Entwicklung des Reibnietens als neues Fügeverfahren für Kunststoff und Leichtbaulegierungen

Die steigenden Forderungen nach Umweltverträglichkeit, Kosteneinsparung, und hochleistungsfähigen Endprodukten hat Wissenschaftler und Ingenieure veranlasst neue Materialien und Technologien zu entwickeln. Daraus resultierten beispielsweise die Polymer‐Metall Hybridstrukturen. Diese werden insbesondere in Transport‐ und moderner Bauindustrie angewandt. Geeignete herkömmliche Fügeverfahren dafür (Kleben und mechanische Fügeverfahren) sind üblicherweise entweder teuer, weisen limitierte Festigkeit und Anwendbarkeit auf oder sind nicht umweltfreundlich. Die im Rahmen dieser Arbeit behandelte neue Reibnieten („FricRiveting”︁) Methode für Polymer‐Metall Mischverbindungen wurde hierfür als alternative, zuverlässige, umweltfreundliche, und potenziell kostengünstige Punktverbindungstechnik entwickelt, beschrieben und nachgewiesen. In der einfachsten Variante des Reibnietens dringt eine in Rotation versetzte zylinderförmige metallische Niete in die Oberfläche eines oder mehrerer Kunststoff‐Grundwerkstoffe ein. Aufgrund der hohen Rotation bzw. des hohen Axialdruckes wird Reibungswärme erzeugt. Mit Erreichen einer vorprogrammierten Zeit erhöht sich die Prozesstemperatur signifikant. Dadurch wird die Spitze der Niete plastifiziert; in diesem Moment wird die Rotation verzögert und der Axialdruck in die Fügepartner erhöht. Als Folge verformt sich die Nietenpitze entsprechend des Druckverhältnisses. Nach der Abkühlungsphase wird die verformte Nietspitze formschlüssig im Kunststoff verankert. Die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Theorien, und Mechanismen wurden bei Verbindungen von Polyetherimid (PEI) und Aluminium 2024‐T351 (Al‐Cu‐Mg Legierung) nachgewiesen. Punkt‐ und Überlappverbindungen mit hohem Festigkeits‐Wirkungsgrad unter Raumtemperatur (der Zugfestigkeit‐ Wirkungsgrad betrug bis zu ca. 97 % der Nietfestigkeit und der Scherzugfestigkeit‐Wirkungsgrad betrug bis zu ca. 70 % der Kunststofffestigkeit) wurden reibgenietet. Zum Schluss wurden die Gefügeänderung und mikrostrukturellen Eigenschaften dieser reibgenieteten Verbindungen beschrieben. Die im Laufe dieser Arbeit entstandenen wissenschaftlichen bzw. technischen Ergebnisse beweisen die Durchführbarkeit des Reibnietens. Als Ergebnis dieser Arbeit kann das Reibnieten als potenzielle zuverlässige, einfache, kostengünstige, und umweltfreundliche Fügetechnik für Polymer‐Metall Verbindungen vorgeschlagen werden. Development of FricRiveting as a new joining technique for polymer and lightweight alloys The increasing de