Skip to main content

Multi-Material-Verbund und Verfahren zu dessen Herstellung


Kurzfassung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Multi-Material-Verbunds, der eine Metallschicht und eine faserverstärkte oder unverstärkte erste Polymerschicht umfasst, sowie einen zugehörigen Multi-Material-Verbund. Es ermöglicht die zielgenaue Anpassung von Werkstoffeigenschaften und kann so entscheidend zur Verlängerung der Lebensdauer von Bauteilen beitragen.


Hintergrund

Multi-Material-Verbunde in Mischbauweise, die Grenzflächen zwischen Metallen und Kunststoffen aufweisen, beispielsweise in Form von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen mit metallischen Lasteinleitungselementen, kommen in vielfältigen Anwendungsgebieten zum Einsatz. Neben der Reduktion des bewegten Gewichts und verbesserten Festigkeits- bzw. Steifigkeitseigenschaften sind oft eine hohe Schlagzähigkeit und Härte sowie eine hohe Dehnbarkeit gefordert. Um nur ein Beispiel herauszugreifen, sind Antriebswellen für die Luftfahrt-, Automobil-, oder Schifffahrtbranche zu nennen.


Problemstellung

Eine Herausforderung für den Einsatz der Multi-Material-Verbunde als Leichtbaustrukturen
besteht in der zur Kraftübertragung passenden Anbindung der metallischen an die Kunststoff-Elemente.
Die nicht mischbaren Materialen der Multi-Material-Verbunde weisen unterschiedliche Werkstoff- eigenschaften, z. B. Bruchzähigkeit, Härte und Festigkeit, auf. Insbesondere in Verbindungs- oder Fügeverfahren zur Herstellung des Multi-Material-Verbunds, in denen kein Klebstoff eingesetzt wird, kann es aufgrund der sprunghaften Änderung der Festigkeit oder der Riss-/Bruchzähigkeit an der Grenzfläche zwischen den Materialien bei der Übertragung von Spannungsbelastungen zur Riss- bildung und Risserweiterung im weicheren der Materialien kommen. Dies beeinflusst die Lebensdauer negativ und kann zum Ausfall des Multi-Material-Verbunds führen.


Lösung

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer graduellen Anpassung der Werkstoffeigenschaften eines der Materialien an die des anderen Materials an der Grenzfläche zwischen den Materialen unter Beibehaltung der Makroeigenschaften der Materialien.
Zumindest bereichsweise ist zwischen der Metallschicht und der ersten Polymerschicht eine zweite, ebenfalls faserverstärkt oder unverstärkt ausführbare Polymerschicht angeordnet, die Nanopartikel enthält. Durch die Nanopartikel weist die zweite Polymerschicht Werkstoffeigenschaften auf, die denen der Metallschicht ähnlicher sind als den Werkstoffeigenschaften der ersten Polymerschicht ohne Nanopartikel. Unter Einfluss von erhöhter Temperatur oder erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur wird aus den drei Schichten ein Verbund gebildet, wobei Nanopartikel der zweiten Polymerschicht in die erste Polymerschicht diffundieren, so dass eine Gradientenschicht gebildet wird, in der die Nano- partikelkonzentration zur ersten Polymerschicht hin graduell abnimmt.

Mit anderen Worten erfolgt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest bereichsweise
eine graduelle Anpassung polymerer Werkstoffeigenschaften an metallische Werkstoffeigenschaften im Verbindungsbereich eines Multi-Material-Verbunds durch lokale Nanomodifikation des polymeren Werkstoffs. Eine globale Änderung der polymeren Werkstoffeigenschaften erfolgt dabei erfindungs- gemäß nicht. Die Nanomodifikation des polymeren Werkstoffs ist räumlich auf den Diffusionsbereich der Nanopartikel an der Verbindung zwischen Metallschicht und polymerem Werkstoff und damit auf die Ausdehnung der Gradientenschicht beschränkt.


Vorteile

  • Lokale, zielgenaue Anpassung der Materialeigenschaften möglich
  • Höhere Belastung und Lebensdauer für den Metall-Polymer-Schichtverbund realisierbar aufgrund der Verringerung von Rissausbreitung
  • Homogeneres Eigenschaftsprofil über den gesamten Verbund

Anwendungsbereiche

Multi-Material-Verbünde, auch komplexe Geometrien in den
leichtbaugetriebenen Bereichen Automotive oder Luftfahrt


Service

Die TUD bietet die gemeinsame Weiterentwicklung der Technologie im Rahmen von Kooperationsprojekten an.


TU Dresden, SG Transfer

Eva Wricke
(+49) 351 463-34453
eva.wricke@tu-dresden.de

Adresse
Technische Universität Dresden Dezernat Forschungsförderung und Transfer Sachgebiet Transfer
01062 Dresden



Entwicklungsstand

Machbarkeit


Patentsituation

  • DE 10 2017 214 334.7 anhängig

Stichworte

Multi-Material-Verbund, Schichtverbund, Composite

Kontakt | Geschäftsstelle

TechnologieAllianz e. V.
Christiane Bach-Kaienburg
(Geschäftsstellenleiterin)

c/o PROvendis GmbH
Schloßstr. 11-15
D-45468 Mülheim an der Ruhr