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TU Chemnitz: Grenzflächengestaltung im Multimaterial-Leichtbau

Der Multimaterial-Leichtbau mittels silikatischer Sol-Gel-Beschichtungen findet zunehmende Anwendung bei bewegten Massen, wobei die Kombination von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) und Aluminium bzw. hochfesten Stählen großes Potenzial bietet.

Axel Dittes ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Chemische und galvanische Beschichtungs-technik tätig. Seine Aufgaben umfassen die Gestaltung und Charakterisierung von Grenzflächen in Metall-Polymer-Werkstoffverbunden.

Axel Dittes erforscht Grenzflächen in Metall-Polymer-Werkstoffverbunden.

Für diese Werkstoffkombinationen muss nicht nur eine feste Haftung der artverschiedenen Werkstoffe erreicht, sondern zugleich Kontaktkorrosion der Metallkomponente unterbunden werden. Dies wird durch gezielte Gestaltung der Werkstoffgrenzflächen mittels silikatischer Sol-Gel-Beschichtungen ermöglicht, deren Eignung am Beispiel von PKW-B-Säulen in Multimaterial-Leichtbauweise demonstriert wird.

Im gemeinsamen Forschungsvorhaben der TU Chemnitz und dem Fraunhofer IWU werden PKW-B-Säulen aus thermoplastischen CFK-Rahmenstrukturen gefertigt. Da der spröd versagende CFK die im Falle eines Zusammenstoßes freiwerdende Bewegungsenergie nur unvollständig aufnehmen kann, werden innenliegende, flächige Aluminium- bzw. Stahlelemente in die Struktur eingebracht (s. Abbildung). Die Verbindung von Metall und CFK erfolgt ohne weitere Fügeelemente im Heißpressverfahren. Folglich ist eine feste Anbindung der Werkstoffe erforderlich, was durch die entwickelte Sol-Gel-Beschichtung auf den Metallhalbzeugen gelingt. Durch das Konditionieren und Mischen organisch modifizierter Ausgangsstoffe kann die Beschichtung anforderungsgemäß nach dem Baukastenprinzip erzeugt werden. Dadurch erreichen die Schichten beispielsweise die erforderliche Toleranz gegenüber der Umformung des Metallsubstrates.

Galvanotechnische Prozessschritte zur Vorbehandlung ermöglichen Massenfertigung

Die Prozesskette zur Beschichtung ist einfach aufgebaut und beinhaltet typische galvanotechnische Prozessschritte zur Vorbehandlung des strukturierten Metallblechs. Dadurch ist die im Automobilsektor geforderte Fähigkeit zur Massenfertigung gegeben. Im Anschluss wird das Metallblech durch Tauch- oder Sprühbeschichtung mit einer nur wenigen Mikrometer dünnen Silikatschicht überzogen und diese durch Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 120 °C und 200 °C verfestigt. Die Schicht wirkt dann als eine dichte, chemisch stabile und hochohmige Sperrschicht gegen den Zutritt von Korrosionsmedien. Durch chemisch starke Bindungen ist die Haftung zum Metallsubstrat sichergestellt.

Die Haftung zum Polymer kann bereits durch den Chemismus der ausgewählten Ausgangsstoffe des Sols eingestellt werden. Eine nachträgliche Oberflächenfunktionalisierung der Silikatschicht bewirkt für ausgewählte Werkstoffpaarungen sogar eine Steigerung der Haftfestigkeit um den Faktor 4. In einem Tauchbeschichtungsprozess wird dazu eine wenige Nanometer dicke Lage Organosilan auf die Silikatschicht aufgebracht, die eine optimale Anpassung an das Polymer erlaubt. Im Projektverlauf wurde dieses Konzept beispielsweise erfolgreich auf Polyamid, Polypropylen, aber auch auf unterschiedliche Epoxide angewandt. Aktuell steht die Erprobung von geeigneten Korrosionsinhibitoren im Fokus der Forschung. Dadurch soll sichergestellt werden, dass fertigungsbedingte Beschädigungen der Beschichtung, zum Beispiel Kratzer, die bis in das Substrat reichen, nicht zum Korrodieren des Grundmetalls führen. 

Weitere Informationen:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Lampke
Professur Werkstoff-und Oberflächentechnik
09107 Chemnitz

www.tu-chemnitz.de/mb/WOT

Kontakt:

M. Sc. Axel Dittes

axel.dittes@mb.tu-chemnitz.de