Holz-Metall-Verbindungen ohne Klebstoff

Der nachwachsende Rohstoff Holz ist 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.

Die beiden Fügetechniken eignen sich für jeweils eigene Anwendungs­gebiete, als Testmaterialien kamen Buchen- oder 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. 

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“, sagt Postdoc Gean Marcatto. Diese erfolgreichen Versuche wurden an der unbe­handelten Holz­oberfläche durchgeführt.

Noch wesentlich haltbarere Verbindungen könnten entstehen, wenn vorab durch Ätzen oder Lasern eine Mikro- oder Nanostruktur 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.“

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“, sagt Doktoand Awais Awan. 

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. 

TU Graz  / JOL