TU Graz schafft Verbindung von Holz und Metall ohne Leim und Schraube
Holz und Metall - wie hält das zusammen? Forschende der TU Graz haben neue Wege gesucht, wie sich Holzteile ohne Schrauben, Nägel oder Klebstoff mit Metall oder auch Kunststoff-Verbundwerkstoffen belastungsfähig verbinden lassen. Das könnte im Autobau, in der Flugzeugindustrie und der Möbelbranche zum Einsatz kommen, teilte die TU Graz am Mittwoch in einer Aussendung mit.
Holz ist ein nachwachsender Rohstoff, leicht und fest zugleich und könnte damit attraktiv für den Einsatz im Mobilitätsbereich sein. Ein Problem stellt die geforderte robuste Verbindung zwischen Holz und den anderen Materialien im Fahrzeug - etwa Metallen und Kunststoff-Verbundwerkstoffen - dar. Denn Holz und Metall verhalten sich wie Essig und Öl: sie mischen sich ungern miteinander. Nieten und Bolzen können eine robuste Verbindung der Materialien schaffen, aber sie sorgen für zusätzliches Gewicht.
Erste Technik: 3D-Druck
Das Forschungsteam um Sergio Amancio am Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz hat daher zwei Techniken getestet, mit denen solche extrem festen Verbindungen ohne Klebstoff oder Schrauben gelingen: 3D-Druck und Ultraschall.
Bei der von Amancio mitentwickelten AddJoining-Technik wird auf die Holzoberfläche mittels 3D-Druck-Verfahren direkt ein Bauteil aus Kunststoff-Verbundwerkstoffen aufgedruckt. Das aufgedruckte Material kann in die Holzporen eindringen, wo es zu einer chemischen Reaktion kommt, ähnlich der Reaktion von Klebstoff mit Holz. Die daraus entstandenen Verbindungen beurteilten die Grazer Experten nach mechanischen Belastungstests positiv. "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", erklärte Gean Marcatto. Er hat am Grazer Institut als Postdoc an diesem Prozess gearbeitet. Die Versuche wurden an der unbehandelten Holzoberfläche durchgeführt.
Wesentlich haltbarere Verbindungen entstanden, wenn zuvor durch Ätzen oder Lasern eine Mikro- oder Nano-Struktur in das Holz eingearbeitet wurde, um die Poren und damit die Anbindungsflächen zu erhöhen. "Wir wollten aber mit möglichst wenigen Schritten und vor allem ohne Chemikalien arbeiten", schilderte Amancio. Er beschäftigt sich vor allem mit neuen Materialien und Produktionsmethoden in der Luftfahrt. Der gebürtige Brasilianer hält mehrere Patente und untersucht vor allem, wie metallische Werkstoffe mit Verbundwerkstoffen gefügt werden können. Aus seiner Sicht sei die AddJoining-Technik vor allem bei komplizierten Geometrien geeignet, weil die Bauteile direkt auf die Oberfläche gedruckt werden - "in welcher Geometrie auch immer erforderlich", so der Forscher.
Zweite Technik: Ultraschall
Bei der zweiten Technik - dem Ultraschallfügen - wird ein Holzbauteil 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 lasse sich laut den Grazer Forschern 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 über Fügetechnik mittels Ultraschall geschrieben hat.
Die erfolgreichen Tests sind für die Grazer Forscher durchaus motivierend: In Zukunft möchte das Team mit Partnern aus der Automobil-, Flugzeug- und Möbelbranche weiter an den Technologien feilen.