Nachhaltigere Fahrzeugverbindung Mix aus Fügen und additiver Fertigung schafft Hybridbauteile mit Holz

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An der Technischen Universität Graz ist es mittels 3D-Druck und Ultraschallfügen gelungen, Holz, Metall und Kunststoff sehr fest miteinander zu verbinden.

Der nachwachsende Rohstoff Holz gilt als klimaneutral sowie leicht und fest zugleich. So ist er grundsätzlich attraktiv für den Fahrzeugbau. Eine Herausforderung dabei ist aber bisher die robuste Verbindung zwischen Holz und den anderen üblichen Materialien im Fahrzeug (Metalle, Kunststoffe und Composites) zu schaffen. Ein Forschungsteam vom Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz hat aber nun zwei Möglichkeiten dazu erfolgreich getestet, mit denen auch extrem festen Verbindungen ohne Klebstoff oder Schrauben gelingen, wie man betont. Die Anwendung derselben am Material Holz sind sogar schon zum Patent angemeldet und können in der Flugzeugindustrie, dem Automobilbau oder der Möbelbranche zum Einsatz kommen, wie es weiter heißt. Die beiden Fügetechniken eignen sich für jeweils eigene Anwendungsgebiete. Als Testmaterialien kamen Buchen- beziehungsweise Eichenholz, ein carbonfaserverstärktes Polyamid (PA) und Polyphenylensulfid (PPS) sowie Edelstahl 316L und Titan-64-Legierungen zum Einsatz – alles mit Blick auf den Umweltschutz. Denn mit neuen Fertigungsverfahren könnte der nachwachsende Rohstoff Holz Bauteile aus energieintensiven oder schwer recycelbaren Materialien ersetzen.

3D-Druck verbindet Bauteile über Poren im Holz

Bei der sogenannten Addjoining-Technik wird auf Oberflächen – in diesem Fall eben Holz – per 3D-Druck direkt auf ein Kunststoffverbund-Bauteil gedruckt. Das so applizierte Material dringt dabei in die im Holz befindlichen Poren ein. Es kommt zu einer chemischen Reaktion, die jener zwischen Klebstoff und Holz ähnelt, wie die Grazer Experten sagen. Die so erzeugten Verbindungen sollen die Tests zur mechanischen Belastbarkeit sehr gut überstanden haben. Nach erfolgtem Bruch konnte etwa man in den Holzporen Kunststoff und im Kunststoff Holzfasern finden, wie es weiter heißt. Das bedeutet ganz klar, dass der Bruch im Grundmaterial Holz oder Kunststoff, aber nicht an der Verbindung stattgefunden hat. Die Versuche wurden übrigens an der unbehandelten Holzoberfläche durchgeführt. Noch wesentlich haltbarere Verbindungen könnten deshalb entstehen, wenn man dem Holz durch Ätzen oder Laserbearbeitung eine Mikro- oder Nanostruktur gibt, wodurch die die Poren und damit die Verkrallungsfläche vergrößert werden.

Stabile Punktverbindung mittels Ultraschall

Beim Ultraschallfügen wird das Holzbauteil durch eine Sonotrode in Vibration versetzt. Kommt es so mit dem Grundbauteil in Kontakt – in diesem Fall thermoplastischer Kunststoff oder ein Kunststoffverbund – entsteht durch die Vibration des Holzes Reibungswärme, durch die der Kunststoff anschmilzt. Das Holz kann so in die Oberfläche des weichgewordenen Grundbauteils eindringen. Das ergebe sehr stabile Punktverbindungen, durch Kombination aus mechanischer Verzahnung (weil der geschmolzene Kunststoff im Holz wieder erstarrt) und Adhäsionskräften. Diese Technik, erklären die Grazer Forscher, eignet sich vor allem für lange Bauteile und 2D-Strukturen, weil man eine punktuelle statt einer flächigen Verbindung herstellen kann. Auch diese Verbindungen konnten bei den mechanischen Belastungstets punkten. Durch eine gezielte Oberflächenbehandlung und Anpassung der Porenstruktur respektive Oberflächentexturierung könnte auch dabei die Hybridverbindung verbessert werden.

In Zukunft möchte das Team mit Partnern aus der Automobil-, Flugzeug- und Möbelbranche weiter an diesen Verbindungsprozessen „feilen“. Diese Forschung ist im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz.

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