DVS-Berichte_315

2015
DVS-BERICHTE
DVS Congress
Große Schweißtechnische Tagung
DVS-Studentenkongress
Fügen von faserverstärkten
Kunststoffen
Anwendungsnahe
Schweißsimulation
Schulung und Prüfung im DVS
IBESS – Forschungscluster
„Bruchmechanik“

DVS Congress 2015
Große Schweißtechnische Tagung
DVS-Studentenkongress
Fügen von faserverstärkten
Kunststoffen
Anwendungsnahe Schweißsimulation
Schulung und Prüfung im DVS
IBESS – Forschungscluster
„Bruchmechanik“
Vorträge der Veranstaltungen im Rahmen von
DVS Congress und DVS Expo in Nürnberg
vom 15. bis 17. September 2015
Veranstalter:
DVS – Deutscher Verband für Schweißen und
verwandte Verfahren e. V., Düsseldorf

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.
DVS-Berichte Band 315
ISBN 978-3-945023-46-4
Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.
Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung dieses
Bandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.
DVS Media GmbH, Düsseldorf 2015
Herstellung: Griebsch & Rochol Druck GmbH & Co. KG, Hamm

Vorwort
Mit dem DVS CONGRESS und der DVS EXPO 2015 setzt der DVS in diesem Jahr wieder einen Veranstaltungshöhepunkt.
Der DVS CONGRESS vereint als branchenübergreifende Dachveranstaltung
verschiedene Fachtagungen. Gleichzeitig werden auf der DVS EXPO auch die fügetechnischen Inhalte
der Fachtagungen in Form von Produkten und Dienstleistungen abgebildet. Mit dieser erfolgreichen
Kombination von Wissen und Markt stieß der DVS erstmals im Jahr 2011 in Hamburg bei Ausstellern
und Besuchern auf eine äußerst positive Resonanz. In diesem Jahr setzt der DVS dieses erfolgreiche
Veranstaltungsformat gemeinsam mit der Messe Essen als Durchführungsgesellschaft der DVS EXPO
vom 15. bis zum 17. September 2015 in Nürnberg fort. Das Ziel des DVS ist es, die Fachwelt umfassend
und praxisnah über Neuerungen und Entwicklungen im Bereich des Fügens, Trennens und Beschichtens
zu informieren. Das Handwerk, Experten aus dem Bildungsbereich und Fachleute aus der Industrie,
Wissenschaft und Forschung sind herzlich zur Teilnahme eingeladen.
Die Große Schweißtechnische Tagung und der DVS-Studentenkongress sind die grundlegenden
Bestandteile dieser Veranstaltung. Darüber hinaus wird eine große Bandbreite aktueller Themen im
Rahmen weiterer Fachtagungen wie Fügen von faserverstärkten Kunststoffen, anwendungsnahe
Schweißsimulation, Schulung und Prüfung im DVS sowie IBESS – Forschungscluster „Bruchmechanik“
dargestellt.
Premierencharakter im Rahmen der Großen Schweißtechnischen Tagung besitzen die Vorträge zur
Klebtechnik, zum Hartlöten und zur additiven Fertigung. Ferner werden Präsentationen auch zu den
Themen Energieerzeugung, Fahrzeugbau, Schiffbau und Offshore-Technik, „DIN EN 1090“ und
Stahlbau angeboten. Darüber hinaus wird dem Anwender im Vortragsblock „Lichtbogenschweißen –
Moderne Prozessregelvarianten“ ein umfassender Überblick zur aktuellen Prozessvielfalt auf dem
Gebiet des Lichtbogenschweißens gegeben.
Die Förderung von „Young Professionals“ ist eine herausragende Aufgabe des DVS. Mit der Teilnahme
am DVS-Studentenkongress bietet der Verband Studenten und jungen Absolventen einen hervorragenden
Einstieg in die Branche. Angehende Ingenieure berichten über ihre aktuellen Arbeitsinhalte
und können sich einem Fachpublikum empfehlen.
In der Veranstaltung „Fügen von faserverstärkten Kunststoffen“ wird über aktuelle Entwicklungen in
diesem Bereich referiert. Der bewusstere Umgang mit Ressourcen fördert zugleich den Einsatz neuer
Leichtbauanwendungen und das Entstehen neuer Märkte wie in der Energietechnik, in der Automobilindustrie
und in der Bauindustrie.
Im Workshop „Anwendungsnahe Schweißsimulation“ geht es um die Entwicklung der virtuellen Werkzeuge
und eine Vorhersage der Prozessparameter für einen optimierten Fertigungsprozess. In diesem
Kontext ist die Schweißstruktursimulation seit einigen Jahren zunehmend bedeutsam geworden, denn
damit lassen sich der Schweißverzug und Heißrisstendenzen aufzeigen.
Die Arbeitsgruppe „Schulung und Prüfung“ sorgt für einheitliches Schulungs- und Prüfungsmaterial an
den DVS-Bildungseinrichtungen. Dazu erstellt sie die notwendigen DVS-Richtlinien, Zeugnisse und
Bescheinigungen sowie Lehr- und Lernunterlagen. Ein Auszug aus den vielfältigen Themen sowie einen
aktuellen Überblick über die Personalqualifizierungsangebote des DVS gibt dieser Vortragsbereich
wieder.
Das Clusterprojekt „IBESS“ hat die Entwicklung eines Verfahrens zur bruchmechanischen Ermittlung der
Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen zum Ziel. Das Projekt verfolgt dabei die Entwicklung einer
anwendungs- und erweiterungsfähigen Prozedur („IBESS“-Prozedur), ohne Expertenkenntnissee auf
dem Feld der Bruchmechanik Schweißverbindungen schnell und problemlos zu analysieren.
Allen Teilnehmern und Unternehmen wünschen wir eine spannende und erfolgreiche Veranstaltung in
Nürnberg.
Düsseldorf, im August 2015
DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V.
Hauptgeschäftsführer
Dr.-Ing. Roland Boecking

Neufertigung von Rückzugsbrücken für den Einsatz im Schwermaschinenbau
J. Porbeck, L. Nguyen und J. Kämmerer, Wachtendonk
Die Firma Hans Kämmerer GmbH ist ein inhabergeführtes, mittelständisches Unternehmen des Maschinenbaus,
der Schweißtechnik sowie der Instandhaltung. Seit über 80 Jahren sind wir auf dem Gebiet der Instandhaltung, des
Verbindungs- und Auftragschweißens und der Oberflächenbeschichtung am Markt. Neufertigungen mit Unterstützung
von computerunterstützten Berechnungen sowie die mechanische Bearbeitung und Montage runden das
Programm ab. Bei der formgebenden Herstellung von Halbzeugen im Schwermaschinenbau werden für die Verfahrung
der Hauptpresszylinder sogenannte Rückzugsbrücken eingesetzt Die ursprüngliche Materialauswahl aus
Stahlguss in der Qualität GS-45.3 bei einem Gesamtgewicht von ca. 6 t war den heutigen Anforderungen nicht
mehr gerecht. Die Kundenforderungen nach einer möglichst dauerfesten Auslegung galt es umzusetzen. So wurde
nach aufwendigen konstruktiven Untersuchungen und Finite Elemente Berechnung nun die Werkstoffpaarung
S355J2+N mit dem höher festen Feinkornbaustahl S690+QT eingesetzt. Die schweißtechnische Verarbeitung der
verwendeten Stähle gilt als geläufig, die notwendigen Fertigungsabläufe bei einem Gesamtgewicht von nun mehr
ca. 10 t mussten jedoch durch eine Vielzahl von Hilfskonstruktionen zum Fixieren der Bauteilgruppen beim
Schweißen mittels UP und MAGC angepasst werden. Die Produktion unterlag einer strengen Vorgabe aus der
Überwachung der Temperaturführung und regelmäßiger Überprüfungen der Schweißnähte, Bild 1. Aufgrund der
spezifischen Anforderungen der Grund- und Zusatzwerkstoffe wurden sämtliche Verbindungsarten und Werkstoffkombinationen
zuvor mittels Verfahrensprüfungen abgesichert.
Bild 1 Rückzugbrücke alte Ausführung
neue Ausführung
1. Konstruktion der neuen Rückzugbrücke
Durch die Forderung nach einer möglichst dauerfesten
Auslegung der Konstruktion zeigten sich in der
Materialauswahl bereits die ersten Hürden. Kerbfreie
Übergänge in den dynamisch hoch belasteten Bereichen
ohne große Steifigkeitssprünge können nur
durch eine aufwändige mechanische Bearbeitung
nach dem Schweißen erreicht werden. Aussagekräftige
Angaben zu Vergleichsspannungen waren in der
Literatur schwer zu finden. Die FEM Berechnungen
zeigten deutlich die hoch beanspruchten Bereiche auf,
Bild 2. Alle folgenden Fertigungsschritte (von der
Schweißnahtvorbereitung bis zur Endbearbeitung)
wurden daraufhin untersucht und gesondert festgelegt.
2. Verwendete Werkstoffe und
Anforderungen
Bei der Bestellung der Grundmaterialien S 355 J2 + N
sowie des S 690 Ql wurde bereits die Qualitätsanforderungen
entsprechend APZ 3.1 EN 10204, die Analysenbescheinigungen
WZ 2.2 sowie die Ultraschallprüfung
EN 10160 gefordert. Alle Materialien wurden
bei Wareneingang im Hause gegengeprüft.
Bild 2 FEM-Untersuchung
Als Schweißzusatzwerkstoff wurde aufgrund vorheriger
Verfahrensprüfungen für die UP Naht die Drahtelektrode
Union S2 Ni 2,5 Ø4 mm in Kombination mit
dem fluoridbasischen Pulver Union 420 TT SA FB1 55
AC H5 verwendet, für die Wurzel Naht die Drahtelektrode
Union K5 Ni Ø 1,2 mm eingesetzt.
Die Wärmeführung erfolgte entsprechend SEW 088,
die Mindestvorwärmung, die Zwischenlagentemperatur
sowie die Abkühlung vorgeschrieben. Die
Wärmeführung beim UP Schweißen wurde mittels
DVS 315 1

Widerstandsmatten durchgeführt, die Prozessdaten
permanent erfasst und anschließend dokumentarisch
ausgewertet.
Die UP-Schweißung wurde im drei Schichtbetrieb
durchgeführt, sodass auf ein Zwischen Soaken verzichtet
werden konnte. Die MSG Nähte wurden aufgrund
einer kontinuierlichen Schweißfolge Induktiv
erwärmt.
Die Schweißer erhielten auch einen Rücktrocknungsplan,
auf dem zu vermerken war, wie oft das verwendete
Pulver bereits Rückgetrocknet wurde. Die maximale
Trocknungszeit bei diesem Pulver wurde auf
10 h festgelegt. An zwei gleichgroßen Blechen
1000x1000 mm mit je 200 mm Werkstückdicke wurde
die U Naht angefräst, nach entsprechender Vorwärmung
die Wurzellage mit dem MSG Verfahren von
Hand eingebracht. Hierbei wurde schon darauf geachtet,
dass der mögliche Verzug dadurch minimiert wurde,
dass die Schweißung am Drehtisch erfolgte. Die
nachfolgende UP Naht wurde durch die Widerstandsmatten
erwärmt und nach je 8 eingebrachten
Schweißgutlagen zur Vermeidung von Verzug gedreht.
Anschließend erfolgte eine Spannungsarmlühung
im Ofen.
Während der schweißtechnischen Fertigung sind
nach festgelegtem Prüfplan in regelmäßigen Abständen
Heiß-MT Prüfungen erfolgt. Sobald eine vorgegebene
Nahtdicke erreicht wurde sind nach einer Abkühlzeit
von 48 h auch US Prüfungen durchgeführt
worden.
Aufgrund der geforderten hohen Biegesteifheit des
Bauteiles wurden entsprechend einem besonderen
Prüfplan alle relevanten Flächen und Nähte regelmäßig
zu 100% geprüft. (Vor der ersten mechanischen
Bearbeitung, während und nach den Schweißarbeiten
sowie nach jeder Ofenglühung).
Auf eine genaue Einhaltung der Bewertungsgruppe B
nach DIN EN ISO 5817 wurde besonderer Wert gelegt.
Die Normen DIN EN ISO 17638/23278 in der
Zulässigkeitsgrenze 2 wurden bei der MT-Prüfung
angewendet. Bei der US Prüfung wurden die Normen
DIN EN ISO 17640/11666 in der Prüfklasse A und
einer Zulässigkeitsgrenze 2 angewendet.
Bild 3 Taktiler Fühler auf Führungsschiene
Die abschließende zerstörende Prüfung zeigte in allen
Belangen ein einwandfreies Bauteil, Bild 4. Die bei
der Verfahrensprüfung gewonnenen Parameter wurden
in der Schweißanweisung festgeschrieben.
3. Verfahrensprüfung
Die Umsetzung der konstruktiven Vorgaben aus der
Planung sowie die Erhebung aller notwendigen
Schweiß-Parameter sollte mittels einer Verfahrensprüfung
besichert werden. Der Maschinenpark wurde
vorab mittels Laserausrichtung überprüft. Der Ausleger
der UP – Maschine muss dem Bauteil ca. 3000
mm folgen. Bei der zum Einsatz kommenden UP Maschine
konnte eine messbare Abweichung in der
Nahtfuge (2,5 mm) in Höhe und Seite beim Ausfahren
des Auslegers festgestellt. Durch den Einbau eines
taktilen Fühlers, der den Brennerkopf motorisch permanent
nachgeführt, wurde die Abweichung in Höhe
und Seite auf max. 0,3 mm begrenzt, (Bild 3).
Damit bei Schichtbeginn ein vorgetrocknetes fluoridbasischen
Pulver in ausreichender Menge vorhanden
war, erhielten die Pulvertrockner eine automatische
Zeituhr, so dass sichergestellt werden konnte, dass
die Rücktrocknungszeiten eingehalten waren.
Bild 4 Biegeprobe Verfahrensprüfung
4. Fertigung der neuen Rückzugbrücken
4.1 UP-Schweißen
Die Fertigung von 12 Rückzugbrücken wurde in zwei
Losgrößen eingeteilt und stellte unseren mittelständischen
Betrieb vor eine große Herausforderung.
Insgesamt bestand eine Rückzugbrücke aus 6 Einzelbauteilen,
das geschmiedete Unterteil aus S 690 +QT,
dem Querblech, den geschmiedeten Seitenwangen
rechts und links sowie den Verstärkungslaschen
rechts und links aus S355J2+N.Alle Bauteile wurden
mit definiertem Aufmaß mechanisch vorgearbeitet.
Hierbei wurden die Daten aus dem CAD System direkt
an das CAM System für die Bearbeitungszentren
geleitet. Die Nahtvorbereitung für die UP – Naht wur-
2 DVS 315

de als U – Naht ausgeführt und mittels Engspaltschweiß-verfahren
ausgeführt. Eine Zwischen-US -
Überprüfung aller Bauteile stellte sicher, dass nach
den umfangreichen Fräsarbeiten keine Ungänzen
erkennbar waren.
Die Vormontage zum Abheften der Bauteile erforderte
eine gesonderte Vorrichtung. Hierbei musste besonderer
Wert auf die Möglichkeit der Feinjustage gelegt
werden, um die präzise Ausrichtung des Steges der
U-Naht von Querblech und Unterteil zu gewährleisten.
Der Nahtabstand wurde so eingestellt, dass zu Beginn
3 mm und am Ende 4 mm vorhanden waren. Dadurch
konnte die Nahtschrumpfung über die Strecke von
2600 mm kontrolliert werden.
Bohrung für die formschlüssige Aufnahme des Zapfens
erhielt die Aufnahme für die Presspassung.
4.2 MSG-Schweißen
Die Seitenwangen wurden zur weiteren schweißtechnischen
Bearbeitung eingeschrumpft und fixiert. Die
schweißtechnische Bearbeitung aller nun folgenden
MSG Nähte wurde auch hier wieder durch eine kontinuierliche
Überprüfung begleitet. Einige Nahtzugänge
zeigten hierbei, dass es aufgrund einer möglichen
Sichtbehinderung des Schweißers, beim abschweißen
mit der rechten Hand, erforderlich war die Schweißer
zu trainieren um mit der linken Hand diese Naht auszuführen.
(Bild5).
Die Fixierung der beiden Bauteile zueinander im 90°
Winkel, und die Vorrichtung zum Einspannen Bauteiles
erfolgte durch trapezförmige Seitenwangen, an
denen auch die Ronden für den Drehtisch verschweiß
waren. Die Drehbewegung des Bauteiles im Drehtisch
musste durch eine Ausgleichsmasse ergänzt werden,
die Stückgewichte von Unterteil und Querblech waren
nicht gleich. Hierdurch musste eine Masse von ca. 12
t auf dem Drehtisch bewegt werden.
Zur Überprüfung von Verzug während der Schweißung
erhielten Querblech und Unterteil jeweils kleine
Messpunkte, die mittels Lehre regelmäßig kontrolliert
wurde. Der taktile Fühler erhielt eine eigene Führungsschiene,
parallel zur Schweißfuge, aber mit
deutlichem Abstand zu den Widerstandsmatten, damit
durch die Erwärmung kein Verzug in der Führungsbahn
entstehen konnte. Die Widerstandmatten mussten
nach einem vorgegeben Muster verlegt werden.
Je drei Matten wurden an einen Heizkreis angeschlossen.
Insgesamt wurden durch die Widerstandsanlage
45 kW an Heizleistung eingebracht.
Die Isolierung zur Vermeidung von Abstrahlungs- und
Wärmeverlusten, wurde durch keramische Matten und
Isolierplatten gewährleistet. Die Temperaturfühler
mussten in ca. 30 bis 50 mm Abstand zur Schweißfuge
mit einem Feinpunktheftgerät aufgebracht werden.
Durch die feste Verbindung zwischen Werkstückoberfläche
und Thermoelement konnten präzise Messergebnisse
erzielt werden.
Die digitalen Messwerte wurden kontinuierlich während
des gesamten Schweißprozesses gespeichert.
Aus der Schweißwärme heraus wurden die besonders
hoch beanspruchten Endbereiche vor Ort für zwei
Stunden bei ca. 550°C spannungsarmgeglüht. Anschließend
wurde das Bauteil nun komplett noch einmal
im Ofen spannungsarmgeglüht. Eine abschließende
ZfP-Untersuchung musste bestätigen, dass
keine inneren sowie Oberflächenfehler erkennbar
waren.
Bild 5
MSG-Schweißen Seitenwangen
Nach kurzer Eingewöhnungszeit konnten hier deutliche
Verbesserungen in der Qualität festgestellt werden.
Nach umfangreicher mechanischer Endbearbeitung
mit abschließender Maßprüfung und Korrosionsschutz
konnte somit die reine Fertigungszeit einer
Rückzugsbrücke pro Stück auf ca. 12 Wochen begrenzt
werden.
Nach der Demontage aller Hilfskonstruktionen konnte
die Baugruppe einer weiteren mechanischen Bearbeitung
unterzogen werden. Die Anlageflächen für die
Aufnahme der Seitenwangen wurden angefräst, die
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Schnellkleben im Fertighausbau durch neuartige konduktiv beheizte Klebebänder
G. Wisner, A. Zillessen, M. Brodel, E. Stammen und K. Dilger, Braunschweig
In einem in 2014 abgeschlossenen Anwendungs-Forschungsprojekt (IVTH – IGF 17.311N) wurde die Möglichkeit
untersucht, eine neuartige Klebtechnik für das möglichst schnelle Kleben von groß dimensionierten Paneelen aus
Holz und Holzwerkstoffen (Spanplatten) für Fertighäuser als strukturelle und beständige Verbindung einzusetzen.
Bislang wird in diesem Bereich fast ausschließlich genagelt oder geklammert. Das Kleben mit im konstruktiven
Holzbau zugelassenen Klebstoffen gilt in der Branche als aufwendig und nicht produktiv im Vergleich zu Druckluft-
Nagelmaschinen. Die ausschließlich genagelten Konstruktionen weisen jedoch eine eingeschränkte Festigkeit (im
Vergleich zu strukturell geklebten Stößen) auf und schränken die Konstrukteure in Bezug auf die freie Anordnung
der Paneel-Bestandteile (Rahmenkanthölzer und Spanplatten) relativ stark ein. Dies widerspricht dem Markttrend
zu zunehmend individuelleren Fertighäusern.
Es wurde ein neuartiges Klebeband aus einem metallischen Träger (als dünne Folie oder Streckmetall) konzipiert
und eingesetzt, der mit einem reaktiven Schmelzklebstoff vorbeschichtet wurde. Diese Klebebänder werden zum
Kleben der Holztafeln zwischen die zu fügenden Holzteile (Kanthölzer und Holzwerkstoffplatten) verlegt und mit
geeigneten Spannmitteln geklemmt. An den eigens dafür vorgesehenen herausstehenden Enden der Metallbänder
werden diese elektrisch kontaktiert und mit hohen elektrischen Strömen durch Widerstandserwärmung sehr schnell
auf bis zu ca. 180 °C in der Fuge erwärmt. Dabei kommen Stromquellen in der Größenordnung von mobilen Lichtbogenschweißanlagen
in Frage, wie sie vielfach in Werkstätten des Metallbaus im Einsatz sind.
Als Träger für die neuartigen Klebebänder wurden neben Stahl- und Aluminiumfolien auch Messingbänder in
Bandstärken von etwa 0,1 mm untersucht. In bestimmten Kombinationen aus metallischen Trägern und Co-
Polyamid-Klebstoffen wurden erfolgreiche Klebungen auf den typischen Holzwerkstoffen erzielt und die normativen
Anforderungen erfüllt. Zwei Institute in Braunschweig arbeiteten in diesem Vorhaben eng zusammen: die füge- und
prozesstechnischen Aspekte wurden am Institut für Füge- und Schweißtechnik (IFS) der TU Braunschweig untersucht,
alle Fragen zur Holztechnik und zu Holz bzw. Holzwerkstoffen am Fraunhofer-Institut für Holzforschung
Wilhelm-Klauditz-Institut (WKI) bearbeitet.
1 Einführung
Der Fertighausbau erlebt in den letzten Jahren ein
überdurchschnittliches Wachstum. Im Jahre 2013
wurden in Deutschland 15 % der Neubauten im Einfamilienhaus-Bereich
in einem Fertighauswerk als
komplett vormontierte Module vorgefertigt und auf der
Baustelle in kürzester Zeit errichtet [1]. Der Fertighausbau
ist praktisch eine reine Holzhaus-Bauweise,
die sogenannte Holztafelbauweise fertigt Module aus
Kantholzrahmen und Beplankungen aus Spanplatten,
OSB oder zementgebundenen Spanplatten. Als Fügetechnik
kommt fast ausschließlich Nageln oder Klammern
zum Einsatz, Klebtechnik ist in diesem Bereich
kaum verbreitet. In der Holztafel dominieren zwei
Stoßarten, zum einen die Verbindung zwischen Kantholzrahmen
zur Beplankung aus Holzwerkstoffplatten,
zum anderen die Klebung der schmalen Kanten zwischen
den Holzplatten untereinander im Stumpfstoß
[2, 3]. Hier kommen je nach Anforderungen Spanplatten
oder OSB in den Stärken von 15 bis 22 mm zum
Einsatz.
In einem abgeschlossenen anwendungsorientierten
Forschungsprojekt [4] der industriellen Gemeinschaftsforschung
(IGF) wurde eine völlig neuartige
Klebtechnik für die schon hochgradig industriell organisierte
Fertigungsweise erdacht und grundlegend
untersucht. Metallische Folien und Streckmetalle sollten
als Klebebandträger mit reaktiven Schmelzklebstoffen
beschichtet werden, um ein elektrisch zu beheizendes
Schnellklebesystem für die langen und
schmalen Fugen der Holztafel nutzen zu können. Die
strukturelle Klebung von Holztafeln eröffnet grundsätzlich
steiferen Tafeln als die heute üblichen Tafeln
mit Nägeln oder Klammern und auch neue Möglichkeiten
hinsichtlich Flexibilisierung in der Produktion
sowie der Vermeidung von tendenziell problematischen
Abfällen (nicht verwertbarer Abschnitt von zementgebundenen
Spanplatten, die nicht verbrannt
werden dürfen).
Eine alternative Klebtechnik muss auch zu den bestehenden
Fügetechniken konkurrenzfähig sein, insbesondere
bei den Belegungszeiten der Fügetische
sollen keine unnötig langen Prozess- und Aushärtezeiten
der Klebstoffe anfallen, in denen nicht an den
Tafeln weiter gearbeitet werden darf. Die hier vorgestellte
Technik ist in der Lage, die aktiv geheizte Klebung
innerhalb von nur einer bis zwei Minuten darzustellen
und eine relativ kurze anschließende Abkühlzeit
der bis zu 180 °C heißen Klebfuge bis zu einer
Handhabungstemperatur von weniger als 80 °C ermöglicht
eine ausreichende Handhabungsfestigkeit,
um einen Weitertransport innerhalb der Produktion zu
ermöglichen. Dies stellt eine vergleichbare Größenordnung
an Produktionszeit dar, die aktuelle Holztafelfertigung
mit druckluftbetriebenen Nägeln oder
Klammern vorgeben.
2 Konduktive Klebebanderwärmung direkt in
der Klebfuge
Die konduktive Widerstandserwärmung mit direktem
Stromfluss durch einen metallischen Leiterwerkstoff
wird hauptsächlich in der Metall verarbeitenden Industrie
zur Erwärmung von Halbzeugen für die Weiterverarbeitung
bei Warmumformen aller Metalle und
4 DVS 315

insbesondere beim Härten von Stahl eingesetzt. Dabei
wird das zu erwärmende Gut in den elektrischen
Stromkreis als elektrischer Widerstand geschaltet [5].
Diese unmittelbare Widerstandserwärmung bietet
viele Vorteile wie eine sehr gute Regelbarkeit der
Erwärmung, einen sehr schnellen Prozess und einen
praktisch emissionsfreien Betrieb in der Fertigung. Die
wichtigsten Erwärmungsparameter sind der spezifische
Widerstand des Metalls oder der Legierung
(temperaturabhängig) sowie die Geometrie des Halbzeugs,
weil letztere neben der wichtigen Randbedingung
des Kleinspannungsbetriebes aus Sicherheitsgründen
auch das Verhältnis von Spannung zu Strom
definiert.
Auf diesem Prinzip sollte auch ein Klebeband beruhen,
dass mit elektrischem Strom definiert beheizt
werden kann. Die beidseitige Klebstoffbeschichtung
(siehe Bild 1) schmilzt bei hohen Temperaturen bis
zu 200 °C auf, kann die Holzwerkstoffe gut benetzen
und nach dem Abschalten des Stromes kühlt die Fuge
ab und der Klebstoff erstarrt und vernetzt durch chemische
Reaktion.
Bild 1. Prinzipieller Aufbau eines mit Klebstoff beidseitig
beschichteten Metallbandes für die konduktive
Klebebandtechnik
Auch in einem Holztafelwerk können variable Spaltmaße
zwischen 0,1 mm und bis über 1,0 mm auftreten,
die ein solches Klebeband auch füllen und überbrücken
soll. Hier sollte der Klebebandaufbau sich
durch einen möglichst dünnen metallischen Träger
und eine möglichst große Klebstoffauflage auszeichnen,
um sich variabel an die geometrischen Spaltmaße
anpassen zu können. In Applikationsversuchen
wurden zuerst metallische Folien mit verschiedenen
Klebstoffen aus dem Holzklebbereich beschichtet und
geklebt. Dabei eigenen sich die im tragenden Holzbau
etablierten Klebstoffe nur bedingt für die Randbedingungen,
welche durch die Notwendigkeit einer Vorbeschichtbarkeit
für ein Klebeband benötigt werden.
3 Klebstoffe für Vorbeschichtung auf
metallischen Trägern
Das Kleben im tragenden Holzbau ist in einschlägigen
Normen geregelt und Klebstoffhersteller benötigen
eine bauaufsichtliche Zulassung für entsprechende
Produkte. Auch ausführende Betriebe und Personen
benötigen einen fachlichen Nachweis, wenn sie die
zugelassenen Klebstoffe im tragenden Holzbau verarbeiten
wollen.
Die Klebstoffauswahl für die Vorbeschichtung der
metallischen Klebebandträger orientierte sich daher
zunächst an Klebstoffen aus dem nicht tragenden
Holzbereich und weiteren, bisher nicht im Holzbereich
eingesetzten Klebstoffen, um die grundlegende Aspekte
zunächst erarbeiten zu können. Dort aussichtsreiche
Klebstoffe bieten dann die Basis, durch gezielte
Weiterentwicklungen aus anderen Harzbereichen
die ausreichende Beständigkeit für die hohen Anforderungen
aus dem tragenden Holzbau zu erfüllen. Im
Projekt konnte eine Zulassung von einzelnen Klebstoffen
aus Zeitgründen ohnehin nicht erarbeitet werden.
Die Grundlagen der neuen Klebtechnik standen
im Vordergrund. Nach Absprache im Projekt begleitenden
Ausschuß wurden die Anforderung im tragenden
Holzbau nach DIN EN 15425 (für 1K-PUR) [6]
zugrunde gelegt und es sollten die Behandlungen
nach DIN EN 301 - A1 (Lagerung der geklebten Proben
für fünf Tage bei 20 °C / 65 % rel. F., als Prüfung
„trocken“) und DIN EN 301 - A4 (Lagerung für 6 h in
kochendem Wasser, dann 2 h im kalten Wasser und
anschließender Prüfung „feucht“) [7] durchgeführt
werden. Als Probenformen wurden hauptsächlich
dicke Zugscherproben nach DIN EN 302-1 [8] geprüft.
Bei der Klebstoffauswahl für die neuartigen Klebebänder
lag der Schwerpunkt prinzipiell auf geeigneten
Materialien im Bereich Schmelzklebstoffe, die zusätzlich
mit Reaktivstoffen versehen sind. Es kamen verschiedene
Polyurethane (PUR) als PUR-Hotmelts,
PUR-Klebdispersionen und auch Co-Polyamide (Co-
PA) in die engere Wahl. In einem Screening wurden
verschiedene Klebstoffe in zwei verschiedenen Fugendicken
(0,1 mm und 1,0 mm) auf Buchenholz als
Prüfholz geklebt, in den Behandlungen nach A1 (trocken)
und A4 (Kochwasserlagerung) gelagert und
geprüft. Die meisten Klebstoffe auf PUR-Basis konnten
nur in der trockenen Behandlung überzeugen, bei
den hohen Anforderung nach EN 301, Behandlung
nach A4 (Kochwasser) entsprach die Klebfestigkeit
nicht den Anforderungen. Ein Co-Polyamid Schmelzklebstoff
aus dem Bereich des Textilklebens entsprach
jedoch den Anforderungen der Normen und
konnte sowohl im trockenen Bereich als auch bei
Kochwasserlagerung bei praktisch allen geprüften
Klebschichtdicken (0,1 mm, 1,0 mm und auch bei 1,4
mm) die Anforderungen erreichen, siehe Bild 2.
Zugscherfestigkeit [N/mm²]
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0 0,5 1 1,5
Klebfugendicke [mm]
Co-Polyamid Hotmelt A1
EN 15425 bzw. EN 301 A1
Co-Polyamid Hotmelt A4
EN 15425 bzw. EN 301 A1
Linear (EN 15425 bzw. EN 301 A1)
Linear (EN 15425 bzw. EN 301 A1)
Bild 2. Ergebnisse der Festigkeit von Schmelzklebungen
an Buchenholzproben mit einem Co-Polyamid
Dünnere Klebfugen zwischen etwa 0,1 mm und 0,3
mm erzielen üblicherweise höhere Festigkeiten als
DVS 315 5

dicke Klebfugen von 1,0 mm und mehr. Im Diagramm
werden zwei Normen zu unterschiedlichen Klebstoff-
Harzsysteme im tragenden Holzbau korrespondierend
genutzt. Die Linien stellen linearisierte Zwischenwerte
der eigentlich punktförmigen Anforderungen dar.
Der Co-Polyamid Hotmelt liegt in der Lieferform als
feines Kunststoffpulver vor, das auf verschiedenen
Wegen verarbeitet werden kann. Die universellste
Form ist die Applikation in einer Pulverlack-Kammer,
siehe Bild 3.
kohlenstoffarmen unlegierten Stählen (DC01), Rein-
Aluminium (99,5 %) und Kupferlegierungen, speziell
Messing in den Güten CuZn15 und CuZn37 wurden
eingesetzt und deren Erwärmungsverhalten mit verschiedenen
Stromquellen und Spannungen und Frequenzen
untersucht. Typische Heizleiterwerkstoffe
wie Konstantan (CuNi44) etc. wurden nicht betrachtet,
da die geometrischen Verhältnisse eher einen geringen
spezifischen Widerstand erfordern, der hohe
Ströme bei niedrigen Spannungen ermöglicht (Anforderung
aus dem Arbeitsschutz). Der sehr geringe
Querschnitt bei zum Teil großer Lauflänge bestimmt
zusammen mit der Stromtragfähigkeit typischer
Stromquellen das sinnvolle schnelle Aufheizverhalten
der neuartigen Klebebänder. Bild 4 zeigt die Klebebandvarianten
Folie (Messingfolie in 0,1 mm Stärke)
und Streckmetall aus Stahl DC01 mit entsprechender
Co-Polyamid Hotmeltbeschichtung.
Bild 3 Konventionelle Applikationskammer für die
Verarbeitung von pulverförmigen Lacken, auf dem
Kammerboden sind sechs kurze Blechstreifen mit
weißer Pulverbeschichtung positioniert
Das elektrostatisch unterstützte Pulversprühen [9]
erzeugt eine sehr gleichmäßige Schichtdicke aus
Pulverteilchen, die vorübergehend gut an den Substraten
anhaftet, sich jedoch bei schlagartiger Belastung
einfach vom Substrat löst. Die aufgetragen Pulverschicht
muss daher aufgeheizt werden und zur
Kunststoffschicht verschmelzen. Dies geschieht in
Öfen oder unter Infrarotstrahlern in unmittelbarer Nähe
zum Applikationsort. Mit dem Verfahren können
die metallischen Bänder mit einer beliebigen Klebstoffauflage
versehen werden, sehr dicke Schichten
sollten jedoch wirtschaftlich besser mit anderen Verfahren
aufgetragen werden, die Domaine des Pulverlackverfahrens
sind die hochwertigen und gleichmäßigen
eher dünne Lackschichten (ca. 20 – 50 g/m²),
Klebschichten für die Klebebandanwendung sollten
jedoch Klebstoffauflagen in der Größenordnung von
deutlich mehr als 250 g/m² pro Seite oder ab 400 g/m²
bei gelochten metallischen Trägern erhalten.
Die Beschichtung der Halbzeuge (Folien oder gelochte
Streckmetalle) erfolgt in einer Schmelzapplikation
bei reduzierten Temperaturen ohne Aktivierung möglicher
reaktiver Komponenten, da diese erst beim
Klebvorgang auf Holz, nicht aber beim Beschichtungsvorgang
aktiviert werden dürfen. Das fertig beschichtete
Klebeband kann unter Standardbedingungen
ausreichend lange lagerstabil sein.
Die Klebstoffe wurden auf Metallbänder oder gelochte
Strukturen wie Streckmetalle als Trägermaterial appliziert.
Dünn ausgewalzte Bleche oder Streckmetalle
(Blechdicke als Band ca. 0,1 mm, Streckmetall-
Ausgangsblech ca. 0,3 mm dann geschlitzt und ausgestreckt)
aus austenitischem Edelstahl X5CrNi18-10,
Bild 4. Experimentelle Klebebänder aus Messingfolie
in 0,1 mm Stärke und Streckmetalträger (unten) für
die typischen Bandbreiten in der Holztafel (15 u. ca.
50 mm), Beschichtungen jeweils Co-Ployamid Hotmelt
4 Schnellheizprozess und Erwärmung
In Erwärmungsversuchen wurden hauptsächlich
Gleichstrom und mittelfrequenter Wechselstrom in der
Größenordnung von 10 kHz für die konduktive Erwärmung
genutzt. Der Strombedarf für unterschiedliche
Metalle in den beiden Betriebsphasen „Aufheizen“
und „Temperatur halten“ ist einmal beispielhaft in
Tabelle 1 dargestellt. Hier wurden vergleichende Versuche
zum möglichst frühen Erreichend er Zieltemperatur
von 180 °C (in Umgebungsluft) gefahren und
dann der Strom stark reduziert, um das Temperaturniveau
zu halten. Experimente zwischen Holzsubstraten
oder mit Klebstoffbeschichtung ergeben ab-
6 DVS 315

weichend Randbedingungen mit entsprechend höherem
oder reduziertem Strombedarf. Die Experimente
unterstützen bei der Entscheidung, welche metallischen
Träger für die Versuche zur Optimierung des
Verfahrens ausgewählt werden sollten. Besonders gut
leitfähige Metalle wie Kupfer und Rein-Aluminium
wurden daher ausgeschlossen und es wurde sich auf
die Stahl- und Messingwerkstoffe konzentriert.
Tabelle 1. Elektrische Stromstärken der zwei
Heizphasen an Metallfolien und Streckmetallen (25
mm Breite, 1 m Länge, Dicke wie angegeben) bis 180
°C und Halten dieser Temperatur, Gleichstrom, unbeschichtete
metallische Träger in Umgebungsluft
Aufheizstrom
Haltestrom
bei 180 °C
Metallfolie o. Streckmetall
SE-Kupfer 0.1 mm 150 A 105 A
Rein-Aluminium 0.1 mm 130 A 80 A
CuZn15 0.1 mm 150 A 100 A
CuZn37 0.1 mm 100 A 66 A
Leg. Stahlfolie 18Cr9Ni 50 A 22-26 A
0.1 mm
Streckmetall Aluminium 150 A 130 A
Streckmetall Tiefzieh- 50 A 42 A
Stahl DC01
Die Erwärmungsversuche zur konduktiven Klebebandbeheizung
verlaufen stets typisch nach der Darstellung
in Bild 5. Dort ist qualitativ der Strom- und
resultierende Temperaturverlauf in einer beheizten
Klebfuge dargestellt. Als Temperatursensor fungierten
in fast allen Fällen einfache Thermoelemente in der
Fuge, die bei relativ homogenem Anpressdruck recht
gleichmäßige Temperaturverteilungen nachweisen
konnten.
In der Schnellheiz-Phase wird mit maximal verfügbarem
Strom aus der Spannungsquelle gearbeitet, um
den Zieltemperaturbereich möglichst schnell zu erreichen.
Dann muß der Strom stark begrenzt werden,
weil sonst die Temperatur in der Fuge schnell zu heiß
wird und Brandgefahr droht. Holz, das über 200 °C
erwärmt wird, beginnt Verkohlungserscheinungen
auszubilden, was den Werkstoff degradiert.
metallische Folien heizen schneller auf als dickere
Folien, gelochte Streckmetalle haben eine gegenüber
Folien gleicher Blechdicke geringeren effektiven
Querschnitt und damit einen höheren Widerstand, der
Skineffekt bei hohen Frequenzen [5] reduziert den
genutzten Querschnitt der metallischen Träger und
erzielt daher an den Oberflächen ggf. eine etwas
schneller wirkenden Heizeffekt, Schmelzklebstoffe
benötigen die latente Wärme zum Schmelzen u. v. m.
Die erforderlichen Heiz- und Haltezeiten müssen an
Probeklebungen bauteilabhängig individuell ermittelt
werden. Generell wird die Zuverlässigkeit der Klebungen
durch eine verlängerte Haltezeit erhöht, dies unterstützt
das Eindringen des niedrigviskosen verflüssigten
Klebstoffs in die Poren des Holzes oder andere
Kavitäten in Holzwerkstoffen wie Spanplatten oder
OSB.
5 Herausforderung Schmalkantenklebungen
an Plattenkanten
Mit der Wahl eines Trägerhalbzeugs als Folie oder
Streckmetall wird der grundlegende Strombedarf für
die Heizmethode festgelegt und die restlichen Parameter
durch Optimierungsversuche gefunden. In der
Holztafel dominieren nur zwei Bandbreiten, die breite
Verbindung zwischen Kanthölzern und Platten und die
schmalen Plattenkanten im Stumpfstoß aufeinander.
Letztere Verbindung stellt jedoch neben einer besonderen
Herausforderung auch eine besondere Chance
für die neue Klebetechnik dar.
Die Herausforderungen liegen zunächst in der geringen
Klebfläche und dem notwendigen präzisen Andruck
während des Schnellklebens. Zu geringer Andruck
unterhalb von 0,25 N/mm² führte häufig zu sehr
schlechten Klebungen. Geometrische Ungenauigkeiten
können weitgehend ausgeschlossen werden, da
der Sägenschnitt ausreichend präzise mit industriell
verfügbaren Werkzeugen ausgeführt werden kann.
Die besonderen Chancen der Schmalkantenklebetechnik
liegen in der guten Dosierbarkeit und der
leichten präzisen Ausrichtung in der Tafel und dem
optimalen prozessbedingten Eindringen des heißen
Klebstoffs in die rauen Schnittkanten. Hierdurch verankert
sich die Klebschicht optimal im Plattenwerkstoff
und ermöglicht Verbindungsfestigkeiten in der
Größenordnung des ungeschnittenen Plattenwerkstoffs
[10]. Dies konnte in [4] an Spanplatten P5 und
OSB-Platten (siehe Bild 6) nachgewiesen werden.
Bild 5. Quantitative Darstellung von Strom- und Temperaturverlauf
in den Klebebandfugen mit drei Verarbeitungsphasen,
zwei davon mit aktiver Heizung
Dieses Heizprinzip kann grundsätzlich mit zahllosen
Parametern variiert werden, leistungsfähige Stromquellen
heizen mit höheren Strömen auf, dünnere
Bild 6. Schmalkantenklebungen mit neuartigem konduktiv
beheizbaren Klebeband auf Messingfolienbasis,
Kontaktierlasche (links), 50 mm breite Zugproben
aus OSB-Platten mit mittiger Schmalflächenklebung
DVS 315 7

6 Praxisversuche an Kleintafeln
Die wichtigsten Prozess-Randbedingungen für die
Praxis des konduktiven Schnellklebens sind das Einhalten
der zulässigen Fugentemperatur und ein ausreichender
Anpressdruck von außen auf die Fügeteile.
Mindestens ein Thermoelement muß zwischen
Klebeband und Holz positioniert sein, um eine Temperaturanzeige
oder besser eine Temperaturregelung
daran anzuschließen. Generell sollen Bandtemperaturen
von mehr als 200 °C vermieden wird, da eine
Werkstoffdegradation oder sogar Brandgefahr besteht.
Die im Projekt gefundenen Erfahrungen und optimierten
Halbzeuge sollten zum Ende des Projektes in
einer vergleichenden Kleintafelproduktion mit unterschiedlichen
Bauteil-Fugenvarianten und zwei verschiedenen
Fügetechniken verglichen werden. Neben
der neuen konduktiven Klebebandtechnik sollte das
Nageln mit geharzten Klammern als etablierte Fügetechnik
eingesetzt werden. Die in Harz getränkten
Klammern weisen einen erhöhten Widerstand gegen
das Herausziehen aus dem Holz auf. Als Kleintafeln
wurden ein etwa 1,7 m langer Doppel-T Träger hergestellt,
der einen Ausschnitt aus einem Deckenelement
in der Holztafelbauweise repräsentieren könnte
sowie ein quadratischer Schubkasten mit der Kantenlänge
800 mm, der in den Ecken keine Verbindung
zwischen den Kanthölzern aufweist. Dieser Träger
kann sehr gut die Schubbelasteten Wände in Fertighäusern
repräsentieren.
Bild 7. Prüfungen an geklebten Modelltafeln: zweiseitig
eingeleitete Belastung an quadratischen Schubkästen
vor der Prüfung (links) und optimales Versagen
im Holz bzw. im Plattenwerkstoff (rechts)
Die Ergenisse der vergleichenden Prüfungen an Doppel-T-Trägern
vielen nicht sehr stark unterschiedlich
aus (hier nicht dargestellt), wohingegen der direkte
Vergleich zwischen geklammerten und geklebten
Schubkästen ein eindeutiges Ergebnis zugunsten der
geklebten Variante erbrachte, mehr als doppelt so
große Tragfähigkeit (etwa durchschnittlich 81 kN gegenüber
32 kN) bei etwa halb so großer Gesamtdeformation
(6 statt 14 mm Traversenweg) wurden festgestellt.
In Bild 7 links ist auch das Bruchverhalten
des Schubkastens dargestellt, die Klebfugen haben
gut gehalten, Risse stellten sich in den Holzsubstraten
ein, die damit sehr gut aktiviert werden konnten. Dies
ist ein sehr gut vorhersagbares Werkstoffversagen,
weil hier vielfältige Erfahrungen zu den bauaufsichtlich
zugelassenen Hölzern und Holzwerkstoffen vorliegen.
Damit stellt die neue Klebtechnik keine
Schwachstelle in einem neuen Holzbaukonzept dar.
7 Zusammenfassung und Ausblick
Die hier vorgestellten Untersuchungen zeigen die
Eignung einer neuen Methode für das Schnellkleben
im Fertighausbau, welche die einfachen Geometrien
der Holztafel optimal mit einer konduktiv beheizbaren
Klebebandtechnik nutzen kann und typische Nachteile
von konventioneller Klebtechnik (Dosierung, zu kurze
oder zu lange Verarbeitungszeiten) vermeidet. Die
Schnellklebetechnik kann sogar in der zeitlichen Produktivität
mit den bestehenden Techniken des Nagelns
oder Klammerns mithalten. Geklebte Tafeln
sind generell steifer und fester, als nur genagelte oder
geklammerte Tafeln.
Die Fugen in der Holztafel gruppieren sich in zwei
Fälle, einerseits der Klebung von Beplankung auf die
Kantholzrahmen und andererseits der Schmalflächenklebung
der Beplankung untereinander, auch im
sogenannten fliegenden Stoß. Erstere Stoßart konkurriert
massiv mit der etablierten Technik des Nagels
oder Klammerns, letztere Stoßart verspricht mit der
neuen Klebebandtechnik erstmals Festigkeiten von
ungeschnittenen Platten im völlig variablen fliegenden
Stoß ohne Unterlattung. Dies eröffnet zukünftigen
Auslegungen neue Reserven oder neue konstruktive
Möglichkeiten. Speziell die Schmalflächenklebung an
den Beplankungen untereinander eröffnen neue Möglichkeiten
des flexiblen Ausnutzens von Material, was
früher als Verschnitt in den Abfall geworfen wurde.
Nach Schätzungen aus der Fertighausindustrie ermöglicht
eine konsequente Nutzung hier ein Einsparpotenzial
von ca. 10 % in den Kosten.
Mit Hilfe dieser Technik läßt sich die Wärme gezielt
nur dort einbringen, wo sie benötigt wird, nämlich in
der Klebefuge. Der apparative Aufwand für die Technik
ist vergleichsweise gering und beschränkt sich auf
mobile Anlagen aus dem Bereich der Lichtbogen-
Schweißtechnik oder der industriellen Prozesswärme
mit induktiver Erwärmung, die vielfältig in industriellen-
und handwerklichen Werkstätten im Einsatz sind.
Wichtige Aspekte der Prozesssicherheit stehen auch
eng in Zusammenhang mit der Betriebssicherheit der
neuen Methode. Die für die Aktivierung der Klebstoffe
notwendigen Temperaturen knapp unter 200 °C liegen
nah an dem Temperaturbereich, an dem Verkohlungserscheinungen
im Holz auftreten. Der verantwortungsbewußte,
technisch sichere Einsatz der neuen
konduktiven Heiztechnik setzt damit die Kenntnis der
Stromquellen, der Charakteristik der Klebebänder,
einer ausreichend schnell arbeitenden Temperaturkontrolle
zum Stellen oder Regeln von Aufheiz- und
Haltephase sowie einen Mindestanpressdruck durch
die Holzbestandteile auf den Klebebändern von mindestens
0,25 N/mm² voraus. Durch die Verwendung
von Streckmetallen konnten auch sehr gute Beständigkeiten
der Klebungen nach Kochwasserlagerung
erreicht werden, die nicht auf die z. Teil eingeschränk-
8 DVS 315

te Haftung des Klebstoffes auf den metallischen Bändern
angewiesen sind.
8 Danksagung
Das Vorhaben IGF Nr.17311 N wurde durch die
Forschungsvereinigung Internationaler Verein für
Technische Holzfragen e. V. (iVTH) über die AiF
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
„Otto von Guericke“ e.V. begleitet und
durch Mittel des Bundesministerium für Wirtschaft und
Energie (BMWi) aufgrund
eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages
gefördert. Den genannten
Organisationen und den
Mitgliedern des Projekt
begleitenden Ausschuss
sei ausdrücklich gedankt.
Rapidly Bonded Wood Panel Joints of Prefab
House Construction Joints, Special Technical Paper
STP 1583, ASTM International, West Conshohocken,
PA, USA, 2015, 32 pages, ASTM International,
West Conshohocken, PA, USA, 2015,
32 pages
9 Schrifttum
[1] N.N.: Fertighäuser in Deutschland auf dem Vormarsch,
18.10.2013, www.sz-immo.de, Sächsische
Zeitung GmbH, D-01067 Dresden, Germany,
online verfügbar, http://www.szimmo.de/artikel.asp?id=3295471
[2] Schulze, H.: Holzbau, Wände – Decken – Bauprodukte
– Dächer – Konstruktionen – Bauphysik
Holz-schutz, 3. Auflage, Teubner-Verlag, Wiesbaden,
2005
[3] Holzrahmenbau – Bewährtes Hausbau-System,
Bund deutscher Zimmermeister 4. Auflage, Bruderverlag
Karlsruhe, 2007
[4] Schlussbericht zum Forschungsvorhaben IGF
17.311 N/1, Schnellhärtende Klebstoffsysteme für
den Einsatz im Holztafelbau (Kurztitel: Holzhaus)
Laufzeit: 01.10.2011 – 31.01.2014, Internationaler
Verein für Technische Holzfragen e. V. (iVTH),
Braunschweig, 2014
[5] Rudolph, M.; Schaefer, H.: „Elektro-thermische
Verfahren - Grundlagen, Technologien, Anwendungen“,
Springer, Berlin, 1989
[6] DIN EN 15425:2008 „Klebstoffe – Einkomponenten-Klebstoffe
auf Polyurethanbasis für tragende
Holzbauteile – Klassifizierung und Leistungsanforderungen“,
Beuth Verlag Berlin, 2008
[7] DIN EN 301:2006 „Klebstoffe für tragende Holzbauteile
– Phenoplaste und Aminoplaste – Klassifizierung
und Leistungsanforderung”, Beuth Verlag,
Berlin, 2006
[8] DIN EN 302-1:2004 ”Klebstoffe für tragende Holzbauteile
– Prüfverfahren- Teil 1: Be-stimmung der
Längszugscherfestigkeit”, Beuth Verlag, Berlin,
2004
[9] Pietschmann, J.: Industrielle Pulverbeschichtung -
Grundlagen, Anwendungen, Verfahren, 3. Aufl.,
Vieweg+Teubner, Wiesbaden, 2010.
[10] Wisner, G.; Zillessen, A.; Brodel, M.; Stammen,
E.; Fischer, F.; Dilger, K.: Adhesive Method for
DVS 315 9

Diffusionsgeschweißte Komponenten – Anwendungsübersicht
S. Jahn, F. Gemse und S. Dahms, Jena
Das Diffusionsschweißen von Bauteilen ist derzeit ein stetig wachsender Markt. Das Wachstum kann unter anderem
auf das Erzeugen von unkonventionellen Werkstoffkombinationen oder das Realisieren großflächiger Verbindungen
ohne Zusatzwerkstoff zurückgeführt werden. Beispiele sind optische Komponenten aus verschiedenen
Gläsern, Komponenten in Schichtbauweise für die Mikrofluidik oder Wärmeableitelemente sowie die „first walls“ für
die nächste Generation der Energieerzeugung (Fusionsreaktoren). Aus diesem Grund bieten mittlerweile über 30
Unternehmen weltweit Diffusionsschweißanlagen an. Im Beitrag werden verschiedene aktuelle Anwendungen vorgestellt.
1 Einleitung
Das Diffusionsschweißen ist ein Festkörperfügeverfahren,
mit dem es möglich ist, sowohl Kleinteile als
auch großflächige Verbindungen im festen Zustand
herzustellen. Sowohl artgleiche als auch artfremde
Werkstoffe können bei einer Temperatur unterhalb
der Schmelz- bzw. Solidustemperatur (etwa 50 bis
90% Tm) verbunden werden. Aufgrund der Möglichkeit
großflächige Verbindungen zu erzeugen, steht das
Diffusionsschweißen in Konkurrenz mit dem Hartlöten,
insbesondere dem Ofenlöten.
2 Diffusionsschweißen
Die Modellvorstellung beim Entwickeln eines „idealen
Schweißverfahrens“ bestand darin, zwei zu fügende
Teile bis auf die Größenordnung des Atomabstandes
(10 -6 bis 10 -7 mm) aneinander anzunähern, so dass
die atomaren und molekularen Kräfte zwischen beiden
Teilen eine Verbindung herstellen. Die dafür nötigen
Oberflächengüten sind jedoch mit keinem vertretbaren
Aufwand erreichbar. Das von Prof. N. F.
Kasakov [1] erfundene Diffusionsschweißen kompensiert
durch die Anwendung von Druck und Wärme die
mangelnde Oberflächengüte und kommt der Vorstellung
des idealen Schweißverfahrens nahe. Die Phasen
der Verbundausbildung sind schematisch in Bild 1
dargestellt. Die Teile werden zusammengesetzt, Bild
1a, und auf Schweißtemperatur erwärmt.
Um den Kontakt der Fügeflächen sicherzustellen, ist
es notwendig, die Bauteile mit einer Kraft zu beaufschlagen,
Bild 1b. Durch Temperatur und Druck getrieben
erfolgt Diffusion über die Kontaktfläche hinweg
sowie eine plastische Verformung der Rauheitsspitzen
auf den Oberflächen. Aufgrund von Kornwachstum
über die Fügefläche hinweg, Bild 1c, ist bei artgleichen
Werkstoffen nach Abschluss der Verbindungsbildung
keine Fügezone mehr erkennbar, Bild
1d. Zusammenfassend ist es für den Prozess erforderlich,
Wärme in das Bauteil einzubringen und eine
Kraft aufzubringen. Zusätzlich sollte der Prozess in
einer schützenden Atmosphäre durchgeführt werden,
um unerwünschte Reaktionen der Werkstoffe zu verhindern.
2.1 Vorteile des Diffusionsschweißens
Nach DIN 1910 Teil 2 werden die Fügepartner beim
Diffusionsschweißen im Vakuum oder unter Schutzatmosphäre
auf Temperaturen unterhalb des
Schmelzpunktes, oder bei Mehrstoffsystemen unterhalb
der Soliduslinie erwärmt und unter Aufbringung
stetiger Kraft verbunden. Durch das Fehlen einer
schmelzflüssigen Phase [3] unterscheidet sich das
Diffusionsschweißen von anderen Schweiß- und
Lötverfahren im klassischen Sinn.
Bild 2. Fügezone einer Mischverbindung zwischen
Stahl und Kupfer
Bild 1. Verbundausbildung beim Diffusionsschweißen
[2].
Einer der Vorteile des Diffusionsschweißens ist wie
beschrieben, dass keine schmelzflüssige Phase auftritt.
Dies ist insbesondere beim Fügen von Mischverbindungen
vorteilhaft. Im Festkörper sind die Diffusionsraten
geringer im Vergleich zur Flüssigphase und
damit leichter zu beherrschen, insbesondere wenn
nur ein geringer Löslichkeitsbereich der unterschiedlichen
Elemente untereinander vorliegt. Häufig schließt
sich der Bereich der Bildung von intermetallischen
Phasen dann, die sich durch ein sprödes Verhalten
auszeichnen. Bild 2 beinhaltet bespielhaft die Füge-
10 DVS 315

zone einer Mischverbindung Stahl-Kupfer. Weitere
technisch relevante Kombinationen sind unter anderem:
Refraktär Werkstoffe an Stahltragelemente
Metall- Keramik-Verbindungen
Aluminium-Kupfer-Verbindungen
Kupfer-Silberverbindungen
2.2 Flächige Verbindungen
Ein weiterer Vorteil des Diffusionsschweißens ist,
dass große Flächen flächig verbunden werden können.
Bisher war die maximale Größe der zu fügenden
Bauteile in Europa aufgrund der fehlenden Anlagentechnik
begrenzt. Eines der größten Diffusionsschweißsysteme
mit Pressplatten der Größe 2,5 m ×
3,5 m war bereits 1987 in Japan vorhanden [4]. Vor
zwei Jahren wurde begonnen, auch bei Dienstleistern
weltweit größere Systeme aufzubauen bzw. In-Betrieb
zu nehmen, um auf die stetig wachsende Nachfrage
zu reagieren [5, 6]. Gründe dafür werden im Kapitel
„Anwendungen“ aufgeführt. In Bild 3 ist ein System im
„1-Meter-Format“ (Pressplattengröße: 1000 x 900²)
enthalten.
Bild 3. Diffusionsschweißanlage mit Pressplattengröße
von 1000 x 900 mm² (mit freundlicher Genehmigung
der PVA Industrial Vacuum Systems GmbH,
Wettenberg)
Im Folgenden werden Anwendungen des Diffusionsschweißens.
Häufig werden die Vorteile des Fügeverfahrens
mit weiteren Effekten kombiniert. Ein Beispiel
dafür ist das Ausnutzen von Größeneffekten in Kanälen,
die der Fluidförderung dienen. Von großer Bedeutung
ist die Kanaloberfläche, da dort Wechselwirkungen
zwischen Kanaloberfläche und dem Fluid auftreten.
Durch eine Verkleinerung der Kanalquerschnittsfläche
wird eine Verbesserung des Wärmeaustauschs
erzielt, da die Transportprozesse von der Oberflächengröße
der Kanäle abhängig sind. Bei quadratischen
Kanälen mit einer Seitenlänge l vergrößert sich
der Umfang des Kanals linear mit einer Verlängerung
von l. Die Querschnittsfläche des Kanals skaliert dagegen
quadratisch mit der Seitenlänge l. Wird das
Verhältnis von Kanalumfang zu Kanalquerschnittsfläche
betrachtet, so verhält sich dieses umgekehrt proportional
zu l. Eine Verringerung der Seitenlänge l
führt somit zu einer Vergrößerung des Umfang-
Querschnitt-Verhältnisses. Wird der Fließweg in die
Betrachtung miteinbezogen, so skaliert auch das Kanaloberflächen-Querschnittsverhältnis
mit 1/l. Daraus
resultiert eine Vergrößerung der Oberfläche, wodurch
letztendlich Austauschprozesse schneller bzw. effektiver
ablaufen. Im Dimensionenvergleich von Technik
und menschlichem Körper laufen die effizientesten
Masse- und Wärmeaustauschprozesse beim Menschen
in Kanälen mit 4 µm Durchmesser in Lunge
und Niere ab. Nach Kandlikar [7] werden Kanäle mit
Durchmessern bzw. bei rechteckigen Querschnitten
die kürzere Seite im Bereich von 3,0 mm bis 0,2 mm
als Mini- und zwischen 0,2 mm und 0,01 mm als
Mikrokanäle bezeichnet.
3.1 Temperierung von Werkzeugen
Das Abformen aus plastischen Kunststoff-
Formmassen ist heute ein wichtiger industrieller Fertigungsprozess
mit einer langen Tradition. Im Vergleich
zu anderen Verfahren zeichnen sich diese Verfahren
durch kurze Zykluszeiten und hohe Stückzahlausbringung
aus. Der Übergang von der viskosen Formmasse
zum festen Bauteil erfolgt beim Spritzgießen nach
dem Einspritzen in die Kavität (Form) zeitabhängig
durch Abkühlen (Thermoplasten) oder durch reaktive
Vernetzung (Duroplaste). Bei Letzterem läuft die Reaktion
temperaturabhängig ab. Ein Erhöhen der
Werkzeugtemperatur führt bei Duroplasten zu einem
Absenken der Zykluszeit. Als letzter Schritt erfolgt bei
ausreichender Festigkeit das Entformen des Bauteiles
bei Temperaturen deutlich unterhalb der Formgebungstemperatur
[8]. Daher ist beim Verarbeiten von
Thermoplasten die Abkühlung auch Zykluszeitbestimmend.
Zusammen mit dem Trend der additiven
Fertigung bzw. umgangssprachlich dem „3D-Drucken“
besteht verstärkt die Forderung, die Temperierung im
Werkzeug auch geometrisch zu optimieren.
3 Anwendungen
Bild 4. Mehrteiliges Spitzgießwerkzeug mit konturnaher
Kühlung und abgespritztes Bauteil (Komponenten
zu Demonstrationszwecken aufgeschnitten)
Wurden bisher mittel Laserstrahlschmelzen Kerne in
Gießwerkzeugen erfolgreich eingesetzt, besteht nun
der Wunsch, ganze Werkzeuge mit dem sogenannten
„conformal cooling“ zu versehen. Die Strahlschmelzprozesse
sind jedoch derzeit in den maximalen
Dimensionen beschränkt. Durch die Kombination
von konventioneller Fertigung mit dem Diffusions-
DVS 315 11