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Fügetechnik Verbindungen mit Mehrwert

| Autor / Redakteur: Ralf Steck / M.A. Frauke Finus

Leichtbau steht im Fokus, nicht nur bei Elektroautos. In dieser Situation rückt die Verbindungstechnik ins Blickfeld – jede eingesparte Verschraubung ist ein Gewichtsgewinn. Und wenn die Verbinder zusätzliche Aufgaben übernehmen, lässt sich weiteres Gewicht sparen.

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Leichtbau: Wenn Verbinder zusätzliche Aufgaben übernehmen, lässt sich Gewicht sparen.
Leichtbau: Wenn Verbinder zusätzliche Aufgaben übernehmen, lässt sich Gewicht sparen.
(Bild: ©constantinos - stock.adobe.com)

Die Zeiten, in denen Fahrzeuge zu allergrößten Teilen aus einfachem Stahlblech bestanden, sind lange vorüber. Hochfeste Stähle helfen beim Einsparen von Material und Gewicht ebenso wie Formteile aus glas- oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen. Deshalb nehmen Anforderungen zu, unterschiedliche Materialien miteinander zu verbinden – was wiederum für die universell einsetzbare und für fast alle Materialien geeignete Verschraubung spricht. Doch auch für diese schwierigen Einsatzgebiete gibt es schon seit Längerem Alternativen, unter anderem das Clinchen und das Kleben – oder gar beides, wie wir noch sehen werden.

Das Clinchen oder Durchsetzfügen ist ein bewährtes Fügeverfahren, bei dem zwei Bleche mittels Stempel und Matrize in einer Druckknopf-ähnlichen Form zusammengeklemmt werden. Die beiden Bleche sind dabei nicht nur formschlüssig miteinander verbunden, sondern die Materialien verbinden sich an den Stellen der größten Umformung sogar direkt, sie fließen sozusagen ineinander. Das hat einen interessanten Nebeneffekt: Die Clinchverbindung ist elektrisch leitend.

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Das ermöglicht es, beispielsweise Masseverbindungen statt mit einer korrosionsanfälligen Schraubverbindung beispielsweise über geclinchte Blechlaschen auszuführen. Und da beim Fügevorgang keine Hitze beteiligt ist, werden Isolationen aus Kunststoff nicht beschädigt.

Übrigens lässt sich das Clinchverfahren nach Angaben von Tox Pressotechnik auch bei der Batterieherstellung einsetzen, denn es ist möglich, mittels Clinchpunkten die Materialien Aluminium und Kupfer zu verbinden. Diese Materialkombination wird oft in Batteriemodulen eingesetzt; im Gegensatz zu anderen Verfahren entsteht beim Clinchen dieser Materialien keine isolierende intermetallische Phase, die den Stromfluss behindert. Auch beim Fügen von Bauteilen an empfindlichen Batteriezellen ist das Fehlen von Wärme ein wichtiger Vorteil dieser Technologie.

Verklebungen erzielen hohe Fügekräfte

Auch das Kleben von Teilen ist keine neue Technologie, sondern vielfach in der Serienfertigung eingeführt. Verklebungen erzielen hohe Fügekräfte, die sich je nach Bedarf auf große Flächen verteilen lassen, statt der Punktlasten, die Verschraubungen zwangsläufig darstellen. Zudem können sie je nach Ausführung Vibrationen mindern, elektrisch isolieren und wasser- oder gar gasdicht sein.

Eine Herausforderung stellen Verklebungen jedoch vor allem im hochgetakteten Serienbau dar: Der Kleber benötigt eine bestimmte Zeit, bis die Verbindung Festigkeit aufbaut. Bis dahin müssen die zu verklebenden Teile fixiert bleiben und können nicht weiterverarbeitet werden. Das hemmt den Ablauf und die Hersteller arbeiten an Lösungen, die entweder die Teile bleibend fixieren oder die Härtezeit verkürzen.

Eine Lösung wurde schon zu Beginn angedeutet: In einigen Prozessen werden Verklebung und Clinchpunkte kombiniert. Dabei ist die Verklebung für die Festigkeit zuständig, die nach dem Zusammenfügen gesetzten Clinchpunkte fixieren die Bauteile, bis die Verklebung ihre Endfestigkeit erreicht. So können die Bauteile weiterverarbeitet werden, auch wenn die Verklebung noch nicht die Endfestigkeit erreicht hat.

Delo stellte im letzten Jahr einen Klebeprozess vorgestellt, bei dem ein Zweikomponenten-Epo-
xydharzkleber mit UV-Licht fixiert wird. Der Kleber erreicht innerhalb weniger Sekunden eine Festigkeit, die die zu verklebenden Teile gegen Verrutschen sichert. Bereits nach fünf Sekunden Belichtung erreicht der Kleber Delo Duopox DB8989 bei einer Belichtungsintensität von 1000 mW/cm² eine Festigkeit von 1 N/mm².

Fest auch unter Temperatur- und Feuchtigkeitseinfluss

Diese reicht meist aus, um die verklebten Bauteile in weiteren Prozessschritten zu bearbeiten. Die Verklebung bis zur Endfestigkeit – auch in den unbelichteten Schattenzonen – härtet anschließend wie bei normalen 2K-Produkten bei Raumtemperatur aus. Durch Aufheizen auf 80 °C lässt sich die Endhärte bereits in 60 Minuten erreichen.

Die erste Option dürfte für die meisten Anwender interessanter sein, da in diesem Fall Investitions- und Energiekosten für das Warmhärten entfallen, Platz in der Fertigung gespart und Takt- und Durchlaufzeiten extrem verkürzt werden. Indem Dosieren, Fügen und Lichtfixieren weniger als eine Minute benötigen, kann der nächste Fertigungsschritt deutlich schneller als bislang nach 15 bis 90 Minuten starten.

Duopox DB8989 bietet gute Festigkeiten auch unter Temperatur- und Feuchtigkeitseinfluss. So erreicht der Klebstoff auf Aluminium eine Zugscherfestigkeit von 28 MPa und behält diesen Wert auch bei im Automobilbereich geforderten Alterungssimulationen, zum Beispiel nach 500 Stunden Lagerung bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit oder bei 150 °C. Daher eignet er sich für strukturelle Klebungen, beispielsweise bei der Verklebung von Seltenerdmagneten in Elektromotoren.

Eine weitere Herausforderung beim Verkleben ist der richtige Auftrag des Klebers. Es soll an jeder Stelle der Kontaktfläche eine Kleberschicht in der richtigen Dicke vorhanden sein, beim Fügen soll sich der Kleber gleichmäßig verteilen, ohne an einer Stelle herauszuquellen oder gar herunterzutropfen. Das ist deshalb sehr wichtig, weil Kleberreste in vielen Prozessen kaum sauber entfernt werden können. Die Verklebung muss aufs erste Mal richtig ausgeführt werden, es gibt keine zweite Chance.

Hier bietet sich statt eines Flüssigklebstoffs ein Klebeband an, das sehr definiert platziert werden kann. Bänder wie die Klebebänder Acrylic Foam und Acrylic Plus von 3M eignen sich unter anderem zur Befestigung von Anbauteilen und Dichtungen. Dabei übernehmen die Klebebänder zusätzliche Aufgaben: Sie gleichen Toleranzen aus, dichten ab, verringern Geräusche und dämpfen Vibrationen.

Vor allem machen sie beispielsweise bei Schutzleisten an einer Fahrzeugtür die für Clipse notwendigen Löcher überflüssig, die gerne Korrosion begünstigen und die Herstellung der Bleche verteuert. Die vollflächige Verklebung von Dichtungen und Anbauteilen trägt zudem zur Vermeidung von Windgeräuschen und zu einer besseren Geräuschdämmung des Innenraums bei.

Klebebänder gleichen Toleranzen einfach aus

Dabei entwickeln diese Acrylatschaum-Klebebänder auch auf Materialien mit nieder- und mittel-
energetischen Oberflächen eine hohe Klebkraft, sogar auf ungereinigten Oberflächen. Einige 3M-Bänder sind auf einer Seite mit einem hitzeaktivierbaren Klebstoff versehen dies wird vielerorts verwendet, um Dichtungsprofile mit einer Klebefläche zu versehen. Die Dichtung mit dem auflaminierten Acrylatklebeband lässt sich dann in der Produktion ganz einfach an der gewünschten Stelle anbringen.

Wer sich mit Leichtbau beschäftigt, sollte den modernen Fügetechniken einige Aufmerksamkeit widmen. Befestigungselemente wie Schrauben, Clipse oder Nieten lassen sich beispielsweise durch Clinchen oder Kleben komplett ersetzen – und was nicht da ist, wiegt auch nichts. Zudem übernehmen diese Technologien zusätzliche Aufgaben, was wiederum dazu beiträgt, dass Konstruktionen einfacher und damit nicht nur leichter, sondern auch in der Fertigung und Montage effizienter werden.

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