Damit thermoplastische Sandwich-Komponenten in kleinen bis mittleren Serien wirtschaftlich füg- und reparierbar werden, müssen neue Fügetechnologien entwickelt werden. Daran arbeitet das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS gemeinsam mit dem Kunststoff-Zentrum SKZ und Partnern in einem neuen Projekt. Kern ist die Ausformung von Fügeanschlussflächen direkt im Herstellungsprozess (Thermoformen), ergänzt durch Schweißen und Kleben sowie Reparaturkonzepte. Ziele sind geringes Gewicht, Kosteneffizienz und Recyclingfähigkeit – mit konkreten Demonstratoren und Transfermaßnahmen für KMU in Industriebranchen.
Der Bedarf an ressourceneffizienten Leichtbaulösungen wächst. Thermoplastische Sandwichstrukturen können dazu beitragen: Sie verbinden geringes Gewicht mit Recyclingfähigkeit und eignen sich für kleine bis mittlere Stückzahlen von 10 bis 1000 Exemplaren pro Jahr. Allerdings fehlen praktikable Fügetechniken, die diese Materialien in Prozessen nutzbar machen, die auch für kleinere und mittlere Unternehmen (KMU) tauglich sind, die häufig in solchen Größenordnungen produzieren. Das Projekt » Thermoplastische Sandwich Konstruktionselemente (TheSaKo)« zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen. Dafür arbeiten das Fraunhofer IMWS und das SKZ mit Partnern aus den Bereichen Kunststoffverarbeitung, Leichtbau, Transport-/Nutzfahrzeugbau, Maschinenbau, Spritzgießtechnik, Oberflächen- und Klebtechnik sowie Kreislaufwirtschaft zusammen.
Geringere Rüstzeiten und mehr Gestaltungsspielräume für KMU
Für KMU ergeben sich durch die neuen Fügetechnologien geringere Rüstzeiten, weniger Fremdmaterialien (keine oder wenige Fügeelemente), bessere Recyclingfähigkeit und erweiterte Gestaltungsspielräume. Die Konzepte adressieren kleine Serien und modular aufgebaute Großstrukturen, die bisher wegen hoher Prozesskomplexität schwer realisierbar waren.
Heutige Fügeverfahren adressieren überwiegend duroplastische Sandwichstrukturen und nutzen beispielsweise mechanische Verbindungselemente. Dies führt oft zu langen Zykluszeiten in der Herstellung und eingeschränkter Recyclingfähigkeit. Fügetechniken für thermoplastische Sandwichstrukturen wie das Schweißen oder Kleben bieten Potenziale, erfordern aber spezifische und belastungsabhängige Fügeflächen und Prozessführung, insbesondere bei großflächigen Sandwichstrukturen. Ziel der Projektpartner ist die wirtschaftliche Nutzung thermoplastischer Sandwich-Komponenten in kleinen bis mittleren Serien durch:
- Entwicklung verformbarer Fügeanschlussflächen direkt im Herstellungsprozess (Thermoformen)
- Anpassung der Fügetechnologien Schweißen und Kleben an diese Flächen
- geringere Material- und Fügeelementkosten, moderate Kosten für Klebstoff- und Oberflächenbehandlung
- Integration von Reparaturkonzepten, die Feuchte- und Temperaturzyklen standhalten und Recyclingpfade offenhalten, zur Verlängerung der Produktlebensdauer
- Demonstratoren für modulare Großstrukturen und lokale Funktionalisierung.
Erstmals soll dabei eine Kombination aus thermoformbarer Kantenausformung, lastpfadgerechten Fügezonen, schweiß- und klebeoptimierten Verbindungen und reparaturfreundlichen Konzepten erreicht werden. Die entwickelten Lösungen sollen im Projekt auf KMU-Niveau skaliert werden. »Gemeinsam wollen wir es ermöglichen, thermoplastische Sandwichstrukturen in kleinen bis mittleren Serien wirtschaftlich zu fügen und zu reparieren – das macht Leichtbau im KMU-Sektor konkret umsetzbar«, sagt Dr.-Ing. Ralf Schlimper, Projektleiter am Fraunhofer IMWS.
TS Moulding ermöglicht automatisierbare, reproduzierbare Heißformprozesse
Ein wichtiger Baustein ist dabei die am Fraunhofer IMWS entwickelte Thermoplastic Sandwich Moulding (TS-Moulding) Technologie für automatisierbare, reproduzierbare Heißformprozesse. Dabei erfolgt die Ausformung von Fügeanschlussflächen direkt im Bauteil. Dies ermöglicht die Integration von Fügetechnologien mit lokal vorgeformten Bereichen. Das Institut wird sich im zwei Jahre laufenden Projekt zudem intensiv der Entwicklung von Fügeanschlussflächen widmen, also der Gestaltung und Erprobung lokaler Umform- und Fügezonen (2D/3D-Verformung) zur lastpfadgerechten Kraftübertragung beim Kleben und Schweißen.
Auch zur Entwicklung von Reparaturkonzepten und Prüfmethoden bringt das Forschungsteam in Halle (Saale) seine Kompetenzen ein, ebenso bei der Umsetzung von Transfermaßnahmen. Ergebnis sollen industrienahe Demonstratoren (modulare Großstruktur und lokale Funktionalisierung) zur praxisnahen Bewertung sein. »Durch die Kombination aus thermoformbaren Fügeanschlussflächen, angepassten Fügetechnologien und reparaturfreundlichen Konzepten schaffen wir eine Brücke von der Grundlagenforschung in die industrielle Praxis – samt Recyclingfähigkeit und Kosteneffizienz«, betont Michael Heilig, Projektleiter am SKZ.
Lösungen für großflächige Geometrien, Prozessintegration und Prüfmethoden
Zu den technologischen Herausforderungen zählt es, großflächige, fügbare Kantengeometrien bei Sandwichstrukturen zu realisieren, ohne die Deckschichten zu schädigen oder die Faserorientierungen zu beeinträchtigen. Auch für die gleichzeitige Optimierung mehrerer Umformparameter (Aufheiztemperatur, Transferzeit, Werkzeugtemperatur, Umformdruck) sowie die Prozessintegration (Verknüpfung von Thermoformen, Schweißen und Kleben in praxisnahen, kleinen Serien; Entwicklung robuster Prozesskorridore und Handlungsanweisungen für KMU) müssen im Projekt tragfähige Lösungen entwickelt werden. Das Konsortium behält auch das Thema Prüfung und Normung im Blick, denn bisher fehlen branchenspezifische Normen für das Schweißen und Kleben von Thermoplast-Sandwichstrukturen. Hierzu erarbeiten die Forschungspartner belastungsgerechte Prüfmethoden.
Die Ergebnisse können Unternehmen in Kunststoffverarbeitung, manufakturierendem Leichtbau, Fahrzeugbau, Möbel- und Baukomponentenfertigung unterstützen. Um den Transfer der Projektergebnisse sicherzustellen, werden die Arbeiten durch einen projektbegleitenden Ausschuss flankiert. Darin arbeiten bereits folgende Unternehmen mit: Automation Steeg und Hoffmeyer GmbH, EDAG Engineering GmbH, Joining Plastics Consulting, Sika Deutschland GmbH, Reese-Solutions GmbH, SABA Bocholt GmbH, ThermHex Waben GmbH, Weber Fibertech GmbH und Wegener International GmbH.
KMU, die sich noch am projektbegleitenden Ausschuss (pbA) beteiligen wollen, um Anforderungen, Marktbedarfe und praktische Anwenderfragen in die laufende Forschungsarbeit einzubringen, sind hierzu herzlich eingeladen. Eine gute Möglichkeit dazu bietet die am 4./5. Mai 2026 in Halle (Saale) stattfindende Composite Sandwich Conference CSC26. Die industrielle Fachtagung ermöglicht den interdisziplinären Austausch zum Thema Material- und Technologieinnovationen sowie Anwendungen von Composite-Sandwichstrukturen.
Das Vorhaben »TheSaKo« DLR01IF24618N der Forschungsvereinigung „Fördergemeinschaft für das Süddeutsche Kunststoff-Zentrum e. V.“ wird über den DLR Projektträger im Rahmen des Programms industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
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