Experten suchen nach neuen Lösungen für Verbindungen neuer Blechwerkstoffe

Autor / Redakteur: Norbert Wellmann / Dietmar Kuhn

Das Verbinden oder Fügen von Blechen ist eine elementare Angelegenheit in der Blech verarbeitenden Branche. Dafür gibt es unterschiedliche Verfahren und Ansatzpunkte, vor allem wenn es um Mischwerkstoffe geht. Die Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. (EFB) betreut etwa 30 Projekte, die sich mit diesem Thema befassen.

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Schliffbilder und Verfahrensvor- und -nachteile beim Bolzensetzen, Blindnieten und HG-Blindnieten.
Schliffbilder und Verfahrensvor- und -nachteile beim Bolzensetzen, Blindnieten und HG-Blindnieten.
(Bild: LWF Paderborn)

Der mechanischen Fügetechnik kommt im weiten Feld des automobilen Leichtbaus eine besondere und zunehmende Bedeutung zu. Gerade hier geht es darum, Bauteile aus verschiedenen Werkstoffen miteinander zu verbinden. Oftmals sind durch den Einsatz moderner Materialien, wie hochfeste Stähle, Aluminium und FVK, Verfahren wie Schweißen beziehungsweise Laserschweißen nicht anwendbar.

Auf der anderen Seite gilt es, die Kräfte, die für mechanische Fügeprozesse eingesetzt werden, und ihre Wirkung auf die Bauteile zu berücksichtigen. Und natürlich ist die wirtschaftliche Anwendung dieser Technologien für die Praktiker eine notwendige Voraussetzung. Daraus ergibt sich eine Vielzahl von Fragen, die in den Projekten der Industrieforschung von Unternehmen aus der gesamten Prozesskette und Forschungsinstituten gemeinsam bearbeitet werden.

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Bei der Europäischen Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung (EFB) werden derzeit etwa 30 Projekte zur Fügetechnik bearbeitet. Zusammen mit dem DVS und der FOSTA veranstaltet die EFB im Dezember 2015 in Paderborn das 5. Kolloquium „Gemeinsame Forschung in der Mechanischen Fügetechnik“. Von den im vergangenen Jahr abgeschlossenen Projekten wurden drei mit dem EFB-Projektpreis 2015 ausgezeichnet, die im Folgenden dargestellt werden.

Hochgeschwindigkeitsblindnieten, ohne ein Vorloch zu setzen

Das Verfahrensprinzip HG-Blindnieten kombiniert die Blindniettechnik mit der beim Bolzensetzen eingesetzten Impulsfügetechnik. Hierdurch lassen sich Nachteile des jeweiligen anderen Verfahrens kompensieren.

Beim Blindnieten handelt es sich um einen mehrstufigen Prozess, der in der Großserie häufig als nicht wirtschaftlich eingestuft wird. Die Fügepartner müssen zuerst vorgelocht werden, bevor das Nietelement eingeführt werden kann. Diese Vorlochoperation erfordert eine Tolerierung der Löcher am jeweiligen Fügeteil, um einen Versatz dieser zueinander zu vermeiden. Beim konventionellen Blindnieten müssen die zu fügenden Bauteile durch Bohren oder Stanzen axial gelocht werden.

Beim HG-Blindnieten wird das Nietelement mit einer hohen Geschwindigkeit von etwa 15 bis 40 m/s in die zu fügenden Werkstoffe eingetrieben. Nach dem Erreichen der Kopfauflage der Blindniethülse stützt sich das Werkzeug auf der Blindniethülse ab und zieht den Blindnietdorn entgegen der Eintreibrichtung. Die Blindniethülse wird umgeformt und der Blindnietdorn reißt beim Erreichen der Nietdornabrisskraft ab. Die entstandene Verbindung wirkt über Kraft- und Formschluss.

Das größte Hindernis bei der Anwendung Hochgeschwindigkeitsblindnieten oder alternativer Verfahren stellt die Steifigkeit an der Fügestelle dar. Es empfiehlt sich daher, das Hilfsfügeelement immer in die Nähe einer Wandung beziehungsweise einer Versteifungsrippe zu setzen. Die höheren Materialkosten für den Nietdorn und die Niethülsen werden durch den Wegfall des Vorlochens und die damit verbundenen niedrigeren Personal- und Werkzeugkosten kompensiert, sodass bis zu 50 % der Verbindungskosten eingespart werden können. Durch die Bereitstellung eines Handsetzgerätes kann das Hochgeschwindigkeitsblindnieten auch für KMU wirtschaftlich und interessant werden.

Wie eine Fügestelle auch als elektrischer Kontakt – beispielsweise beim Befestigen von Sicherungen oder Leuchtdioden – genutzt werden kann, zeigt das folgende Projekt:

Elektrisches Eigenschaftsprofil umformtechnischer Fügeverbindungen

Die umformtechnischen Fügeverfahren bieten neben der mechanischen Fixierung von Fügepartnern eine gleichzeitige Übertragung von elektrischen Strömen. Um beide Effekte optimal zu nutzen, ist es möglich, diese Fügeverfahren entsprechend den jeweiligen Anforderungen auszulegen. Hierbei werden sowohl grundlegende herstellungsbedingte Parameter (geometrische Ausbildung, Kinematik des Setzvorganges, verfahrensspezifische Umformvorgänge) als auch anwendungsbezogene Belastungen als Beeinflussungsgrößen von Kontaktwiderstand und mechanischer Festigkeit betrachtet.

Während sich eine mechanische Optimierung der Fügeverbindung meist auf geometrische Parameter beschränkt, können bei einer elektrischen Optimierung solcher Fügeverbindungen die verfahrensimmanenten Vorteile, wie Oberflächenvergrößerung und Relativbewegung der Fügepartner, ausgenutzt und gezielt zur Erzeugung von metallischen und quasimetallischen Mikrokontakten genutzt werden.

So kann beispielsweise der zwischen den Fügepartnern bestehende Flächenschluss vergrößert und dadurch der Kontaktwiderstand verringert werden. Anhand von metallografischen Untersuchungen können Werkstoffbrücken, zum Beispiel im Halsbereich von Clinchpunkten, im Fußbereich von Halbhohl-Stanznietverbindungen und im Bereich des Befestigungsabschnittes von Stanzbolzen, nachgewiesen werden.

Diese metallischen Werkstoffbrücken sind signifikant für die elektrische Leitfähigkeit, allerdings auch sehr fragil in Bezug auf ihre mechanische Festigkeit. Die Fügeverbindung, auch in Kombination mit Klebstoff, sichert daher mit ihrem vorhandenen Form- und Kraftschlussanteil diese Werkstoffbrücken mechanisch ab. Als notwendiges Kriterium für die Langzeitstabilität eines solchen elektrischen Kontakts gilt der Gütefaktor einer Verbindung, der einen festgelegten Richtwert nicht überschreiten soll. Er kann als Vergleichs- und Auswahlkriterium für ein Fügeverfahren herangezogen werden. Für den Einsatz solcher Fügeverfahren zur Kontaktierung elektrischer Leiter können vorhandene und eingeführte Verfahren, Werkzeuge und Anlagen eingesetzt werden.

Fügen durch Knickbauchen – eine Fügetechnik ohne Fügeelemente

Das Fügen von metallischen Werkstoffen – insbesondere von höher- und höchstfesten Stählen – ist mithilfe konventioneller Schmelzschweißverfahren nur unter Inkaufnahme von Festigkeitsverlusten und anderen Nachteilen möglich. Im Hinblick auf Leichtbau, Energieeffizienz und die Kombination verschiedener Materialien und Blechdicken, gewinnen mechanische Fügeverfahren, wie das Fügen durch Knickbauchen, zunehmend an Bedeutung.

Beim Fügen durch Knickbauchen wird das hohle Innenteil der zu fügenden Verbindung, in der Regel ein Rohrstück, in das Loch eines Bleches gesteckt und durch Knickbauchen oberhalb und unterhalb des Bleches derart geweitet, dass eine unlösbare Verbindung entsteht. Das Verfahren funktioniert ohne Wärmeeinbringung, da der Fügeprozess rein umformtechnisch realisiert wird.

Im Gegensatz zum Schweißen treten dabei keine charakteristischen Werkstoffveränderungen wie Festigkeitsverluste, Eigenspannungs- und Verzugsprobleme auf, woraus sich in vielen Anwendungsfällen Vorteile im Vergleich mit thermischen Verfahren ergeben. Neben Mischverbindungen (Stahl/Aluminium, Kunststoff/Metall) können zum Beispiel auch nicht schweißgeeignete Werkstoffe eingesetzt werden. Weiterhin können erreichbare Taktzeiten erheblich reduziert sowie die teilweise durch Zunderbildung hervorgerufenen Beschichtungsprobleme vermieden werden.

Eine Anwendung des Fügens durch Knickbauchen hat somit in vielen Bereichen einen hohen wirtschaftlichen und technischen Nutzen. Die noch unzureichenden Kenntnisse hinsichtlich geeigneter Verbindungsgestaltung, Werkzeug- und Prozess-auslegung sowie der Wirtschaftlichkeit verhindern bislang eine breite industrielle Nutzung. Forschungsbedarf besteht noch hinsichtlich charakteristischer bruchmechanischer Vorgänge und Mechanismen der Rissbildung beim Knickbauchen. Wegen hoher Umformgrade ist dem Formänderungsvermögen des eingesetzten Materials hohe Bedeutung beizumessen, sowohl für die Verbindungsherstellung, als auch im Hinblick auf erreichbare statische und dynamische Verbindungsfestigkeiten.

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