Mischbauweisen mit Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) und Metallen bieten ein hohes Potential für ressourcen- und kosteneffizienten Leichtbau. Ein Hemmnis für den Serieneinsatz von FKV stellt bislang jedoch häufig die Verfügbarkeit geeigneter Fügeverfahren dar. Speziell für FKV entwickelte Fügetechnologien sind zumeist nicht auf die Prozessketten der Serienfertigung abgestimmt.

Insbesondere in der Industrie besteht die Forderung, trotz steigender Werkstoffvielfalt die Anzahl unterschiedlicher Fügeverfahren zu reduzieren. In diesem Forschungsvorhaben wurde daher eine neue vorwettbewerbliche Technologie für schädigungsarme, kraftflussgerechte FKV/Metall-Verbindungen unter Anwendung etablierter punktueller Fügeverfahren wie Clinchen und Widerstandspunktschweißen entwickelt.
Hierzu werden metallische Multifunktionale Schnittstellen bereits während der Bauteilfertigung mit einem Dornwerkzeug in eine thermoplastische FKV-Struktur integriert, wobei die Verstärkungsfasern nicht durchtrennt, sondern in der aufgeschmolzenen Matrix umgelenkt werden.

Im selben Prozessschritt wird die Schnittstelle eingebracht und ein matrizenseitig angeordneter Gegenstempel bewegt das Material aus dem entstandenen Durchzug zurück in die Laminatebene, wodurch ein Formschluss zwischen Schnittstelle und FKV erzeugt wird. Anschließend kann das FKV-Bauteil mittels etablierter punktueller Fügeverfahren unter Anwendung konventioneller Fügewerkzeuge prozesssicher mit Metallstrukturen verbunden werden.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden simulationsgestützt sowohl spezifische Schnittstellen entwickelt, die an die jeweiligen fügetechnischen Randbindungen angepasst sind, als auch Multifunktionale Schnittstellen, die sowohl für das Clinchen als auch für das Widerstandselementschweißen (WES) eingesetzt werden können. Sowohl für die Dorneinformung als auch die anschließenden Fügeprozesse wurden geeignete Parameterfenster zur prozesssicheren Fertigung qualitativ hochwertiger Verbindungen identifiziert.

Durch die parallel durchgeführten Struktur- und Schädigungsanalysen mittels lichtmikroskopischer Aufnahmen und CT-Untersuchungen konnten die qualitätsrelevanten Kenngrößen der Verbindungen überprüft und die Werkstoffstruktur in der Umformzone des FKV beschrieben werden. Die Ermittlung der Verbindungseigenschaften erfolgte umfassend durch Zugprüfungen unter quasistatischer und zyklischer Belastung.

Abschließend sind die Erkenntnisse in die Fertigung einer dreidimensionalen Demonstratorstruktur geflossen. Anhand dieser konnten anwendungsrelevante Anforderungen wie geringe Flanschbreiten, unterschiedliche Zugänglichkeiten der Fügestellen und die simultane Einformung mehrerer Schnittstellen in eine FKV Struktur erfüllt werden.