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08.03.2019 - 14:00

Light and strong: Hybrid lightweight components made of steel and fiber-reinforced plastics

A new hybrid manufacturing process is based on a combination of laser texturing and laser-assisted tape placement.

In recent years there has been a sharp increase in demand for lighter components for applications in mobility and transport in response to the need to save weight, and therefore energy and resources. Hybrid components made of steel, locally functionalized with fiber-reinforced plastics combine high mechanical performance with low weight. Demand for manufacturing processes conducive to cost-effective mass-production is burgeoning. In the EU research project “ComMUnion”, the two Aachen-based Fraunhofer Institutes for Production Technology IPT and for Laser Technology ILT, in collaboration with 14 partners from industry, research and academia, are developing industrial processes and solutions for hybrid lightweight design by combining metal and polymer-matrix composites for automotive and aerospace applications.

The new hybrid manufacturing process is based on a combination of laser texturing and laser-assisted tape placement: For this purpose, components are first pre-processed using the laser to provide a specially developed, defined, rough surface structure. The textured surface allows the continuous fiber-reinforced thermoplastic lightweight materials, which will later be used for stiffening, to be bonded directly to the steel component. The bond is then mechanical, eliminating any need for additional pre-treatment measures or additional adhesion promoters, such as adhesives or bonding agents.

The stiffenings made of thermoplastic fiber-reinforced plastics, which are especially adapted to the expected loads, are joined to the component using a tape placement process. The laser heats the thermoplastic tapes locally in the joining zone to the steel. The matrix material melts and flows into the laser textured cavities. After solidification of the melt material, the tape with the embedded unidirectional fibers adheres to the roughened surface of the steel part.

Combined process, suitable for mass production

The advantage of combining these two laser processes comes to the fore precisely when the mechanical properties of the component need to be improved locally without increasing the component’s weight significantly. The process is particularly suitable for mass production, as no further post-processing steps, such as curing operations, are required to consolidate the material after tape placement. Additionally, precision localized heating reduces distortion and residual stresses while joining the two materials. The laser texturing process, which has been developed at the Fraunhofer ILT, can also be applied in a reproducible way to the metal surface, precisely at the locations where the textures are needed. Additionally, the laser is not subject to any tool wear.

The research partners have now finished a first demonstrator component made of high-strength steel and unidirectional fiber-reinforced thermoplastic tape in order to validate the applicability of the process in the form of a proof-of-concept: The two Fraunhofer researchers Kira van der Straeten from the Fraunhofer ILT and Tido Peters from the Fraunhofer IPT manufactured a hybrid lightweight rocker panel, a body component for the automotive industry, to test and prove the functionality of the process combination as part of the ComMUnion project.

Weitere Informationen: www.ilt.fraunhofer.de
 

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08.03.2019 - 14:00

Light and strong: Hybrid lightweight components made of steel and fiber-reinforced plastics

A new hybrid manufacturing process is based on a combination of laser texturing and laser-assisted tape placement.

In recent years there has been a sharp increase in demand for lighter components for applications in mobility and transport in response to the need to save weight, and therefore energy and resources. Hybrid components made of steel, locally functionalized with fiber-reinforced plastics combine high mechanical performance with low weight. Demand for manufacturing processes conducive to cost-effective mass-production is burgeoning. In the EU research project “ComMUnion”, the two Aachen-based Fraunhofer Institutes for Production Technology IPT and for Laser Technology ILT, in collaboration with 14 partners from industry, research and academia, are developing industrial processes and solutions for hybrid lightweight design by combining metal and polymer-matrix composites for automotive and aerospace applications.

The new hybrid manufacturing process is based on a combination of laser texturing and laser-assisted tape placement: For this purpose, components are first pre-processed using the laser to provide a specially developed, defined, rough surface structure. The textured surface allows the continuous fiber-reinforced thermoplastic lightweight materials, which will later be used for stiffening, to be bonded directly to the steel component. The bond is then mechanical, eliminating any need for additional pre-treatment measures or additional adhesion promoters, such as adhesives or bonding agents.

The stiffenings made of thermoplastic fiber-reinforced plastics, which are especially adapted to the expected loads, are joined to the component using a tape placement process. The laser heats the thermoplastic tapes locally in the joining zone to the steel. The matrix material melts and flows into the laser textured cavities. After solidification of the melt material, the tape with the embedded unidirectional fibers adheres to the roughened surface of the steel part.

Combined process, suitable for mass production

The advantage of combining these two laser processes comes to the fore precisely when the mechanical properties of the component need to be improved locally without increasing the component’s weight significantly. The process is particularly suitable for mass production, as no further post-processing steps, such as curing operations, are required to consolidate the material after tape placement. Additionally, precision localized heating reduces distortion and residual stresses while joining the two materials. The laser texturing process, which has been developed at the Fraunhofer ILT, can also be applied in a reproducible way to the metal surface, precisely at the locations where the textures are needed. Additionally, the laser is not subject to any tool wear.

The research partners have now finished a first demonstrator component made of high-strength steel and unidirectional fiber-reinforced thermoplastic tape in order to validate the applicability of the process in the form of a proof-of-concept: The two Fraunhofer researchers Kira van der Straeten from the Fraunhofer ILT and Tido Peters from the Fraunhofer IPT manufactured a hybrid lightweight rocker panel, a body component for the automotive industry, to test and prove the functionality of the process combination as part of the ComMUnion project.

Weitere Informationen: www.ilt.fraunhofer.de
 

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Photos of LASYS

  • LASYS 2020: PM Nr. 3

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    LASYS und BMWi bieten 2020 erneut eine Plattform für Start-ups.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Führende nationale und internationale Hersteller treffen hier auf Geschäftspartner mit konkreten Aufgabenstellungen und individuellen Anforderungen für Laser-Systemlösungen und -Applikationen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Fachbesucher können auf der LASYS die Vielfalt des Lasers live erleben – 2018 waren 116 Maschinen vor Ort – und erhalten einen Eindruck wie leicht sich Komponenten integrieren lassen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Der Mix aus Fachmesse und hochkarätigem Rahmenprogramm versammelt alle zwei Jahre die Experten aus Industrie und Wissenschaft in Stuttgart. Fester Bestandteil sind die Stuttgarter LasertageBILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Die LASYS als internationale Fachmesse für die Laser-Materialbearbeitung richtet sich an industrielle Anwender und hat sich seit 2008 zu einem Top-Termin für die Branche entwickelt.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    LASYS bietet Planungssicherheit – neuer Termin 21. bis 23. Juni 2022BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Bei der LED-Produktion beschriften die PowerLine E 8 QT Lasermarkierer von Coherent Leadframes (Träger) mit winzigen 2D-Matrixcodes, die aus Punkten von nur 43 Mikrometern Durchmesser bestehen.Coherent
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    Mit der neu entwickelten GL.smart von GFH, die bis zu 16 simultane Achsen birgt, lassen sich mittels UKP-Laserstrahlen vielseitige Mikrobearbeitungsaufgaben wirtschaftlich ausführen. Neben einer Kombinationsbearbeitung von Laserbohren, -drehen,- und -schneiden ist eine Output-Steigerung durch die Parallelbearbeitung auf zwei Stationen möglich.BILDNACHWEIS GFH GmbH
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    Mit der Einführung der BLIZZ-Laserserie von InnoLas Photonics steht ein Laser zum wirtschaftlichen Depaneling zur Verfügung. Berührungsloses, schnelles und staubarmes Laserschneiden von Platinen ist nun bei gleichzeitig sehr guter Qualität möglich, auch bei dünnen Substraten.BILDNACHWEIS InnoLas Photonics GmbH
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    Laseranlagen von LPKF ermöglichen es, dass sich mit Laser-Depaneling die Schnittflächen reduzieren lassen, da auf breitere Fräswege und größere Abstände der SMT-Komponenten zu den Schnittkanten verzichtet wird. Damit können bis zu 30 Prozent Materialersparnis erreicht werden.BILDNACHWEIS LPKF
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    Präzises Schneiden – auch flexibler Materialien – ist für Lasersysteme von LPKF kein Problem – und das bei größtmöglicher Designfreiheit.BILDNACHWEIS LPKF
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    Starr-flexible Leiterplatten werden bei ATLAS EMS in die LPKF MicroLine 2000 eingelegt. Da die Baugruppen kompakt und randnah platziert sind und das starr-flexible Material anspruchsvoll in der Bearbeitung ist, erweist sich Trennen mittels Lasertechnologie hier als ideal.BILDNACHWEIS ATLAS EMS
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    ATLAS EMS setzt ein MicroLine Lasersystem von LPKF zum Nutzentrennen ein. Die schnelle Einrichtung der jeweiligen Jobs ist hier ein wichtiger Faktor für eine effiziente Produktion.BILDNACHWEIS ATLAS EMS
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    Ein neuartiges Laser-CNC-Bearbeitungszentrum zum 3D-Lasermikroschweißen hat Schüssler Technik entwickelt. Durch hochgenaue Achsbewegungen lassen sich filigrane Bauteile in unterschiedlichsten Positionen (5+2-Achs) mühelos fügen.BILDNACHWEIS Schüssler Technik GmbH
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    LogoBILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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  • LASYS 2020: PM Nr. 3

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    Was die ‚lastgerechte und flexible Bauteilgestaltung‘ von E-Fahrzeugen anbelangt, verfolgt beispielweise das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) den Ansatz, crash-relevante Karosseriestrukturen individuell zu verbessern. Hier die lokale Laserbehandlung einer hochbeanspruchten Zone eines crashrelevanten Karosseriestrukturbauteils im TestFraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
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    Diffraktive optische Elemente von Laser Components formen den optimalen Strahl für industrielle Anwendungen etwa beim Bearbeiten von Komponenten der E-MobilitätLaser Components GmbH
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    Mit Lasersystemen von Laserline, die ‚blaues Laserlicht, nutzen, kann der Energieeintrag in Kupfer so gut gesteuert werden, dass erstmals Wärmeleitungsschweißprozesse ohne Verdampfen und Dampfkapillare möglich sind. Dies ergibt spritzerfreie Prozesse.Laserline GmbH
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    Die schlüsselfertigen automatisierten Produktionsanlagen von SITEC Industrietechnologie richten den Fokus auf Wirtschaftlich- und Nachhaltigkeit bei der Produktion von Komponenten für die E-Mobilität. Neuartige automatisierte Laseranlagen schweißen in hoher Qualität die Kupfer-Hairpins am Stator des Elektromotors.SITEC Industrietechnologie GmbH
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    SITEC Industrietechnologie antwortet auf die Herausforderungen der Mobilität mit neuartigen automatisierten Laseranlagen etwa für Schweißprozesse an Baugruppen der Leistungselektronik, an Statoren oder wie hier an Bipolarplatten für Brennstoffzellen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Laseranlagen von Trumpf entlacken Hairpins mit dem Laser, die anschließend ineinander verdreht und mittels Laserstrahl verschweißt werden. Mit dem Hairpin-Verfahren ist laut Trumpf eine automatisierte Produktion großer Stückzahlen von Statoren des Elektromotors wirtschaftlich möglich.Trumpf GmbH & Co. KG
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    Der Laser-Folien-Markierer LFM 100 von Bluhm Systeme ist eine innovative Mischung aus Etikettendrucker und Lasersystem, der Typenschilder laserbeschriftet. Die seewasserfeste und selbstklebende Lackfolie ist günstiger und flexibler als die üblichen Edelstahl-Typenschilder.Bluhm Systeme GmbH
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    Im Trend liegt „Natural Branding“. Bluhm Systeme hat hier das Lasersystem eSolarMark plus entwickelt, das gleich vier Früchte innerhalb eines Taktes beschriftet. Auch Backwerk lässt sich ohne Etikett mit dem Laser beschriften.Bluhm Systeme GmbH
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    Mit seiner PowerLine-Serie deckt Coherent ein breites Anwendungsspektrum beim Lasermarkieren ab: Erst kürzlich ist dem Unternehmen zusammen mit einem Partner gelungen, einen neuen Kunststoff für Ohrmarken von Tieren hinsichtlich Gesundheitsverträglichkeit und Lasermarkierbarkeit zu optimieren.Coherent
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    Um Schnelligkeit geht es beim PowerLine E Twin von Coherent. Zwei Lasermarkiereinheiten beschriften gemeinsam ein Werkstück. Das Besondere hierbei ist, dass das System über Hard- und Software-Schnittstellen wie ein einzelner Lasermarkierer gesteuert wird.Coherent
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    Zur effizienten Teilekennzeichnung hat Gravotech eine kompakte und sichere Lösung entwickelt, den Laserschutztrichter Mini-Inline. Er vereinfacht den Einsatz von Lasertechnik in Fertigungslinien und macht ihn deutlich effizienter als zuvor. Bildnachweis:Gravotech GmbH
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    Das neuartige Lasersystem WeLase von Gravotech kann durch den Einsatz unterschiedlicher Laserquellen (CO2, Faser, YAG oder Green) an fast jede Kundenanforderung angepasst werden: Lasermarkierung der nächsten Generation!Gravotech GmbH
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    Produktpersonalisierung kurbelt den Markt für Lasermarkiersysteme an. Viele Massenprodukte wie a)Brille, b)Uhrenarmband oder andere Geschenkeartikel lassen sich auf einfache Weise individualisieren. Das Lasermarkiersystem WeLase ist laut Hersteller Gravotech eine ideale Lösung für In-Store-Personalisierung.Gravotech GmbH
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    Die Experten von LightPulse Laser Precision empfehlen Schwarzmarkieren mittels Ultrakurzpuls-Laser für medizintechnische Instrumente und Implantate, Schwarzmarkieren eignet sich hier sehr gut, weil es sehr kontrastreich, korrosionsbeständig und dauerhaft lesbar ist.LightPulse Laser Precision
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