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Im Interview erfahren Sie von Prof. Dr. Ing. Norbert Huber, Institutsleiter der Werkstoffmechanik, mehr über die Werkstoffforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht Audio abspielen


Interview
In2science-5- Christian Schmid- Fehrmann Interview-06

Das Unternehmen von Henning Fehrmann stellt hochfestes Aluminium her – und arbeitet dabei eng mit dem HZG zusammen. Dessen Experten vom Zentrum für Hochleistungsmaterialien (ZHM) untersuchen die Legierungen mit empfindlichen Analysemethoden und Mikroskopietechniken. Das Ergebnis des zweieinhalbjährigen Gemeinschaftsprojekts: eine Aluminiumlegierung, die ebenso fest ist wie Stahl. Interview mit Henning Fehrmann


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Neue Schweißtechniken für neue Materialien

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Foto: Fotolia/DWerner

Was hält einen großen Passagierjet zusammen? Die Antwort: rund eine Million Nieten. Zwar ist das Zusammennieten von Flugzeugbauteilen eine bewährte und sichere Technologie. Aber es sorgt für zusätzliches Gewicht: Die Nieten selber haben eine gewisse Masse, außerdem müssen sich die Bleche überlappen, um genietet zu werden. Könnte man stattdessen schweißen, ließen sich je nach Flugzeugtyp bis zu 20 Prozent Gewicht einsparen – und damit Treibstoffverbrauch und CO2-Ausstoß mindern.

Laserschweißen

1304 Hzg Laserhalle 3821

Foto: HZG/Christian Schmid

Eine der Alternativen ist das Laserschweißen. Manche Hersteller wie Airbus setzen es schon heute ein, allerdings nur für bestimmte Bauteile wie den Bodenbereich des Rumpfes. Die HZG-Forscher arbeiten daran, die neue Technik auch auf das Fügen von anderen Bauteilen zu erweitern. Ihre Vision: das nietenfreie Flugzeug.

Die Herausforderung liegt darin, dass die in der Luftfahrtindustrie verwendeten Bleche nur wenige Millimeter dick sind. Beim Schweißen sollen sie sich anders als beim Nieten nicht überlappen, sondern Kante an Kante gefügt werden. Um das zu schaffen, muss man extrem präzise arbeiten und ausschließen, dass durch den Schweißprozess störende Defekte ins Material geraten. Unter anderem können sich durch das Erhitzen Gasblasen bilden. Diese Blasen hinterlassen dann Poren in der Schweißnaht – und damit mögliche Ausgangspunkte für schädliche Risse.

Um diese Porenbildung zu unterbinden, experimentieren die HZG-Experten mit speziellen Lichtquellen: In sogenannten Faserlasern entsteht das Licht im Inneren einer Glasfaser. Der Vorteil dieser Geräte: Sie können Laserstrahlen mit großem Durchmesser und von hoher Qualität erzeugen. In diesen Laserstrahlen kann die Schmelze von außen nach innen erstarren. Dabei hat das sich bildende Gas genügend Zeit, um aus der Schmelze zu entweichen, es hinterlässt also keine Poren.

Spezielle Legierungen

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Foto: HZG/Christian Schmid

Eine weitere Aufgabe besteht darin, Legierungen zu fügen, die mit klassischen Methoden als unschweißbar gelten. Das gilt zum Beispiel für hochfeste Aluminiumlegierungen mit hohem Zinkgehalt. Dieses Zink verflüchtigt sich beim Schweißen leicht. Zurück bleibt eine zinkarme Schweißnaht von mangelnder Festigkeit – das Material ist regelrecht kaputtgeschweißt. Auch hier kann der Einsatz des Faserlasers helfen: Laserstrahlgröße und Anwendungsdauer können so fein eingestellt werden, dass beim Schweißen kaum noch Zink entweicht. Mittlerweile hat sich das Helmholtz-Zentrum Geesthacht das Verfahren patentieren lassen.

Die Halle der Tausendsassa

Hier werden die unmöglichsten Verbindungen erforscht: Metall mit Kunststoff, Komposit mit Aluminium oder Titan mit Stahl:

Rührreibschweißen

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Foto: HZG/Christian Schmid

Eine andere am HZG weiterentwickelte Methode ist das Rührreibschweißen. Im Gegensatz zum Laserschweißen wird das Material nicht aufgeschmolzen, sondern nur soweit erwärmt, dass es knet- und formbar ist. Das geschieht durch Reibung. Ein rotierendes Spezialwerkzeug drückt mit einiger Kraft auf die zu fügenden Werkstücke. Die Materialien werden warm und teigig und können miteinander „verrührt” werden.

Der Vorteil der Methode: Sie kann gänzlich unterschiedliche Stoffe miteinander verbinden, zum Beispiel Aluminium mit Titan oder sogar mit Kunststoff . Diffizil ist vor allem die Steuerung des Schweißvorgangs. So darf die Fügestelle nicht zu weich und zu heiß werden, sonst droht das Werkzeug durch das Material zu stechen. Der brasilianische Flugzeughersteller Embraer, mit dem das HZG seit Jahren kooperiert, setzt das Rührreibschweißen bereits für Bauteile in den Cockpits seiner Kurzstreckenjets ein. Künftig möchte das Unternehmen auch mechanische Versteifungen sowie Fensterrahmen mit dem innovativen Verfahren fertigen – und sich dadurch manche Niete sparen.

Live-Experiment: Im Röntgenstrahl Metalle fügen

Sie leisten Detektivarbeit mit Röntgenlicht: Die Materialforscher des HZG haben eine modulare Schweißmaschine entweickelt, mit der sie zur Röntgenquelle PETRA III am DESY in Hamburg gefahren sind. Dort konnten sie beim Rührreibschweißen live untersuchen, wie sich die thermomechanisch beeinflusste Zone der Schweißnaht verhält.