbunden ist das Entwicklungsziel, sowohl die strukturelle Verbundhaftfestigkeit als auch die Mediendichtheit der Hybridverbindungen signifikant zu steigern.
Ein wesentliches technologisches Hemmnis besteht in der notwendigen Erwärmung der Metalleinleger auf Fügetemperaturen oberhalb von 250 °C, welche insbesondere bei Aluminium zu strukturellen Veränderungen und Festigkeitsverlusten führen können. Im Rahmen des Vorhabens wird daher eine Methodik zur chemischen Modifikation der Präkursoren entwickelt, die Fügetemperaturen unterhalb von 150 °C erlaubt. Parallel dazu wird eine digital gestützte virtuelle Entwicklungsmethodik für bauteilspezifische Heizgreifer auf Induktionsbasis erarbeitet. Diese soll die bislang aufwendige experimentelle Anpassung der Induktionserwärmung an komplexe Bauteilgeometrien ersetzen.
Ein zentrales Qualitätskriterium der Hybridverbindung ist die Homogenität der Haftfestigkeit über das gesamte Bauteil hinweg. In der industriellen Praxis sind jedoch temperaturbedingte Inhomogenitäten unvermeidlich, die lokal zu kritischen Belastungsszenarien führen können. Daher wird im Rahmen des Projekts eine datenbasierte Inline-Analyse entwickelt, die unter Einbezug prozessspezifischer Temperaturdaten und Versagensmodelle eine Echtzeit-Bewertung der Festigkeit erlaubt. So sollen Bauteile mit potenziellen Schwachstellen identifiziert und gezielt einer erweiterten zerstörungsfreien Prüfung zugeführt werden können. Hierfür wird eine vollständig digitalisierte und vernetzte Prozesskette aufgebaut, welche die lückenlose Erfassung und Analyse aller prozess- und bauteilspezifischen Daten ermöglicht.
Im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung hybrider Strukturbauteile werden zudem Aspekte der Circular Economy berücksichtigt. Neben dem Einsatz von Neuware werden sortenreine Rezyklate in die Untersuchungen einbezogen, um die Anwendbarkeit der entwickelten Präkursoren im Kontext einer zukünftigen Kreislaufwirtschaft zu evaluieren. Ein weiteres Entwicklungsziel ist die Reparaturfähigkeit hybrider Strukturen. Hierzu wird ein Verfahren zum thermischen Direktfügen von Reparaturstrukturen unter Einsatz der Plasma- und Induktionstechnologie entwickelt. Für das Lebensende der Bauteile wird eine sortenreine Trennung angestrebt, um eine hochwertige stoffliche Wiederverwertung der eingesetzten Materialien zu gewährleisten. Die Entnahme der Komponenten soll schnell, kontaminationsfrei und energieeffizient mittels induktiver Erwärmung erfolgen.
Flankiert wird die technologische Entwicklung durch begleitende Lebenszyklusanalysen (LCA), welche die Umweltwirkungen der neuen Verbindungs- und Fertigungstechnologien systematisch bewerten. Damit leistet das Projekt einen Beitrag zur nachhaltigen Transformation industrieller Fertigungsprozesse, zur Steigerung der Ressourceneffizienz sowie zur Erschließung neuer Einsatzfelder für funktionsintegrierte Leichtbaustrukturen in einer Vielzahl technischer Anwendungsbereiche – von der Elektromobilität über die Konsumgüterindustrie bis hin zur Medizintechnik.
