Thema des Monats November 2009

Gut verbunden: Innovative Verbindungstechniken

Bild 1: Laserfügen von Acrylnitril-Butadien-Styrol-Kunststoff (ABS) mit einer Spanplatte (links) und eines Polypropylen-Bauteils (PP) auf einem Holzfaserverbundwerkstoff (rechts). Quelle: Laser Zentrum Hannover e.V.

Stoffschlüssig, formschlüssig und kraftschlüssig – so lauten die drei zentralen Schlagworte, wenn es darum geht, Verbindungstechniken zu charakterisieren und zu unterscheiden. In allen Ingenieursdisziplinen ist das Teilgebiet Fügen innerhalb der modernen Fertigungstechniken von zentraler Bedeutung zur Realisierung von Produkten, Anlagen und Verfahren.

Dies trifft auch die Fokusthemen der Messen wire und Tube: Rohre werden verschweißt, Drähte werden verlötet, Bleche werden genietet und Kunststoffkomponenten werden verklebt. Der Einsatz neuer Materialsysteme und Materialkombinationen, die deutlich gesteigerten Forderungen nach Ressourcenschonung und Energieeffizienz sowie die Erfüllung anspruchsvoller Anforderungsprofile im Einsatz sind nur einige Beispiele, mit denen die sich die kontinuierlich verändernden Forderungen des Marktes verdeutlichen lassen. Dies beeinflusst selbstverständlich auch die zur Verfügung stehenden Verfahren der Füge- und Verbindungstechnik. Konventionelle Methoden werden dadurch natürlich nicht ersetzt – aber sicherlich um neue und modifizierte Technologien ergänzt. Aktuell erreichen innovative Technologien die Marktreife – diese gilt es hier zu präsentieren.

FricRiveting – ein neues Nietverfahren

Als Reibnieten oder FricRiveting wird ein neuartiges Fügeverfahren bezeichnet, das der Materialwissenschaftler Dr. Sergio Amancio vom GKSS-Forschungszentrum in Geesthacht im Rahmen seiner Doktorarbeit an Technischen Universität Hamburg-Harburg entwickelt hat. Das neue Verfahren eignet sich insbesondere zum Fügen von unterschiedlichen Kunststoffen, neuartigen Hybridmaterialien, Verbundwerkstoffen oder Kunststoff-Metall-Verbindungen – also gerade für solche Materialsysteme, die in der Automobilindustrie, dem Transportwesen und im Flugzeugbau als geeignete Kandidaten gelten, um bewegte Massen leichter zu machen.

Beim Reibnieten werden die beiden zu verbindenden Materialien sowohl mechanisch verbunden als auch thermisch miteinander verschweißt. Als zentraler Funktionsträger wirkt dabei ein metallischer Bolzen – der Niet. Dieser wird in Rotation versetzt und auf die Oberfläche der Fügepartner gedrückt. In dieser Phase penetriert der Bolzen das Substrat und die sich dabei entwickelnde Reibungswärme schmilzt den Kunststoff auf, der in der Folge wie ein starker Klebstoff wirkt. Mit fortschreitendem Eindringen erhöht sich die Reibleistung immer mehr und die nötigen Anpresskräfte steigen deutlich an. Diese Bedingungen führen dazu, dass sich an der Nietspitze hohe Temperaturen einstellen.

Die mechanisch-thermischen Umgebungsbedingungen führen dazu, dass sich die Spitze des Bolzens deformiert und sich definiert nach außen wölbt. Dadurch wird der Bolzen im Material verankert und die Fügepartner werden fest miteinander verbunden. FricRiveting kombiniert damit die Vorteile des Nietens mit denen des Klebens. Das Verfahren ist sicher, realisiert Gewichtseinsparungen und senkt die Produktionskosten, da beispielsweise zeitintensive Vorbereitungsarbeiten zur Einstellung definierter Oberflächeneigenschaften für Klebverbindungen eingespart werden können. Zudem kann auf den Einsatz umweltbelastender Chemikalien verzichtet werden und gesundheitsschädigende Schweißrauche treten erst gar nicht auf.


Prinzipskizze des Fügeprozesses zweier Materialien über das neu entwickelte Reibniet-Verfahren. Quelle: GKSS-Forschungszentrum Geesthacht.

Laserschweißen – Kunststoff mit Holz fügen

Zahlreiche Varianten des Laserdurchstrahlschweißens haben sich bereits seit längerer Zeit zum Fügen thermoplastischer Kunststoffbauteile etabliert. Der hohe Automatisierungsgrad, die Flexibilität des Verfahrens sowie die Vermeidung von Schmelzeaustrieb und die Vibrationsfreiheit während des Fertigungsprozesses sind die signifikanten Vorteile dieser leistungsstarken Fügetechnologie.

Wissenschaftler und Ingenieure vom Laser Zentrum Hannover e.V. haben das Laserdurchstrahlschweißen nun weiterentwickelt und seine Anwendung auf die zuverlässige Verbindung unterschiedlicher Werkstoffpaarungen übertragen können. Nach Angabe der Experten gelingt die Anbindung von Bauteilen aus thermoplastischen Polymeren – wie beispielsweise Polypropylen (PP), Polyamid (PA) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) - an technisch relevante Holzwerkstoffe wie Faser-, Span- und Massivholzplatten oder Komponenten aus Naturfaserverbundwerkstoffen.

Je nach vorliegender Werkstoffpaarung kommen dabei unterschiedliche Fügemechanismen zum Tragen. Eine Hauptrolle scheint dabei der Naturthermoplast Lignin - ein wesentlicher makromolekularer Holzbestandteil - zu spielen, der auf molekularer Ebene mit den chemischen Bausteinen des jeweiligen Kunststoffs wechselwirkt. Neben den bereits am Anfang geschilderten Vorteilen des Laserdurchstrahlschweißens im Allgemeinen ermöglicht das Verfahren beim Fügen von Holzwerkstoffen im Speziellen den Verzicht auf den Einsatz eines weiteren Klebstoffs.

Damit entfallen neben den Kosten für den Klebstoff auch aufwändige Wartungs- und Reinigungsarbeiten, die durch das häufig diffizile Klebstofffhandling hervorgerufen werden können. Das mechanische Eigenschaftsprofil realer Materialpaarungen wurde bereits durch diverse Anwendungstests – wie zum Beispiel Scherzugversuche und Dichtigkeitsprüfungen – umfassend charakterisiert. Alle relevanten Kennwerte bewegen sich ungefähr auf dem Leistungsniveau von Konkurrenzverfahren, die aber in der Regel aufwändiger durchzuführen sind. Diese Tatsache macht das Laserdurchstrahlschweißen zu einem attraktiven Kandidaten für anspruchsvolle Fügelösungen, die beispielsweise im Automobilbau, im Transportwesen oder in der Möbelindustrie gefordert werden.

Dr.-Ing. Christoph Konetschny
Material- und Nanoexperte

www.materialsgate.de


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