Verbindungslösungen von Arnold Umformtechnik für Leichtbaumaterialien

Alternativen für Leichtbau gefragt

Im Fahrzeugbau kommen vermehrt Leichtbaumaterialien zum Einsatz. Da sich diese nicht so ein weiteres schweissen lassen, bedarf es alternativer Verbindungslösungen. Bild: Volkswagen
/

Der im Leichtbau eingesetzte Materialmix lässt sich nicht so einfach verschweissen, was dessen automatisierte Bearbeitung erschwert. Daher sind für diese neuen Werkstoffe alternative Verbindungslösungen gefragt, welche die gewohnte Robustheit und Sicherheit gewährleisten, sich aber dennoch automatisiert umsetzen lassen.

Um Fahrzeug leichter zu machen, wird heute möglichst viel Aluminium verbaut. Da dies aber bei crashrelevanten Bauteilen des Fahrzeuges meist nicht die notwendige Festigkeit bringt, wird dieses mit höherfesten Stählen kombiniert. Dieser Materialmix lässt sich jedoch nicht mit herkömmlichen Schweissverfahren verbinden. Die Experten für nachhaltige Verbindungssysteme von Arnold Umformtechnik machten es sich daher zur Aufgabe, alternative Verbindungslösungen zu suchen, die sich automatisiert umsetzen lassen und so helfen, ein hohes Produktionstempo und gleichbleibende Qualität beizubehalten. Dazu wurden die verschiedenen Materialkombinationen und geforderten Verbindungsarten analysiert und für den jeweiligen Anwendungsfall passende Lösungen entwickelt. Dabei galt es, den kompletten Fertigungsprozess nicht aus den Augen zu verlieren, denn auch dieser beeinflusst die Verbindungslösung massgeblich.

Direktverschraubung ohne Vorloch

Für komplexe Baugruppen, die nur von einer Seite zugänglich sind, deren Verbindung aber eine hohe Festigkeit benötigen, haben die Verbindungsexperten Flowform entwickelt. Das Verfahren basiert auf dem Fliesslochformen: Eine spezielle Schraube wird auf das zu verbindende Material aufgedrückt und gleichzeitig rotiert. Durch eine Kombination aus Axialkraft und relativ hoher Schrauberdrehzahl, erwärmt sich das zu verbindende Material an der Fügestelle. Hat die Schraube das Material durchdrungen, formt sie ein Muttergewinde, das im Reparaturfall auch eine metrische Schraube aufnehmen kann, und wird dann festgezogen. Während und nach der drehmomentgesteuerten Montage passt sich der geformte Durchzug den Konturen der Schraube an. Montagezeiten zwischen zwei und vier Sekunden sind bei dieser Methode realisierbar. Dabei entstehen Verbindungen für hohe dynamische Belastungsarten. Bis zu Bauteildicken von bis zu 6 mm Aluminium und bis zu 3 mm Stahl sind keine vorbereitenden Arbeitsschritte am Bauteil nötig. Bei höherer Gesamtbauteilstärke muss das Material bis zu einer Restdicke komplett vorgebohrt werden.

Generell findet Flowform typische Einsatzbereiche im Karosserierohbau und hier insbesondere bei crashrelevanten Bauteilen. Weisse Ware, der Maschinenbau oder der Batteriebau für die Elektromobilität sind weitere Anwendungsgebiete. Die Technik eignet sich ebenfalls für hybride Verbindungen sowie für mehrlagige, höherfeste und CFK-Anwendungen.

Dem Anwender bringt diese Verbindungsart mehrere Vorteile: Sie lässt sich lösen, verbindet einseitig zugängliche Applikationen aus unterschiedlichen Materialien, verzichtet auf vorbereitende Arbeitsgänge, kommt ohne spanende Verarbeitung und die damit einhergehenden Verschmutzungen aus und ermöglicht die freie Bauteilpositionierung sowie eine Wiederholverschraubung.

Fliesslochformender Einpressbolzen

Nicht alle Verbindungen sind jedoch derart hohen Belastungen ausgesetzt wie crashrelevante Teile im Kfz. Für solche Fälle hat Arnold Umformtechnik die fliesslochformende Schraubverbindung zu Flowpush weiterentwickelt, einem fliesslochformenden Einpressbolzen. Auch bei dieser Technologie formt der Einpressbolzen selbst das Loch in das zu fügende Material. Dieser Vorgang ähnelt dem bei der fliessloch- und gewindeformenden Schraube und wird mithilfe einer Spitze am Ende des Schraubenschaftes ermöglicht. Hat der Bolzen das Material durchdrungen, wird er bis zur Kopfauflage impulsförmig eingebracht. Der Prozessschritt Gewindeformen entfällt also, was die Taktzeit deutlich reduziert. Eine spezielle Profilierung am Schaft des Verbindungselements sorgt für hohe Haftung. Im letzten Schritt wird der Bolzen nochmals gedreht, dadurch verriegelt und die Verbindungsqualität damit zusätzlich verbessert. Wo niedrige Taktzeiten gefordert und die Ansprüche an die Haltbarkeit von Verbindungen nicht so hoch sind wie bei crashrelevanten Bauteilen, ist diese Verbindungsart ideal. Übrigens eignet sie sich auch als Fixierverfahren von geklebten Blechen, um so die maximale Verbindungsstabilität zu erreichen. Je nach Material, Anzahl der verbundenen Bleche und der nötigen Festigkeit kann ein maximales Blechpaket von 6 mm verarbeitet werden. Zum Einbringen beider Verbindungselemente (mit oder ohne Gewinde) können Anwender das gleiche Equipment einsetzen, was zusätzlich Kosten sparen kann.

Aluminium schweissen

Nach wie vor gibt es Anwendungen, bei denen Schweissen die ideale Lösung für einen automatisierten Verbindungsprozess bleibt, beispielsweise wenn die Materialpakete für die beschriebenen Fügevarianten zu dick werden und oder wenn die Stahlbleche eine gewisse Härte überschreiten. Soll dabei aber dennoch Aluminium mit Tiefziehstählen oder formgehärtetem, martensitischem Stahl verbunden werden, setzen die Verbindungsexperten mit ihrer Technologie Flexweld auf Widerstandselementschweissen (WES). Dabei werden bereits in der Produktion metallische Widerstandsschweisselemente in das Aluminiumblech eingebracht. Somit lassen sich die Bleche mit Stahlblechen über klassische Punktschweissverfahren in bestehenden Produktionssystemen verbinden.

Das Verfahren entstand im Zuge eines Industrieprojektes. Dabei haben die Verbindungsexperten die Geometrie der WES-Elemente festgelegt, den Prozess des Einstanzens mit gleichzeitigem mechanischen Verankern im Blech entwickelt und patentiert sowie die komplette Zuführungs- und Verarbeitungstechnik geplant und gebaut, die für eine automatisierte Verarbeitung der WES-Elemente benötigt wird. Eine besondere Herausforderung war dabei, dass die Setzwerkzeuge sehr filigran und klein sein müssen, um eine gute Zugänglichkeit zu den Verbaustellen zu gewährleisten.