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Von Schokolade, Plätzchenteig und Rührreibschweißen

Martin Werz von der MPA wurde mit seinem Vortrag „Rührreibschweißen in der Küche“ Deutscher Meister im Science Slam

Auf den ersten Blick haben Schokolade, Plätzchenteig und Schweißen nichts miteinander zu tun. Aber Martin Werz, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (MPA), gelang es, den Zuschauern beim Finale der Deutschen Science Slam Meisterschaft das Prinzip des Rührreibschweißens anhand dieser Dinge näher zu bringen. Dies schaffte er so überzeugend, dass er am 2. Dezember in Ulm zum Deutschen Meister gekürt wurde. Für das Finale hatten sich insgesamt acht Slammerinnen und Slammer in regionalen Vorentscheiden qualifiziert und präsentierten wissenschaftliche Themen auf unterhaltsame, humorvolle und verständliche Art.

Überzeugender Auftritt: Martin Werz mit dem Siegerpokal, einem kolorierten Einstein-Kopf. (c) Schuck
Überzeugender Auftritt: Martin Werz mit dem Siegerpokal, einem kolorierten Einstein-Kopf.

„Es hat mich lange gestört, dass niemand das Rührreibschweißen kennt, obwohl das Verfahren aus werkstofftechnischer Sicht enorme Vorteile bietet. Um das Verfahren meinen Freunden zu erklären, habe ich mir Analogien überlegt, die jeder versteht. Ich fand es dann reizvoll zu sehen, ob das auch bei anderen gut ankommt, daher habe ich mich zum Science Slam angemeldet. Ich finde es wichtig, dass wir als Wissenschaftler auch höchst komplexe Sachverhalte so auf das Wesentliche reduzieren können, dass sie jeder verstehen kann“, beschreibt Martin Werz seine Motivation für die Teilnahme am Science Slam.

Schweißtreibende Forschung

Bei seiner Forschungstätigkeit in der Abteilung „Fügetechnik und Additive Fertigung“ an der MPA beschäftigt er sich mit unterschiedlichen Schweißverfahren, um herauszufinden, welches sich für welches Material und welchen Zweck am besten eignet. So mancher, dem er von seinem Arbeitsgebiet „Schweißprozesse“ erzählt, hatte da schon ganz andere Assoziationen und steckte ihn in den Bereich Sportmedizin.

Ein Verfahren zum Fügen von Werkstoffen in fester Phase ist das Rührreibschweißen, das 1991 am Welding Institute, Cambridge, U.K. entwickelt wurde. Es wird beispielsweise im Karosseriebau und für die Herstellung von Kühlern angewendet.

Um Fahrzeuge immer leichter zu machen und so den CO2 Ausstoß zu verringern, kommt zunehmend die sogenannte Mischbauweise zum Einsatz. Hierbei können die spezifischen Vorteile unterschiedlicher Werkstoffe wie z.B. die geringe Dichte von Aluminium und die hohe Festigkeit von Stählen kombiniert werden. Mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren können allerdings Aluminium und Stahl nicht hochfest aneinander gefügt werden.

MPA entwickelte zwei neuartige Verfahren des Rührreibschweißens

Beim Rührreibschweißen wird ein rotierender Stift in den Spalt zwischen die miteinander zu verbindenden Teile geführt. Dabei werden die Ränder der Bauteile durch entsprechende Krafteinwirkung stark verformt und miteinander verrührt. An der MPA wurden zwei neuartige Verfahrensabwandlungen des Rührreibschweißens entwickelt und experimentell erprobt, mit denen erstmals unterschiedlich dicke Aluminium- und Stahlbleche hochfest aneinander gefügt werden können.

Rührreibschweißen in der Küche

Wie erklärt man solche Sachverhalte einem fachunkundigen Publikum? Für seinen Auftritt beim Science Slam hatte sich Martin Werz etwas Besonderes ausgedacht, um das Prinzip des Rührreibschweißens anschaulich und humorvoll zu präsentieren: Beispiele aus der Küche, für jeden anschaulich und nachvollziehbar und passend zur Adventszeit. Anhand zweier Schokoladenhälften, die mit Hilfe geschmolzener Schokolade zusammengefügt wurden, erläuterte er das Prinzip des Schmelzschweißverfahrens.

Querschnitt durch „geschweißte“ Schokolade. (c) MPA

Wie einige Schokoladensorten, leiden auch bestimmte Aluminiumsorten unter Hitzeeinfluss und erfordern ein alternatives Fügeverfahren. Hier kamen dann in Martin Werz‘ Ausführungen Plätzchenteig, Ausstecherle und Mehl ins Spiel. Jeder, der schon Kekse aus Teig ausgestochen hat, kennt das Problem, dass der Teig klebt und sich nicht ausrollen lässt. Um dies zu verhindern, wird Mehl aufgestreut und in den Teig eingearbeitet, sozusagen „verrührt“.

 (c) Merz

Ähnlich verhält es sich bei Aluminium. Auf dessen Oberfläche befindet sich eine hauchdünne Schicht Aluminiumoxid, die verhindert, dass sich Aluminium miteinander verbindet. Wird das Aluminium im festen Zustand mittels einer Rührreibschweißmaschine und rotierendem Rührwerkzeug an der Fügenaht durchgerührt, dann verbindet es sich. Statt einer Aufschmelzzone, wie sie durch den Hitzeeinfluss bei Schmelzschweißverfahren entsteht und Probleme verursacht, gibt es nun nur eine Rührzone in der Schweißnaht.

Durch die an der MPA entwickelten Verfahren lassen sich nicht nur Aluminiumstücke miteinander hochfest verbinden und im weiteren Verfahrensschritt umformen, sondern auch Aluminium und Stahl unterschiedlicher Dicke, die im Leichtbau zunehmend verwendet werden.

 

Martin Werz

Abteilung Fügetechnik und Additive Fertigung an der Materialprüfungsanstalt