Für die Umsetzung innovativer Leichtbaukonzepte spielen die Kombination artfremder Werkstoffe und die zur Herstellung hybrider Bauteile notwendigen Fügeverfahren eine wichtige Rolle. Ein vielversprechender Ansatz zum Fügen von Kunststoffen und Metallen stellt die zweistufige Prozesskette des laserbasierten Fügens von Hybridverbindungen dar, welche das Verbinden von Thermoplasten und Metallen ohne den Einsatz von Zusatzstoffen ermöglicht. Im ersten Prozessschritt wird die Metalloberfläche zunächst laserstrukturiert, um Kavitäten mit Hinterschnittgeometrie in das Material einzubringen und die Oberfläche zu vergrößern. Im anschließenden Fügeprozess wird dann Energie in Form von Laserstrahlung in die Fügezone eingebracht, auf der Metalloberfläche absorbiert und in Wärme umgewandelt. Durch den thermischen Kontakt des thermoplastischen Kunststoffes mit der Metalloberfläche wird dieser plastifiziert und unter Aufbringung eines externen Fügedrucks in die Strukturen der Metalloberfläche gepresst. Nach der Erstarrung des Kunststoffes entsteht eine feste und dauerhafte Verbindung zwischen den Materialien.
Im Rahmen der Arbeit wurde ein neuartiger Strukturierungsansatz entwickelt, um Stahl (1.4301) und Thermoplasten (PA und PP) zu verbinden. Beim Abtrag mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung können auf Metalloberflächen schwammartige, selbstorganisierte Mikrostrukturen entstehen, welche mit Nanostrukturen überlagert sind. Zunächst wurden die Einflussfaktoren auf die Entstehung dieser sogenannten Cone-like Protrusions (CLP) untersucht und die entstehenden Oberflächenstrukturen hinsichtlich Strukturgeometrie, Oberflächenvergrößerung und Benetzungseigenschaften charakterisiert. Ausgehend von den prozesstechnischen Grundlagen zum Lasermikrostrukturierungs- und Fügeprozess werden die gewonnen Erkenntnisse aus der Oberflächencharakterisierung genutzt, den Einfluss der Struktureigenschaften auf die Verbundfestigkeit und die Haftungsmechanismen im Hybridverbund zu untersuchen. Durch die vollflächig mikrostrukturierte Oberfläche mit starker Oberflächenvergrößerung werden sehr hohe Verbundfestigkeiten erreicht, die mit anderen Oberflächenvorbehandlungen derzeit nicht erzielt werden können Bei Scherbelastung können Kräfte bis zu 50 MPa übertragen werden. Zusätzlich weist die Verbindung sehr gute Eigenschaften hinsichtlich Schwingfestigkeit, Langzeitstabilität und Mediendichtigkeit auf. Abschließend wurde die Fügetechnologie in einem Anwendungsbeispiel demonstriert und beurteilt.