Innovative Verbindungstechnik ermöglicht Leichtbau

 

Neben dem Leichtbau hat auch die Kreislaufwirtschaft Einfluss auf die Herstellung von Produkten. Dadurch erleben Konstruktion und Produktion derzeit einen Wandel. Hierzu leisten nicht zuletzt rechtliche Vorgaben einen wesentlichen Beitrag. Produkte müssen nicht nur auf ihren Einsatz hin gedacht, konstruiert und gebaut werden. Ihre Reparaturfähigkeit während des Einsatzes und die Recyclingfähigkeit nach Einsatzende rücken vermehrt in den Blick und müssen bereits in der Konstruktion berücksichtigt werden. Im Kfz-Bereich gilt das sowohl für die Batterie als auch für die Fahrzeug-Karosserie, für das Fahrwerk und den Antrieb, für die Elektrik sowie für Interieur-Komponenten.

 

Klassische Verbindungsmethoden kommen beim Leichtbau allerdings an ihre Grenzen, insbesondere dann, wenn sich einzelne Komponenten, bzw. Werkstoffe, nach Ablauf der Einsatzfrist wieder trennen und aufbereiten lassen sollen. Hybride Fügeverfahren mit einem Klebstoff für Langzeitfestigkeit und einem mechanischen Element für die Kurzzeitfixierung gewinnen zunehmend an Bedeutung, zumal der Klebstoff zwischen verschiedenen Metallen nicht nur für Stabilität sorgt, sondern auch galvanischer Korrosion vorbeugt. Zudem lässt er sich über spezielle Methoden fürs Recycling auch wieder entfernen.

Sowohl die neuen Fügeverfahren als auch das Denken eines Produkts vom Ende her – also wie es sich wieder in Einzelteile zerlegen und recyceln lässt – erfordert Know-how, das nicht bei jedem Unternehmen in der Kfz-Fertigungskette vorhanden ist. Dadurch werden Hersteller von mechanischen Verbindungs-Elementen immer mehr zum Know-how-Geber in einem komplexen Prozess. Ihre Erfahrung in Bezug auf Werkstoffe, aber auch in Hinblick auf den Fertigungsprozess wird immer wichtiger und damit auch ein frühzeitiger Austausch während des Entwicklungsprozesses mit Kfz-Herstellern oder Zulieferern.

 

Das erleben auch die Experten für Verbindungstechnik von Arnold Umformtechnik. Martin Ivanjko, Team Leader Application Sales Engineering Flowform, berichtet: „Wir gehen in vielen Fällen sehr bewusst den Weg des Co-Engineerings. Unsere innovativen Verbindungslösungen können den Leichtbau deutlich effizienter und nachhaltiger gestalten. Allerdings müssen sie anders in den Fertigungsprozess eingeplant werden als konventionelle Verbindungsmethoden. Daher ist es sinnvoll, uns bereits in die Konstruktionsphase einzubinden. Zumal wir immer wieder erleben, dass durch unsere Beratung und das gemeinsame Engineering beispielsweise kleinere Verbindungselemente als ursprünglich geplant eingesetzt werden können." Das spart nicht nur in der Herstellung Material, sondern im Betrieb Gewicht und bringt somit während des gesamten Einsatzes CO2-Einsparungen.

Für viele Einsatzfälle im Kfz-Bereich nutzen die Verbindungs-Experten das fließlochformende Schrauben mithilfe ihres Verbindungsverfahrens Flowform bzw. Flowform Plus (Bild 1). Kern der Technologie sind spezielle Flowform-Schrauben, die beim Einbringen in die Werkstoffe selbst ihr Loch sowie das Gewinde formen, sowie darauf abgestimmte Schraubsysteme, die diese Schrauben robotergeführt in die zu verbindenden Werkstoffe einbringen. Dabei erwärmt und durchdringt die Flowform-Schraube die Fügeteile. Mit ihrer polygonalen Spitzengeometrie formt sie zuerst ein Fließloch und dann ein Gewinde, das im Reparaturfall eine gängige metrische Schraube aufnehmen kann. Während des Prozesses wird ein Durchzug geformt, der die effektive Einschraublänge und dadurch die Verbindungstragfähigkeit insbesondere bei dünnen Einschraubteilen erhöht. Die Schraube ist dabei ein Kernstück der Technologie. Sie besteht aus verschiedenen Bereichen, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen: vom schnellen Erzeugen großer Wärme, über das Formen des Fließlochs und dann des Gewindes, bis hin zum Einschrauben und Anziehen sowie zur Aufnahme des aufsteigenden Materials im Schraubenkopf.

 

Während fünf verschiedener Prozessschritte müssen Drehzahl, Drehmoment und Axialkräfte optimal an die jeweilige Aufgabe angepasst werden (Bild 2). Die Parameter sind unter anderem abhängig von der Art der Materialien, die verbunden werden sollen, und deren Dicke. Ivanjko ergänzt: „Wir können in unseren Anwendungslaboren verschiedene Verbindungsoptionen sehr genau untersuchen und dadurch feststellen, welches Verbindungselement aus welchem Material, mit welchem Durchmesser, mit welcher Länge und mit welcher Kopfgeometrie für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist. Zudem können wir Empfehlungen geben, welche Anzahl an Verbindungselementen idealerweise wo platziert wird." Während des automatisierten Fügeprozesses in der Fertigungslinie steuert eine spezielle Schraub-Anlage die im Labor ermittelten Parameter exakt und erfasst die jeweils aktuellen Werte. Das ist sowohl für die anschließende Dokumentation hilfreich als auch für die Prozessüberwachung. Abweichungen werden sofort entdeckt und kein unnötiger Ausschuss produziert. Eine Besonderheit des Prozesses ist, dass er mit einseitiger Zugänglichkeit für profilintensive Mischbauweisen auskommt.

Im Vergleich zu anderen Methoden spart Flowform im Fügeprozess Zeit, Material, Werkzeug und Hallenfläche ein (Bild 3). Beim geschnittenen Gewinde beispielsweise muss zuerst ein Loch bzw. Durchzug eingebracht werden, dann das Gewinde geschnitten und anschließend müssen die Späne entfernt werden. Dann endlich wird die Schraube eingedreht. Im Vergleich zu Einstanz- oder Einpressmuttern kann auf das Einbringen der Mutter verzichtet werden. Beim Fließlochformen sind für das Fügen von artfremden und artgleichen Materialien Taktzeiten von weniger als drei Sekunden möglich. Neben herkömmlichen Verfahren braucht Flowform lediglich ein Schraubsystem zum Einbringen der Schraube, das bedeutet weniger Wartung und Platzbedarf. Zudem kommt Fließlochformen im Vergleich zu Schrauben-Mutter-Kombinationen mit weniger Werkstücken und somit Material aus. Es müssen keine zusätzlichen Muttern hergestellt, transportiert, gelagert und im Prozess gehandelt werden.

Die Anforderungen an die Flowform-Schrauben sind individuell von der Anwendung abhängig. Im Karosseriebau beispielsweise haben die Schrauben im Wesentlichen zwei Funktionen: Die Fixierung der verschiedenen Komponenten während der Klebstoff aushärtet; zudem dienen sie als Riss-Stopper im Falle eines Unfalls. An diese Anforderungen müssen die Verbindungselemente in enger Absprache mit dem Kunden angepasst werden bezüglich Schraubenart, Durchmesser, Länge und Kopfgeometrie. Natürlich wird all das begleitet von entsprechenden Tests in den Anwendungslaboren der Verbindungs-Experten.

Die Batterieherstellung ist ein weiteres Einsatzgebiet des fließlochformenden Schraubens. Hier gibt es strikte Vorgaben in Bezug aufs Recycling. Das betrifft natürlich auch die Verbindungselemente, die sich nach Ende der Lebenszeit wieder lösen lassen müssen. Gleichzeitig müssen sie während des Einsatzes – in der Regel ohne Einsatz von Strukturklebstoffen – hohe Anforderungen an Tragfähigkeit und Dichtigkeit erfüllen. Es gilt dabei oft, große, flächige Bauteile zu verbinden. „Hier sind viele kleine Verbindungspunkte besser geeignet als wenige, größere Verbindungen", sagt Ivanjko. „Hier können unsere Flowform-Plus-Schrauben punkten." Diese sind bei gleicher Schraubenlänge 25 % leichter und erweitern die Anwendungsgrenzen deutlich.

Insgesamt überzeugt das fließlochformende Schrauben mit Flowform oder Flowform Plus nicht nur durch effiziente und sehr stabile Fertigungsprozesse. Entlang der gesamten Wertschöpfungskette helfen sie zudem auch dabei, den CO2-Fußabrduck von Produkten zu verringern: Durch Energieeinsparungen im Verbindungsprozess, durch Gewichteinsparungen während der gesamten Nutzungsdauer, durch die Reparaturfähigkeit und dadurch, dass sie durch ihre Wieder-Lösbarkeit einen elementaren Beitrag zum Recycling wertvoller Rohstoffe leisten.