Technologien
Beim Ultraschallfügen verbinden sich Holz und Grundbauteil durch Reibungshitze. - © Wolf – TU Graz
31.08.2024

Klebstofffreie Verbindung von Holz und Metall

Alternative im Auto und Flugzeugbau: Neue Füge- und additive Fertigungsverfahren erlauben klebstofffreie Verbindung von Holz und Metall

Forschenden der TU Graz gelang es mittels 3D-Drucktechnik und Ultraschall, den nachwachsenden Rohstoff Holz mit Metall und Kunststoff-Verbundwerkstoffen extrem fest zu verbinden.

Der nachwachsende Rohstoff Holz ist klimaneutral, 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.

Addjoining nutzt 3D-Druck, um ein ein Bauteil aus Kunststoff-Verbundwerkstoffen auf Holz aufzudrucken. - © Wolf – TU Graz
Addjoining nutzt 3D-Druck, um ein ein Bauteil aus Kunststoff-Verbundwerkstoffen auf Holz aufzudrucken. © Wolf – TU Graz
Durch Fügetechnik und Additive Manufacturing kann Holz weniger nachhaltige Materialien ersetzen

Die beiden Fügetechniken 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.

Von links: Awais Awan, Sergio Amancio und Gean Marcatto vom Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz. - © Wolf – TU Graz
Von links: Awais Awan, Sergio Amancio und Gean Marcatto vom Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz. © Wolf – TU Graz

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.“

Ultraschall sorgt für stabile Punktverbindung

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“, erklärt Awais Awan, der sein Doktorat der Fügetechnik mittels Ultraschalles gewidmet hat. 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.

Diese Forschung ist im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz.

(Quelle: Presseinformation der TU Graz)

Schlagworte

3D-DruckAdditive FertigungAdditive ManufacturingAddjoiningAutomobilbauFahrzeugbauFlugzeugbauFügetechnikHolzKunststoff-VerbundwerkstoffeKunststoffeMetallUltraschallUltraschallfügen

Verwandte Artikel

DELO stellt ersten biobasierten Allround-Klebstoffe vor
09.07.2026

Biobasierter Allround-Klebstoff unterstützt Nachhaltigkeit

DELO hat einen Klebstoff entwickelt, der mehrheitlich aus biobasierten Anteilen besteht und technische Leistungsfähigkeit mit Nachhaltigkeit verbindet.

Automobilindustrie Flexibilität Fügen von Kunststoff Joining Plastics JP Kleben Kunststoffe Nachhaltigkeit
Mehr erfahren
HWT 250 MI
06.07.2026

Stumpfschweißen von Rohren, Segmenten und Formteilen

Mit der neuen Werkstattmaschinen HWT 250 MI und HWT 315 MI stellte Hürner Schweisstechnik jüngst zwei neue Maschinen für das Stumpschweißen von Rohren, Segmenten und Form...

Fügen von Kunststoffen Joining Plastics JP Kunststoffe Rohre Schweißen Stumpfschweißen
Mehr erfahren
Gemeinsam zu mehr Innovation: Für die rund 200 Teilnehmenden der Ultrasonic Tech Days stand der Austausch und die Zusammenarbeit im Vordergrund.
01.07.2026

Rückblick Ultrasonic Tech Days

Cybersecurity, Automatisierung: Die Ultrasonic Tech Days von Herrmann Ultraschall am 24. und 25. Juni fokussierten sich auf zentrale Herausforderungen moderner Unternehme...

Automatisierung Cybersicherheit Fügen von Kunststoffen Joining Plastics JP Kunststoffe Schweißen Ultraschallschweißen
Mehr erfahren
Auf der 3D Print in Lyon präsentierte AM Solutions erstmals die S1 Basic. Links im Bild: David Soldan, Head of AM Solutions.
25.06.2026

kompakte Einstiegslösung für die automatisierte Nachbearbeitung

Im Juni stellte AM Solutions – 3D post processing technology auf der 3D Print in Lyon erstmals die neue S1 Basic vor. Damit erweitert das Unternehmen sein Portfolio für d...

3D-Druck Additive Fertigung Automatisierung Industrie Nachbearbeitung Oberflächenbearbeitung Oberflächenreinigung Polymerbauteile
Mehr erfahren
25.06.2026

Bettina Steingruber neue Geschäftsführerin von Trumpf Österreich

Führungswechsel bei Trumpf Maschinen Austria: Bettina Steingruber übernimmt zum 1. Juli 2026 die Geschäftsführung / Ihr Vorgänger Thilo Preß wechselt nach Ditzingen und w...

Automobilbau Biegetechnik E-Hand Schweißen Industrielle Fertigung Schweißanlage Werkzeugmaschinen
Mehr erfahren