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HANNOVER MESSE 2020, 20. - 24. April

Aussteller-Pressemitteilungen

Christian-Albrechts-Universität

Fügetechnik ohne Schweißen und Kleben

Um Metalle dauerhaft miteinander zu verbinden, werden noch immer vor allem Schweiß- und Klebetechniken eingesetzt. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen stößt bei Kunststoffen und empfindlichen Metallen an seine Grenzen. An einer schonenden Fügetechnik arbeitet ein gemeinsames Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Phi-Stone AG. Mit einem besonderen Ätzverfahren verbinden sie nicht nur Aluminium und Kunststoff dauerhaft miteinander. Auch Kombinationen mit Stahl, Leichtmetallen wie Magnesium oder leichte Komposite aus glasfaser- bzw. kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (GFK bzw. CFK) sind mittlerweile möglich. Auf der Hannover Messe präsentieren sie am Stand der CAU (Halle 2, Stand C07), wie sich dieses Verfahren sowohl mobil anwenden als auch in bestehende Anlagentechnik integrieren lässt. Mögliche Anwendungsgebiete sind Automobilindustrie, Schiffsbau sowie Luftfahrt und Handwerk. Nicht alle Metalle können miteinander verschweißt oder mit einem Kunststoff verklebt werden. Dünne Materialien halten den hohen Temperaturen oft nicht Stand, Beschichtungen werden zerstört oder andere Materialien in unmittelbarer Nähe beschädigt. Mit der Methode, die die CAU-Arbeitsgruppe um Professor Rainer Adelung zusammen mit der universitätsnahen Ausgründung Phi-Stone entwickelt hat, lassen sich sowohl Metalle untereinander als auch mit Kunststoffen bei Raumtemperatur in wenigen Minuten dauerhaft durch Mikroverzahnung verbinden. „In den Fensterrahmen eines Flugzeugs stecken beispielsweise Unmengen von Nieten, die zusammengenommen auf ein relativ hohes Gewicht kommen. Schweißen ist allerdings keine Alternative für die im Flugzeugrumpf verwendeten Metalle und Kunststoffe. Mit unserer Fügetechnik könnte man die Materialien ohne Nieten miteinander verbinden und so Gewicht und damit Treibstoff einsparen“, erläutert Professor Rainer Adelung, Leiter der Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien, das Potential der Methode. Strukturierte Oberfläche verzahnen Beim sogenannten „nanoscale sculpturing“-Verfahren wird die Oberfläche eines Metalls mit einem elektrochemischen Ätzverfahren präzise aufgeraut, so dass auf Mikrometerebene eine feine, quaderförmige Widerhakenstruktur entsteht. Werden zwei so behandelte Oberflächen ineinander verzahnt, entsteht eine nur sehr schwer lösbare Verbindung. Während bei Klebetechniken der Haftstoff auf einer relativ großen Fläche aufgetragen werden muss, um chemisch zu kleben, reicht beim Sculpturing-Verfahren auch eine vergleichsweise kleine Verbindungsfläche für einen festen Halt. Besonders geeignet sei das Verfahren, um Bauteile nachträglich in schon bestehenden Konstruktionen oder an schwer zugänglichen Stellen anzubringen wie im Karosseriebau in der Automobilindustrie, in Schiffen oder im Flugzeugbau. Außerdem kann die Ätzmethode genutzt werden, um Oberflächenbeschichtungen zu entfernen. Ausweitung der Anwendung Die Anwendungsmöglichkeiten sollen in Zukunft auf weitere Materialien und Formen ausgeweitet werden. Beispiele aus der Grundlagenforschungen zu ultraleichtgewichtigen Materialien mit Rekorddichten von weniger als 1 mg/cm³ ermöglichen funktionale Anwendungen in Luft- und Raumfahrt. Auch die Bearbeitung von Drähten, gewölbten Flächen und Röhren ist denkbar. „Diese Art der Oberflächenbehandlung wirkt wie ein Korrosionsschutz: Das feine Netzwerk aus Haken lässt kein Wasser durch. Damit bearbeitete Schrauben können zum Beispiel nicht mehr ‚festrosten‘“, erklärt Hartmut Schmidt-Niepenberg, Vorstand des Kooperationspartners Phi-Stone AG. Zurzeit führen sie außerdem Tests mit verzinkten Stahlblechen durch, wie sie in Dachdeckerbetrieben verwendet werden. Aufgrund der hohen Temperaturen würde die Zinkbeschichtung verdampfen, wenn man die Stahlbleche per Schweißen mit anderen Metallen verbindet. Daher muss sie normalerweise zunächst ab- und anschließend wieder aufgetragen werden. Das Ätzverfahren des Kieler Forschungsteams könnte den Prozess deutlich beschleunigen. Mobil nutzen oder in Anlagen integrieren Über den von der Phi-Stone AG entwickelten Prototypen einer mobilen Fügestation ist das Verfahren flexibel anwendbar. Modular aufgebaut lässt es sich außerdem in bestehende Anlagentechnik integrieren und kann so an industrielle Anforderungen individuell angepasst werden. Mit per 3D-Druck herstellbaren Ätzzellen lassen sich Metalloberflächen formgenau bearbeiten. Gemeinsam mit ersten Kunden wollen sie das Produkt abgestimmt auf ihre Anforderungen bis zur Marktreife weiterentwickeln. Zwei Patente dazu sind bereits angemeldet. Video des Verbindungsprozesses: https://www.youtube.com/watch?v=B3XO4RGvHqI Weitere Informationen zum Ätzverfahren “Nanoscale Sculpturing”: M. Baytekin-Gerngross, M.D. Gerngross, J. Carstensen and R. Adelung: Making metal surfaces strong, resistant, and multifunctional by nanoscale-sculpturing. Nanoscale Horizons. DOI: 10.1039/C6NH00140H http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/nh/c6nh00140h#!divAbstract Das Wichtigste in Kürze: Noch die ganze Woche wird die mobile Fügestation sowie Metall- und Kunststoffverbindungen als Demonstratoren gezeigt. CAU-Messestand C07 in Halle 2 „Research & Technology“, Messegelände (Eingang Nord 2), 30521 Hannover CAU@Hannover Messe Auch 2019 stellt die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) auf der Hannover Messe ihre exzellente Forschung vor. Unter dem Motto „Ways to Solutions“ zeigt die Landesuniversität: Wissenschaft wirkt auf vielfältige Weise in die Gesellschaft. Sie trägt zum Austausch bei, löst knifflige Probleme und entwirft neue Szenarien. All das erwartet Gäste in der Halle 2 (Research & Technology). Diesmal gemeinsam mit den Partnern: Land Schleswig-Holstein, Landeshauptstadt Kiel und European XFEL. Im Zentrum des Messeauftritts stehen Präsentationen und Exponate rund um die Themen Spitzenforschung, Wissenstransfer, Patente und Gründungsinitiativen. Vorträge und Podiumsdiskussionen runden das abwechslungsreiche Programm während der Messewoche ab. Alle Informationen unter: www.uni-kiel.de/hannovermesse Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind: Damit beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt „Nanowissenschaften und Oberflächenforschung“ (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, nämlich quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr können daraus entstehen. Mehr Informationen auf www.kinsis.uni-kiel.de Video des Verbindungsprozesses: https://www.youtube.com/watch?v=B3XO4RGvHqI Bildmaterial zum Download ist vorhanden: www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/099-fuegetechnik-1.jpg Bildunterschrift: Auf der Hannover Messe präsentiert die Forschungsgruppe der CAU zusammen mit der Kieler Firma Phi-Stone AG ihre mobile Fügestation. Foto: Siekmann, CAU www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/099-fuegetechnik-2.jpg Bildunterschrift: Die Ätzzelle wird mittels eines Vakuum-gestützten Halters auf einer Aluminiumfläche befestigt und dort gezielt elektrochemisch strukturiert. Foto: Siekmann, CAU www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/099-fuegetechnik-3.jpg Bildunterschrift: 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 www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/099-fuegetechnik-4.jpg Bildunterschrift: Der Flansch aus Aluminium hält fest an der Aluminiumwand. Foto: Siekmann, CAU www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2019/099-fuegetechnik-5.jpg Bildunterschrift: Im Vordergrund: Die Behandlung mit dem Ätzverfahren raut die Oberfläche des Aluminiums auf. So lässt sie sich leicht mit anderen Metallen oder Kunststoffen verbinden. Foto: Siekmann, CAU Kontakt: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Professor Rainer Adelung Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien Tel.: +49 (0)431/880 6116 E-Mail: ra@tf.uni-kiel.de Web: www.tf.uni-kiel.de/matwis/fnano Phi-Stone AG Hartmut Schmidt-Niepenberg, Vorstandsvorsitzender Wissenschaftliche Leitung Telefon: +49-431/705-4186 E-Mail: hsn@phi-stone.de www.phi-stone.de Julia Siekmann Wissenschaftskommunikation Forschungsschwerpunkt Kiel Nano, Surface and Interface Science (KiNSIS) Telefon: 0431/880-4855 E-Mail: jsiekmann@uv.uni-kiel.de www.kinsis.uni-kiel.de

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