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

07.08.2026

Kunststoff-Institut Lüdenscheid präsentiert Innovationen auf erweiterter Standfläche

Das Kunststoff-Institut Lüdenscheid präsentiert sich auf der Fakuma 2026 in Friedrichshafen mit einem deutlich erweiterten Messeauftritt. Vom 12. bis 16. Oktober 2026 zei...

Beschichtung Duroplaste FAKUMA Formteile Kunststoffe MAG Oberflächentechnik Rezyklate Thermoplaste Thermoplasten Werkzeugbeschichtung Wertschöpfungskette
Mehr erfahren
Teilnehmer an der Vorstandssitzung (v.l.n.r.): Christian Flüss, Stephan Draack, Peter Maxisch, Axel Graupe, Willi Seiger, Heiner Dresrüsse
05.08.2026

Fachverband Metall NW legt Schwerpunkte für das Metallhandwerk fest

Der Vorstand des Fachverbandes Metall NW hat auf seiner Sommersitzung 2026 die strategischen Schwerpunkte für die kommenden Jahre festgelegt. Dazu zählen die Unterstützun...

Ausbildung Berufsorientierung DIN EU-Maschinenverordnung Handwerk Maschinenverordnung Metall Metallhandwerk Norm Normen TIG
Mehr erfahren
Anwendung eines pneumatischen Parallelgreifers
04.08.2026

Digitale Werkstoffauswahl senkt CO₂-Emissionen bei Schunk

Schunk und Cadfem zeigen an einem Industriegreifer, wie Sekundärmaterialien und additive Fertigung die CO₂-Emissionen um bis zu 40 Prozent senken.

3D-Druck Additive Fertigung Additiver Fertigung Aluminium CAD Emissionen Energie Engineering Fertigungsprozess Fertigungsprozesse Fertigungsverfahren Legierungen Produktentwicklung Simulation Stahllegierungen System Werkstoffauswahl
Mehr erfahren
Am SKZ werden verschiedene zerstörungsfreie Prüfverfahren für Kunststoffe erforscht und in Zusammenarbeit mit Industriepartnern für die industrielle Anwendung weiterentwickelt.
31.07.2026

Zerstörungsfrei prüfen in der Kunststoffindustrie

Die Forschungsgruppe Zerstörungsfreie Prüfung am SKZ untersucht, wie Kunststoffe zuverlässig und beschädigungsfrei geprüft werden können. Ziel ist es, Qualitätsmerkmale f...

Computertomografie Fügen von Kunststoffen Joining Plastics JP Kunststoffe Materialeigenschaften Optische Kohärenztomografie Shearografie Thermografie Ultraschall Zerstörungsfreie Prüfung
Mehr erfahren