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Bauteile besser schweißen fürs grüne Fliegen

Flugzeuge sollen mit Wasserstoff abheben. Doch dafür müssen neuartige Speicher her. Dresdner Forscher zeigen, wie diese gebaut werden können.

Kupfer, Aluminium und Stahl lassen sich durch das Magnetpulsschweißen absolut dicht fügen. Das hält auch bei tiefsten Temperaturen, zeigt Jörg Bellmann.
Kupfer, Aluminium und Stahl lassen sich durch das Magnetpulsschweißen absolut dicht fügen. Das hält auch bei tiefsten Temperaturen, zeigt Jörg Bellmann. © Fraunhofer IWS/Ronald Bonß

Das Fliegen soll umweltfreundlicher werden. Weltweit entwickeln Wissenschaftler dafür neue Technologien. Im Mittelpunkt steht dabei auch die Idee, künftig wasserstoffbasierte Antriebe für Flugzeuge zu nutzen. Doch die Speicherung dieser Energiequelle stellt die Flugzeugbauer vor Herausforderungen. Das Gas wird erst bei minus 253 Grad Celsius flüssig und ist dann als sogenannter kryogener Treibstoff überhaupt nutzbar. Sowohl Tanks als auch Rohrsysteme in der Maschine müssen bei diesen tiefen Temperaturen absolut dicht sein. Ein neuartiges Schweißverfahren soll dabei helfen: das Magnetpulsschweißen. Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden beweisen nun, dass dieses Fügeverfahren für die Luft- und Raumfahrt funktioniert.

Eine gängige Technik für das Verbinden von Metallen ist das sogenannte Schmelzschweißverfahren. Durch ein Aufschmelzen von Metallen lässt sich eine Schweißverbindung zwischen ihnen herstellen. Voraussetzung dafür sind allerdings ähnliche Schmelzpunkte. Sie bezeichnen die Temperatur, bei der ein Stoff zu schmelzen beginnt. Problematisch wird es, wenn Verbindungen zwischen Metallen entstehen sollen, die sehr unterschiedliche Schmelztemperaturen haben oder beim Vermischen spröde werden – wie beispielsweise eine Verbindung von Aluminium mit Kupfer oder Edelstahl.

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Da rast was aufeinander zu

Für die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz an der Technischen Universität München fertigten die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS jetzt aber ein spezielles Bauteil aus genau diesen drei Metallen. Eingesetzt wird es für dortige Kryostate, Kühlgeräte, die sehr tiefe Temperaturen erreichen. Bisher musste diese Baugruppe aufwendig mit mehreren Laserstrahlschweißnähten, zusätzlichen Fügeelementen und einer Löt- oder Elektronenstrahlschweißnaht hergestellt werden. „Danach gab es jedoch Stabilitäts- und Dichtigkeitsprobleme“, erläutert Markus Wagner, Leiter der Gruppe Auslegung und Sonderverfahren am Fraunhofer IWS.

In wenigen Mikrosekunden entstehen nun durch das Magnetpulsschweißen dichtere Verbindungen, die sowohl bei sehr tiefen Temperaturen bis zu minus 270 Grad Celsius als auch bei großen Temperaturdifferenzen zuverlässig funktionieren. An den Fügestellen treten außerdem Überlappungen auf, die noch mehr Stabilität bieten. Schon seit einigen Jahren forschen Wissenschaftler in Dresden an dem neuen Verfahren. Ein Aufschmelzen ist dabei nicht notwendig.

„Das Magnetpulsschweißen basiert nicht auf einem hohen Wärmeeintrag, sondern hauptsächlich auf hohem Druck zwischen den Fügepartnern“, erklärt Jörg Bellmann, Experte für das Magnetpulsschweißen in der Gruppe von Markus Wagner. Zu Beginn des Prozesses besteht zwischen den Fügepartnern ein Abstand von einem bis anderthalb Millimetern. Durch ein Magnetfeld wird einer der beiden Partner beschleunigt. Die Metalle prallen unter dem Auftreten eines hellen Blitzes im weiteren Prozess mit hoher Geschwindigkeit aufeinander – mit immerhin 200 bis 300 Metern pro Sekunde. Dadurch entsteht an der Fügefläche ein hoher Druck, der letztlich zum Verschweißen führt. Das erlaubt das Fügen unterschiedlichster Metallkombinationen.

Neuer Ansatz für die Raumfahrt

Für die Anwendung von flüssigem Wasserstoff ein wichtiger Punkt. Dabei müssen Werkstoffe mit schlechter thermischer Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Edelstahl, mit Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium verbunden werden. „Wir können mit dem Magnetpulsschweißen auch besonders dünnwandige Bauteile zusammenbringen“, erklärt Bellmann. Möglich mache das ein Einbringen spezieller Abstützelemente, die nach dem Prozess wieder entfernt werden können. Das Verfahren sei zudem schnell und kostengünstig.

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Nicht nur im Flugzeugbau könnte es angewendet werden. Durch eine gute elektrische Leitfähigkeit in den Fügezonen ist es ebenso für den Einsatz in der Elektromobilität und für Prozesse in der Elektronikherstellung attraktiv. „Auch für die Raumfahrt bieten sich mit dieser Schweißtechnologie neue Möglichkeiten.“ (SZ/dpa)

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