Gerührt, nicht gestoßen – neues Nietverfahren der GKSS

Das neue Verfahren eignet sich insbesondere zum Fügen von Kunststoffen oder Kunststoff-Metall-Verbindungen. Für seine Forschungsarbeiten erhielt der junge Materialwissenschaftler gestern den von der Nordmetall-Stiftung gestifteten Preis für die beste Doktorarbeit an der TU Hamburg-Harburg in 2007.

In der Transportindustrie und im Flugzeugbau wird intensiv an neuen Verfahren oder Materialien geforscht, die das Fahrzeug oder das Flugzeug leichter machen. Der Trend geht dabei zu Leichtbaumaterialien aus Verbundwerkstoffen von Kunststoffen und Kunststoff-Metall-Hybriden, den so genannten Multi-Material-Strukturen. Solche sehr unterschiedlichen Materialien sicher zu verbinden, stellt die Ingenieure vor Schwierigkeiten. GKSS-Mitarbeiter Dr. Sergio Amancio erklärt: „Herkömmlich werden die Materialien verklebt. Die Oberflächen müssen dazu vor dem Kleben behandelt werden, was insbesondere die Umwelt belastet. Weiterhin kostet das Zeit – und Zeit ist Geld.“

Preisverdächtig: die neue Technik

Das Institut für Werkstoffforschung am GKSS-Forschungszentrum besitzt langjährige Kompetenz auf dem Gebiet des Reibrührschweißens. Bei dieser Technik wird ein rotierendes Bolzenwerkzeug mit großer Kraft in zwei nebeneinander liegende Bleche gedrückt und entlang dieser Fügelinie bewegt. Das Material wird allein durch die Reibung zwischen Bolzen und Werkstück erwärmt und durch die Rotation des Bolzens verrührt, sodass sich die Bleche verbinden. Eine besondere Nahtvorbereitung und Schweißzusätze werden nicht benötigt.

Bei dem hieraus abgeleiteten neuen Verfahren des Reibnietens werden die beiden unterschiedlichen Materialien sowohl mechanisch verbunden als auch mit der Reibschweißtechnik gefügt. Die beiden Kunststoff-Grundmaterialien, die Fügepartner, werden mithilfe eines metallischen Bolzens verbunden. Der in Rotation versetzte Bolzen – der Niet – wird auf die Oberfläche des einen Partners gedrückt. In dieser Anfangsphase dringt der Bolzen in das Grundmaterial ein und es formt sich eine dünne Schicht aus „aufgeschmolzenem“ Kunststoff, die wie „Klebstoff“ wirkt. Dringt der Bolzen tiefer ein, so erhöht sich die Reibleistung signifikant. Dies wird durch die höhere Anpresskraft erzeugt. An der Bolzenspitze steigt dadurch die Temperatur und die Spitze des Bolzens wölbt sich nach außen auf. Dadurch ist der Bolzen fest im Material verankert (siehe Abbildung). Beim Reibnieten werden die positiven Verbindungseigenschaften von Nieten und die der Klebemethode für Metalle, Kunst- und Verbundkunststoffe erreicht: Das Verfahren ist sicher, dient der Gewichtseinsparung und senkt die Produktionskosten.

Und das hat auch die Nordmetall-Stiftung anerkannt. Im Rahmen des traditionellen Martinsgansessens mit über 600 geladenen Gästen aus Politik und Wirtschaft wurde der mit 3.500 Euro dotierte Preis feierlich an Dr. Sergio Amancio überreicht. Der Vorstand der Nordmetall-Stiftung, Dr. Thomas Klischan sagte dazu in seiner Laudatio: „Dr. Amancios Idee ist wirtschaftlich durchführbar und besonders umweltfreundlich, weil die sonst beim Schmelzschweißen gesundheitsschädlichen Schweißrauche bei dem neuen Verfahren gar nicht auftreten.“