Pro Materialmix Fließlochformende Schrauben

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Mit der fließlochformende Schraube Flowform hat Arnold Umformtechnik seit einigen Jahren bereits eine innovatives Verbindungselement im Portfolio. Jetzt setzt man mit der Flowform Plus noch einen drauf.

Die fließloch- und gewindeformende Schraube Flowform ermöglicht eine einseitig zugängliche und vollautomatisierte Fügeverbindung. Mit ihrer polygonalen Spitzengeometrie formt die Flowform-Schraube ein Fließloch und furcht dabei ein Gewinde, welches im Reparaturfall eine metrische Schraube aufnehmen kann.

Dossier Robotik

Robotikanwendungen in der Blechbearbeitung

Mit der Flowform Plus kommt nun eine Weiterentwicklung auf den Markt. Damit reagiert Arnold Umformtechnik auf steigende Kundenanforderungen. Vor dem Hintergrund, die CO₂-Emmissionen immer weiter zu verringern, setzt die Automobilindustrie bekanntlich auch auf Gewichtsreduzierung. So werden zunehmend dünnere und höherfestere Stähle oder Aluminium eingesetzt, was mehr Materialmix verursacht. Aber eine entsprechende Schraube für eine prozesssichere Verbindung desselben muss auch unter geänderten Randbedingungen funktionieren. Kurzum: Die Flowform musste weiterentwickelt werden, um diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden.

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Die neue Flowform Plus spart 25 Prozent Gewicht ein

„Die Anwendungsgrenze für das Fügen von Stahlanwendungen liegt in Abhängigkeit von der Blechdicke bei der herkömmlichen Flowform bei maximal 600 Megapascal. Mit der Flowform Plus kommt man jetzt auf rund 1.000 Megapascal“, betont Heiko Miller, Projektleiter bei Arnold Umformtechnik, und für die Weiterentwicklung der Flowform Plus verantwortlich. Im Vergleich zur Flowform änderte man bei der Flowform Plus die Abmessungen. Der Durchmesser wurde von 5 Millimeter auf 4 Millimeter reduziert. Die Länge bleibt bei 20 Millimeter. In Abhängigkeit von Kopf und Länge wiege die Flowform 5,0 etwa 4 Gramm, aber die neue Flowform Plus 4,0 nur noch 3 Gramm. Hochgerechnet auf die Anzahl der verwendeten Schrauben in der Karosserie insgesamt kommt dann einiges an eingespartem Gewicht zusammen. So wiegen 500 Flowform-5,0-Schraußen pro Fahrzeug rund 2 Kilogramm. Folglich spart man im selben Fall mit der Flowform Plus 4,0 pro Fahrzeug 500 Gramm ein. Zudem wurde die Geometrie der Fließlochformspitze optimiert und das Wärmebehandlungsverfahren angepasst, sodass die Performance für die Verbindung annähernd gleichbleibend ist.

Arnold-Experten schauen sich die Schraubfälle genau an

Doch wann ist die Flowform Plus das geeignete Verbindungselement? Die Kundenvorstellungen für eine bestimmte Verbindungsstelle sind meistens ziemlich konkret, antworten die Arnold-Experten. Deren Part ist es, zu untersuchen, ob eine Flowform oder eine Flowform Plus die bessere Möglichkeit für den konkreten Anwendungsfall ist. Entsprechend führen die Spezialisten im Blechfügelabor beispielsweise Machbarkeitsuntersuchungen mit Originalmaterial durch. Dort werden die Festigkeitswerte für den Verbund und natürlich die Grenzen für den Versagensfall ermittelt. Bei einer Fügepunktuntersuchung geht es etwas weiter in Detail, wie man erfährt. In diesem Fall hat der Kunde bereits bestimmte Materialpaarungen definiert, die erreicht werden sollen. Entsprechend erwartet er auch eine Empfehlung und konkrete Werte dazu, welche Festigkeitswerte er in diesem Fügepunkt erzielt. Und speziell hinsichtlich dieser Untersuchungen hat die man im Laufe der zurückliegenden Jahre viel Know-how aufgebaut. Im neuen Labor für Blechfügetechnik in Dörzbach, das in die Forschung und Entwicklung eingegliedert ist, stehen dazu verschiedene Versuchsaufbauten zur Verfügung, sowie alle gängigen Anlagen – unter anderem eine Roboterzelle für seriennahe Erprobungen.

Das sind die Hauptvorteile der neuen Flowform Plus 4,0

Grundsätzlich ist die Flowform Plus für höherfeste Stahlbleche und dickere Blechkombinationen konzipiert. Durch den Einsatz von Aluminiumbauteilen können aber auch dickere Fügekombinationen mit mehreren Lagen ausgeführt werden. Das hat in der Vergangenheit in Bezug auf dreilagige Verbindungen dazu geführt, dass die Deck- und Mittellagen zunächst vorgelocht wurden. Durch den Einsatz der Flowform Plus können nun in Abhängigkeit der Fügewerkstoffe aber auch dickere Materialkombinationen (bis 7,5 Millimeter) ohne Vorloch gefügt werden, wie Arnold Umformtechnik betont. Das erklärt sich aus der geringeren Materialverdrängung durch die Durchmesserreduzierung. Dadurch bildet sich ein engerer Spalt zwischen den Blechen und durch die kleinere Abmessung verringert sich die Reibfläche. Bei der Flowform Plus 4,0 ist deshalb das Furchmoment geringer. Weil generell das Drehmoment geringer ist, kann die Verbindung auch mit einem entsprechen niedrigeren Anzugsdrehmoment hergestellt werden. Die Verbindungsfestigkeit ist laut Arnold Umformtechnik etwas schlechter als bei Flowform 5,0 jedoch gut genug für die Anwendung. In Bezug auf das Verbindungselement ergibt sich aber eine höhere Festigkeit durch die Wahl eines geeigneten Werkstoffes. Das wird dann abgestimmt mit einer dazu passenden Wärmebehandlung. Durch den kleineren Durchmesser der Flowform Plus – und damit auch kleinerem Kopfdurchmesser – eignet sich die Schraube nun auch für Anwendungen, in denen nur eine geringe Flanschbreite gegeben ist, wie es weiter heißt.

Weitere Vorteile und Anwendungsfälle für die Flowform Plus

In einem Beispiel versuchen die Entwickler von Arnold hier zu verdeutlichen, was mit der Flowform Plus möglich ist. Dazu haben sie eine Verbindung mit 2,5 Millimeter dicken Aluminiumblechen (3-lagig) mit der bisherigen und mit der neuen Flowform-Schraube hergestellt. Das Ergebnis bestätigt etwa den schmaleren Spalt bei der Flowform Plus. Auch konnte dabei ohne Vorloch gefügt werden. Bei Anwendungen mit Klebstoff – eher der Regelfall – wird ohne Vorloch zusätzlich der Klebstoff eingeschlossen, weil er natürlich nicht aus dem Vorloch auslaufen kann. Das Fügen ohne Vorloch ist logischerweise mit Blick auf die Kosteneffizienz des Prozesses auch günstiger. Der Anwender benötige auch keine aufwendige Kameratechnik, um zu überprüfen, ob die Schraube im Fügeprozess mittig das Vorloch treffe.

Durch den kleineren Kopfdurchmesser der Flowform Plus kann bereits die konstruktive Auslegung der Baugruppe beim Kunden angepasst werden. Das heißt, dass Flansche schmaler und damit leichter werden dürfen. Und durch die geringere Materialverdrängung sind in einer vergleichbaren Materialkombination mit Blick auf die ältere Flowform geringere Axialkräfte erforderlich. Das heißt, dass die Prozessbelastung sich verringert. So kann etwa ein kleinerer Montageroboter eingesetzt werden. Nutzt man dennoch einen größeren Roboter, belastet dieser die neue Schraube während des Fügens weniger. Ein weiterer Vorteil ist auch noch, dass die Anwender ihre bestehenden Anlagen für die Verschraubung nicht ändern müssen. Eingesetzt wird die Flowform Plus unter anderem im Karosserierohbau im Aluminium-Stahl-Mischbau, bei profilintensiven Bauweisen, bei einseitiger Zugänglichkeit zu den Fügestellen und bei Hybridverbindungen oder beim Fügen von Batteriepacks.

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