Technologies
Beim Ultraschallfügen verbinden sich Holz und Grundbauteil durch Reibungshitze. - © Wolf – TU Graz
31.08.2024

Klebstofffreie Verbindung von Holz und Metall

Alternative im Auto und Flugzeugbau: Neue Füge- und additive Fertigungsverfahren erlauben klebstofffreie Verbindung von Holz und Metall

Forschenden der TU Graz gelang es mittels 3D-Drucktechnik und Ultraschall, den nachwachsenden Rohstoff Holz mit Metall und Kunststoff-Verbundwerkstoffen extrem fest zu verbinden.

Der nachwachsende Rohstoff Holz ist klimaneutral, leicht und fest zugleich und dadurch grundsätzlich attraktiv für den Einsatz im Fahrzeugbau. Eine Herausforderung dabei ist bislang die robuste Verbindung zwischen Holz und den anderen Materialien im Fahrzeug wie Metallen und Kunststoff-Verbundwerkstoffen. Das Forschungsteam um Sergio Amancio am Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz – Gean Marcatto, Awais Awan, Willian Carvalho und Stefan Herbst – hat nun zwei Techniken erfolgreich getestet, mit denen solche extrem festen Verbindungen ohne Klebstoff oder Schrauben gelingen. Die Anwendung der Techniken am Material Holz sind zum Patent angemeldet und könnten in der Flugzeugindustrie, dem Automobilbau und der Möbelbranche zum Einsatz kommen.

Addjoining nutzt 3D-Druck, um ein ein Bauteil aus Kunststoff-Verbundwerkstoffen auf Holz aufzudrucken. - © Wolf – TU Graz
Addjoining nutzt 3D-Druck, um ein ein Bauteil aus Kunststoff-Verbundwerkstoffen auf Holz aufzudrucken. © Wolf – TU Graz
Durch Fügetechnik und Additive Manufacturing kann Holz weniger nachhaltige Materialien ersetzen

Die beiden Fügetechniken eignen sich für jeweils eigene Anwendungsgebiete, als Testmaterialien kamen Buchen- bzw. Eichenholz und ein kohlenstofffaserverstärktes Polyamid und Polyphenylensulfid, sowie Edelstahl 316L und Ti-64-Legierungen zum Einsatz. „Unsere Motivation ist klar der Umweltschutz“, sagt Sergio Amancio. Mit neuen Fertigungsverfahren könnte der nachwachsende Rohstoff Holz Bauteile aus energieintensiven oder schwer recycelbaren Materialien ersetzen.

AddJoining: 3D-Druck führt zu Verbindung über die Holzporen

Bei der AddJoining-Technik wird auf einer Oberfläche – in diesem Fall Holz – angesetzt und mit einem 3D-Druck-Verfahren direkt ein Bauteil aus Kunststoff-Verbundwerkstoffen aufgedruckt. Das aufgedruckte Material dringt in die Holzporen ein, wo es zu einer chemischen Reaktion kommt, ähnlich der Reaktion von Klebstoff mit Holz. Die daraus entstandenen Verbindungen schlossen in mechanischen Belastungstests höchst erfolgreich ab. „Wir konnten nach dem Bruch der Konstruktion in den Holzporen Kunststoff und im Kunststoff Holzfasern finden, was darauf schließen lässt, dass der Bruch im Holz oder Kunststoff, aber nicht an der Verbindung stattgefunden hat“, erklärt Gean Marcatto, der als Postdoc am Institut an diesem Prozess gearbeitet hat. Diese erfolgreichen Versuche wurden an der unbehandelten Holzoberfläche durchgeführt.

Von links: Awais Awan, Sergio Amancio und Gean Marcatto vom Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz. - © Wolf – TU Graz
Von links: Awais Awan, Sergio Amancio und Gean Marcatto vom Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz. © Wolf – TU Graz

Noch wesentlich haltbarere Verbindungen könnten entstehen, wenn vorab durch Ätzen oder Lasern eine Mikro- oder Nano-Struktur in das Holz eingearbeitet wird, um die Poren und damit die Anbindungsflächen zu erhöhen. „Wir wollten aber mit möglichst wenigen Schritten und vor allem ohne Chemikalien arbeiten“, erklärt Sergio Amancio den Hintergedanken. „Diese Technik können wir vor allem mit komplizierten Geometrien gut anwenden, weil die Bauteile direkt auf die Oberfläche gedruckt werden – in welcher Geometrie auch immer erforderlich.“

Ultraschall sorgt für stabile Punktverbindung

Beim Ultraschallfügen wird ein Holzbauteil durch eine Sonotrode in Vibration versetzt. Bei Kontakt mit dem Grundbauteil – in diesem Fall Kunststoff oder Kunststoff-Verbundwerkstoff– entsteht durch die Reibung Hitze und das Holz dringt in die Oberfläche des Grundbauteils ein. So lässt sich eine sehr stabile Punktverbindung erzielen, gemischt aus mechanischer Verzahnung (weil der geschmolzene Kunststoff im Holz wieder erstarrt) und Adhäsionskräften. „Diese Technik eignet sich vor allem für lange Bauteile und 2D-Strukturen, da wir eine sehr gezielte statt einer flächigen Verbindung erreichen“, erklärt Awais Awan, der sein Doktorat der Fügetechnik mittels Ultraschalles gewidmet hat. Auch diese Verbindungen konnten äußerst erfolgreich mechanisch getestet werden. Durch eine gezielte Oberflächenbehandlung und Anpassung der Porenstruktur bzw. Oberflächentexturierung könnte die Hybridverbindung ebenfalls verbessert werden.
In Zukunft möchte das Team mit Partnern aus der Automobil-, Flugzeug- und Möbelbranche weiter an den Technologien feilen.

Diese Forschung ist im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz.

(Quelle: Presseinformation der TU Graz)

Schlagworte

3D-DruckAdditive FertigungAdditive ManufacturingAddjoiningAutomobilbauFahrzeugbauFlugzeugbauFügetechnikHolzKunststoff-VerbundwerkstoffeKunststoffeMetallUltraschallUltraschallfügen

Verwandte Artikel

31.08.2024

Adhesive-Free Joining of Wood and Metal

Using 3D printing technology and ultrasonic joining technique, researchers at TU Graz succeeded in attaining an extremely strong joining of the renewable raw material woo...

Additive Manufacturing AM Frictional Heat Joining Lightweight Construction Ultrasonic Construction
Read more
28.08.2024

Update: Richtlinie DVS 2212-1 „Prüfung von Kunststoffschweißern für den Anlagenbau“

Mit Ausgabedatum August 2024 erscheint die Richtlinie DVS 2212-2 „Prüfung von Kunststoffschweißern für den Anlagenbau“ in einer neuen Fassung.

Apparatebau Behälterbau Fachkräftequalifizierung Fertigung Heizelement-Muffenschweißen Heizelement-Stumpfschweißen Heizwendelschweißen Infrarotschweißen Instandsetzung Kunststoffe Kunststoffschweißen Rohrleitungsbau Schweißtechnik Warmgas-Extrusionsschweißen Warmgas-Fächelschweißen Warmgas-Ziehschweißen Wulst- und Nutfreies Schweißen
Read more
23.08.2024

Dörrenberg StudienAWARD 2025 ausgelobt

Für Studierende mit einem werkstofftechnischen Schwerpunkt vergibt die Dörrenberg Edelstahl GmbH jährlich einen Förderpreis, der mit insgesamt 10.000 Euro dotiert ist.

Additive Fertigung Edelstahl Feingießen Gießen Ingenieurwissenschaften Nachwuchsförderung Randschichtbehandlung Stahlherstellung Stahlweiterverarbeitung Wärmebehandlung Werkstofftechnik Werkzeugbeschichtung
Read more
20.08.2024

Update: Richtlinie DVS 2204 „Kleben von Rohren und Rohrleitungsteilen“

Die Richtlinie DVS 2204 „Kleben von Rohren und Rohrleitungsteilen aus thermoplastischen Kunststoffen – Polyvinylchlorid, Chloriertes Polyvinylchlorid und Acrylnitril-Buta...

Fügen von Kunststoffen Kleben Klebtechnik Kunststoffe
Read more
Thanks to the extremely precise process control, even the most demanding materials can be safely sealed with the LSM from Herrmann Ultraschall.
20.08.2024

Enhance the reliability of sealing sustainable materials

The latest generation of Herrmann Ultraschall's longitudinal seal module (LSM) ensures reliable longitudinal seals for applications like pillow bags, even with the narrow...

AI AM LED Plastics PPE Ultraschall
Read more