Holz ist klimaneutral, leicht und fest zugleich und dadurch grundsätzlich attraktiv für den Einsatz im Fahrzeug und Flugzeugbau. Eine der Herausforderungen bisher ist aber das Verbinden dieses nachwachsenden Rohstoffs mit Metallen und Kunststoff-Verbundwerkstoffen.
Am Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz ist es dem Forschungsteam um Sergio Amancio – Gean Marcatto, Awais Awan, Willian Carvalho und Stefan Herbst – nun gelungen zwei Fügetechnologien erfolgreich zu testen, mit denen diese Werkstoffe extrem feste und ohne Klebstoff oder Schrauben verbunden werden können. Die Verfahren am Material Holz sind zum Patent angemeldet und könnten in der Flugzeugindustrie, dem Automobilbau und der Möbelbranche zum Einsatz kommen.
Die Fügeverfahren eignen sich für jeweils eigene Anwendungsgebiete. Getestet wurden Buchen- und Eichenholz, je ein kohlenstofffaserverstärktes Polyamid und Polyphenylensulfid, sowie Edelstahl 316L und Ti-64-Legierungen.
„Unsere Motivation ist klar der Umweltschutz. Mit neuen Fertigungsverfahren könnte der nachwachsende Rohstoff Holz Bauteile aus energieintensiven oder schwer recycelbaren Materialien ersetzen.“
Sergio Amancio, TU Graz
Bei der als AddJoining bezeichneten Technologie 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: Die Forschenden fanden nach dem Bruch in den Holzporen Kunststoff und im Kunststoff Holzfasern. Das lässt darauf schließen, dass der Bruch nicht an der Fügenaht stattgefunden hat.
Diese erfolgreichen Versuche wurden an der unbehandelten Holzoberfläche durchgeführt. 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.
„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.“
Sergio Amancio, TU Graz
Bei der zweiten Technologie, dem 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. Geeignet sei dieses Verfahren vor allem für lange Bauteile und 2D-Strukturen, da eine sehr gezielte statt einer flächigen Verbindung erreicht werden könne, so die Forschenden. Auch diese Verbindungen konnten äußerst erfolgreich mechanisch getestet werden. Optimierungspotenzial hat auch das Ultraschallfügen noch: durch eine gezielte Oberflächenbehandlung und Anpassung der Porenstruktur beziehungsweise der Oberflächentexturierung.
Bild oben: Nicht nur Kunststoffe oder Metalls lassen sich mit Ultraschall verbinden: Beim Ultraschallfügen verbindet sich Holz mit dem Grundbauteil durch Reibungshitze. (Quelle: Wolf | TU Graz)
Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung
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