Neue Fügetechnik 02.05.2018, 13:09 Uhr

Metalle ohne Schweißen fest verbinden

Kieler Forscher haben eine raffinierte Technik entwickelt, mit der sich Bauteile auch ohne Schweißen fest miteinander verbinden lassen. Dafür werden zunächst die Oberflächen gezielt aufgeraut. Die dabei entstehenden Widerhaken greifen ineinander. Und werden verklebt. Das hält bombenfest.

Ohne Schweißen: Der Flansch aus Aluminium hält fest an der Aluminiumwand.

Ohne Schweißen: Der Flansch aus Aluminium hält fest an der Aluminiumwand.

Foto: Siekmann/CAU

Nicht nur Metalle lassen sich so miteinander ganz ohne Schweißen fest verbinden. Auch Kunststoffe haften extrem fest an metallischen Oberflächen, wenn das so genannte Nanoscale-Sculpturing-Verfahren genutzt wird. Kein Geringerer als der Renaissance-Maler und Bildhauer Michelangelo stand Pate, als die erste Maschine, die dieses vermeintliche Zauberkunststück fertigbringt ihren Namen bekam: Sie heißt Metalangelo und bearbeitet ähnlich wie der berühmte Künstler Oberflächen. Mit einem elektrochemischen Ätzverfahren raut sie die Flächen auf, die miteinander verbunden werden sollen. Und zwar so, dass Milliarden von mikrometergroßen Widerhaken entstehen. Werden die Bauteile dann aufeinandergepresst, verhaken sie sich ineinander. Ein Kleber sorgt dafür, dass die Haken sich nicht wieder lösen können.

Funktioniert bei Zimmertemperatur

„Wenn etwas bricht, dann höchstens der Kleber an sich oder das Material selbst, nicht aber die Verbindungsstelle“, sagt Ingo Paulowicz, Vorstand des universitätsnahen Kieler Unternehmens Phi-Stone, das Metalangelo entwickelt hat.

Die Kräfte zwischen den beiden Bauteilen sind also ähnlich groß, als wären sie miteinander verschweißt worden. Das Verfahren selbst dachte sich ein Forschungsteam der Arbeitsgruppe „Funktionale Nanomaterialien“ der Christian-Albrechts-Universität in Kiel aus. Die Leitung hatte Professor Rainer Adelung.

Unter dem Mikroskop wird die feine Widerhakenstruktur der aufgerauten Metalloberfläche sichtbar. Verschiedene Materialien lassen sich so miteinander „verhaken“ und dauerhaft verbinden.

Unter dem Mikroskop wird die feine Widerhakenstruktur der aufgerauten Metalloberfläche sichtbar. Verschiedene Materialien lassen sich so miteinander „verhaken“ und dauerhaft verbinden.

Foto: Mark-Daniel Gerngroß

Nanoscale Sculpturing hat gegenüber dem Schweißen entscheidende Vorteile. Der vielleicht wichtigste: Das Verfahren funktioniert bei Zimmertemperatur. Anders als beim Schweißen mit hohen Temperaturen, das zu Spannungen und anderen Materialveränderungen führen kann, nehmen die Bauteile keinen Schaden. Es sind auch keine Bearbeitungsspuren zu erkennen. Auch die Ätzflächen sind nach dem Zusammenfügen nicht mehr zu sehen. Schweißnähte stören dagegen den optischen Eindruck. Manchmal müssen sie sogar aufwendig weggeschliffen werden. Bei der Kieler Technik sind dagegen keine Nacharbeiten nötig. Sie kann auch zum Fügen von Bauteilen genutzt werden, die bereits oberflächenbehandelt, also lackiert oder beschichtet sind. Da keine Wärme entsteht wird die Oberfläche nicht beschädigt.

Bauteile nachträglich anbringen

Besonders gut geeignet sei das Verfahren, um Bauteile nachträglich in schon bestehenden Konstruktionen anzubringen, zum Beispiel im Innenraum von Schiffen oder Autos, beschreibt Adelung denkbare Einsatzmöglichkeiten. „Das Nanoscale-Sculpturing-Verfahren eröffnet völlig neue Möglichkeiten in der Fügetechnik, aber auch ganz neuartige Werkstoffkombinationen wie Aluminium mit Kupfer oder mit Silikon. Das könnte zum Beispiel für die Medizintechnik interessant sein“, so Adelung. Das Fügeverfahren lasse sich auch an schwer zugänglichen Stellen einsetzen. Beispielsweise an Ecken oder Decken. Schon nach wenigen Minuten ist die Endfestigkeit erreicht.

Metalangelo ist ein mobiles Gerät, für dessen Bedienung eine Einweisung reicht. Schweißen muss man dagegen lernen – nur Facharbeiter beherrschen diese Technik. Gemeinsam mit ersten Kunden will Phi-Stone das Gerät jetzt bis zur Marktreife weiterentwickeln. Zwei Patente dazu sind bereits angemeldet.

Nach dem Vorbild der Miesmuschel haben Forscher aus Berlin einen Biokleber entwickelt, der so stark haftet, dass man zum Beispiel gebrochene Knochen und Implantate dauerhaft verkleben kann. Verschrauben wird dann überflüssig. Mehr dazu lesen Sie hier.

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