Forschenden der TU Graz gelang es mittels 3D-Druck-Technik, den nachwachsenden Rohstoff Holz mit Metall und Kunststoff-Verbundwerkstoffen extrem fest zu verbinden. Ein weiterer Erfolg ergab sich mit Ultraschallfügen. Die Forschung, den Werkstoff Holz für den Fahrzeugbau zu benutzen, gewinnt immer mehr an Bedeutung.
Das Forschungsteam um Sergio Amancio am Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz hat zwei Techniken erfolgreich getestet, mit denen extrem feste Verbindungen mit Holz 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 Techniken 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.
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.“
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Holz gewinnt an Attraktivität im Fahrzeugbau
Der nachwachsende Rohstoff Holz ist klimaneutral, leicht und fest zugleich und dadurch grundsätzlich attraktiv für den Einsatz im Fahrzeugbau – das Deutsche Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat jüngst ein eigenes Kompetenzzentrum für Holz in Fahrzeugstrukturen eröffnet, doch dies nur am Rande. Eine Herausforderung dabei ist bislang die robuste Verbindung zwischen Holz und den anderen Materialien im Fahrzeug wie Metallen und Kunststoff-Verbundwerkstoffen. (eve)
