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Hightech-Gewinner aus Geesthacht

Neue Technik verbindet Kunststoff und Metall

Dr. Sergio Amancio vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) ist „German High Tech Champion 2013 in Lightweight Design”. Er wurde für die Entwicklung einer neuen Fügetechnologie (Reibpunktfügen) ausgezeichnet. Damit lassen sich Metall und Kunststoff ohne Verwendung von Klebstoff verbinden.

Dr. Sergio Amancio wurde in Tokyo ausgezeichnet.

Eine der größten Herausforderungen im modernen Fahrzeugbau ist das Thema Leichtbau. Durch Klimawandel und steigende Rohstoffpreise zählen die Reduzierungen des Ressourcenverbrauchs und der Emissionen zu den vordringlichen Aufgaben. Außerdem müssen die Hersteller deutlich leichtere Autos bauen, um zum Beispiel das enorme Gewicht von Batterien in den zukünftigen Elektroautos zu kompensieren. 

Neue Techniken entwickeln

In der Forschung werden daher verstärkt Konzepte entwickelt, die kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) mit weiteren Leichtbaumaterialien wie Aluminium oder Magnesium kombinieren. Doch wie lässt sich Metall und Kunststoff sicher verbinden? Aufgrund der Komplexität der Bauteile und der chemischen Verschiedenheit von CFK und Metall müssen die neuen, maßgeschneiderten Füge-und Montagetechniken zum Teil noch entwickelt werden.

Hier ist dem Materialforscher Dr. Sergio Amancio mit der Entwicklung der neuen Fügetechnologie, dem „Friction Spot Joining“ (FSpJ), ein entscheidender, erster Schritt gelungen. Amancio ist Forschungsgruppenleiter am HZG und Juniorprofessor an der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Die von ihm erforschte Fügetechnik wurde zum Patent angemeldet. Der mit 10.000 Euro dotierte Preis wurde ihm am 18. November 2013 im Rahmen des Fachsymposiums „Green Technology made in Germany“ in Tokio, Japan, vor geladenem Publikum verliehen.

Mit Temperatur und Mechanik

Die Verbindung von CFK und Metall durch mechanische Verankerung.

Beim FSpJ von Metall und CFK dringt eine sich schnell drehende Hülse nur in die Metallschicht ein. Durch die Reibungshitze werden das Metall weich und das CFK an der Oberfläche aufgeschmolzen. Beim Zurückziehen der drehenden Hülse kommt es zu einer leichten Verformung des CFK in das Metall hinein. Am Ende entstehen so in der sogenannten Übergangszone des CFK eine Verklebung und eine mechanische Verankerung (siehe Abbildung).

www.hzg.de

Viel Reibung und Druck

„Eine große Herausforderung bei der Erforschung dieser Technik war es herauszufinden“, so Dr. Sergio Amancio, „wie viel Reibung und Druck auf die Hülse ausgeübt werden darf, um die erwünschte Erwärmung zu erzeugen. Denn bei zu viel Reibung und Druck werden die Kunststoffmatrix und das Kohlefasernetzwerk sofort zerstört. Das ist auch der Grund, warum man CFK-Metall-Verbundteile auf herkömmliche Weise nicht nieten kann. Dass es kostengünstig und zugleich effizient geht, haben wir mit dieser neuen Technik bewiesen.“

Jetzt gilt es für die Forscher zu klären, wie sicher das Reibpunktfügen ist. Viele weitere Untersuchungen - zum Beispiel zur Rissausbreitung oder zum Crash-Verhalten - werden jetzt durchgeführt. Dafür stehen den Wissenschaftlern Instrumente in der kürzlich eingeweihten Halle, dem neuen „Wayne-Thomas-Building“ des Instituts für Werkstoffforschung auf dem Geesthachter Campus, zur Verfügung.

Glossar

CFK – kohlenstoffverstärkter Kunststoff: Das Carbon-Material ist sowohl leichter als auch härter als Stahl oder Aluminium. Allerdings ist es derzeit im Vergleich zu diesen Metallen noch erheblich teurer. Das liegt unter anderem daran, dass Strukturen aus CFK - etwa im Flugzeugbau - bislang überwiegend in Handarbeit gefertigt wurden.

Ein Problem ist zudem, dass CFK derzeit nur genietet oder verklebt werden kann. Dafür sind umständliche Vorbehandlungen, wie zum Beispiel Vorbohren und Oberflächenbehandlungen der Fügestelle nötig. Das erfordert einen erheblichen zusätzlichen Arbeits- und Kostenaufwand.