| Pressemeldung

Hightech-Gewinner aus Geesthacht: Neue Technik zum Verbinden von Kunststoff und Metall

Dr. Sergio Amancio, Forschungsgruppenleiter am Helmholtz-Zentrum Geesthacht und Juniorprofessor an der Technischen Universität Hamburg-Harburg, ist “German High Tech Champion 2013 in Lightweight Design”. Er wurde kürzlich für die Entwicklung einer neuen Fügetechnologie, dem Friction Spot Joining (Reibpunktfügen, FSpJ), ausgezeichnet. Damit lässt sich Metall und Kunststoff verbinden – ohne Verwendung von Klebstoff.

Ghtc _© K.jpg

Überreichte im Namen der Fraunhofer-Gesellschaft den Preis an Sergio Amancio: Dr. Anke Hellwig [©Foto: K.Yanagiya]

Im modernen Fahrzeugbau steht das Thema Leichtbau ganz oben auf der To-do-Liste. Denn durch die Herausforderungen des Klimawandels und die steigenden Rohstoffpreise zählen die Reduzierung des Ressourcenverbrauchs und der Emissionen zu den vordringlichen Aufgaben. Die Hersteller müssen zudem deutlich leichtere Autos bauen, um zum Beispiel das enorme Gewicht von Batterien in den zukünftigen Elektroautos zu kompensieren.

In der Forschung werden daher verstärkt Konzepte entwickelt, die kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) mit weiteren Leichtbaumaterialien wie Aluminium oder Magnesium kombinieren. Doch wie lassen 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.

Ausgezeichnete Technik

Der Materialforscher am Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Juniorprofessor Dr. Sergio Amancio, wurde für die von ihm erforschte und zum Patent angemeldete Fügetechnik, Friction Spot Joining – FSpJ, kürzlich mit dem „GHTC® - the German High Tech Champion Award 2013 in Lightweight Design“ ausgezeichnet. Der mit 10.000 Euro dotierte Preis wurde ihm am 18. November im Rahmen des Fachsymposiums „Green Technology made in Germany“ in Tokio, Japan, vor geladenem Publikum verliehen.

Fspj Cfk-metall Prozess

Die Hülse dringt in das Metall (2) ein, das Metall wird weich (3) und beim Zurückziehen der Hülse verformt sich das CFK in die Metallschicht hinein (4). [Abb.: Sergio Amancio]

„Unsere neue Fügetechnik, das Friction Spot Joining, bietet eine schnelle, günstige und umweltfreundliche Alternative, denn bei dieser Technik verzichten wir komplett auf Klebstoffe. Wir machen das Metall punktuell gefügig, das führt zu einer mechanischen Verankerung im CFK“, erklärt Amancio. 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).

Carbon

Reibpunktfügen

Sergio Amancio: „Eine große Herausforderung bei der Erforschung dieser Technik war es herauszufinden, wie viel Reibung und Druck auf die Hülse ausgeübt werden dürfen, 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 herauszufinden, wie sicher das Reibpunktfügen ist. Viele weitere Untersuchungen, zum Beispiel zur Rissausbreitung oder zum Crashverhalten werden durch die Wissenschaftler jetzt erforscht. Dafür stehen ihnen Instrumente in der kürzlich eingeweihten Halle, dem neuen „Wayne-Thomas-Building“ des Instituts für Werkstoffforschung, auf dem Geesthachter Campus zur Verfügung.

Glossar


Der German High Tech Champions Wettbewerb: GHTC® – the German High Tech Champions Award ist Bestandteil der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Initiative „Werbung für den Innovations- und Forschungsstandort Deutschland“ unter der Marke „Research in Germany“. Der diesjährige GHTC® Award in der Kategorie „Lightweight Design“ wurde am 18. November 2013 in Tokio von der Fraunhofer-Gesellschaft an sechs Technologieentwickler aus deutschen Universitäten und außeruniversitären Forschungsorganisationen verliehen.

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.

Kontakt


Heidrun Hillen

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit Helmholtz-Zentrum Geesthacht

Tel: +49 (0)4152 87-1648

E-Mail Kontakt