Böllhoff-Forschungsleiter Dr.-Ing. Gerson Meschut sieht wachsenden Bedarf für mechanische Fügetechniken

„Bei CFK-Strukturen kombinieren wir mechanisches Fügen mit dem Kleben“

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Es gibt wohl keinen Automobilhersteller, der nicht regelmäßig Kontakt zur Böllhoff-Gruppe hat in Sachen Fügetechnik. Wohin derzeit die Trends in der automobilen Verbindungstechnik weisen, erläutert Böllhoff-F&E-Leiter Dr. Gerson Meschut.

Wo liegen augenblicklich die fügetechnischen Trends im Automobilbau?

Die Trends werden stets bestimmt durch die verwendeten Werkstoffe, Bauweisen und steigenden Anforderungen an die Produktivität. In diesem Spannungsfeld wächst die Nachfrage nach Fügeverfahren, die den Fertigungsplaner möglichst flexibel machen. Die Gründe dafür liegen in der steigenden Variantenvielfalt und der global koordinierten Kapazitätsplanung der automobilen OEM. Über ihre Fertigungslinien lassen sie eine immer größere Anzahl unterschiedlicher Modelle produzieren. Darum werden künftig bevorzugt Fügeverfahren zum Einsatz kommen, die unterschiedliche Materialkombinationen miteinander verbinden können.
Welche Fügeverfahren gewinnen an Bedeutung, welche verlieren an Boden?
Das höchste Leichtbaupotenzial wird bekanntlich durch eine intelligente Mischbauweise in der Fahrzeugkarosserie erschlossen. Neben hochfesten Stählen erlangen daher Aluminium-Werkstoffe und auch faserverstärkte Kunststoffe an Bedeutung. Während beim metallischen Materialmix noch thermische Fügeverfahren wie das Schweiß-Löten von Aluminium-Stahl-Verbindungen oder das Widerstandselementeschweißen denkbar sind, werden insbesondere für die Verbindung von Faserverbundkunststoffen mit Stahl oder Aluminium in der Regel mechanische Fügetechniken in Kombination mit dem Kleben eingesetzt. Und dies gilt auch für die Aluminium-Stahl-Mischbauweise.
Welche Rolle spielen die Entwicklungsanstrengungen zur E-Mobilität dafür ?
Das hohe Batteriegewicht in Elektrofahrzeugen macht weitere Leichtbauanstrengungen nötig, um akzeptable Nutzungsdauern und Reichweiten zu erzielen. Die ersten Serien-E-Mobile, wie das BMW Megacity Vehicle, belegen diesen Trend. BMW kombiniert eine extrem leichte Carbon-Oberstruktur mit einer Aluminium-Unterstruktur. Ein weiteres Leichtbaukonzept in extremer Mischbauweise realisiert das Edag-Light-Car, an dem Böllhoff mit der neuen Hochgeschwindigkeits-Fügetechnik Rivtac beteiligt war. In der Fahrzeugstruktur wurden 400 Rivtac-Bolzen gesetzt.
Gibt es „den“ großen Wurf bei neuen mechanischen Fügetechnologien?
Beim Einzug der Mischbauweise in automobile Großserien kommen neben den klassischen thermischen Verfahren insbesondere die Blechfügetechnologien Stanznieten und Clinchen sowie bei einseitiger Zugänglichkeit das Direktverschrauben zum Einsatz. Darüber hinaus gibt es neuere Entwicklungen wie das Rivtac-Verfahren, bei dem ein nagelförmiges Fügeelement unter hoher Geschwindigkeit bei einseitiger Zugänglichkeit der Verbindungsstelle vorlochfrei in die Materialien eingetrieben wird. Es führt zu einer unlösbaren, hochfesten Strukturverbindung. Sowohl hochfeste Metalle lassen sich verbinden als auch Kunststoffe mit Metallen.
Woher bezieht der nagelförmige Bolzen die hohe Auszugsfestigkeit?
Bei sachgerechter Ausführung formt das Element einen stabilen Durchzug insbesondere in dem unteren Fügepartner. Das verdrängte Material fließt je nach Fließfähigkeit zum Teil in die spezielle Rändelstruktur im Elementschaft hinein, wodurch Formschluss entsteht. Zusätzlich führt der elastische Druckeigenspannungsanteil, der in der Fügezone dauerhaft verbleibt, zu radialen Haltekräften, also Kraftschluss. Bei einigen Materialkombinationen wurden durch die verformungsbedingten, lokalen Temperaturerhöhungen zusätzlich Verschweißungseffekte nachgewiesen.
Können Sie noch weitere neue Verfahren nennen?
Ja, zum Beispiel das Reibelementeschweißen: Ein Fügeelement dringt unter hoher Rotation und Anpressdruck durch die obere Aluminiumlage hindurch und erzeugt auf der darunter liegenden, hochfesten Stahllage eine Reibschweißverbindung mit dem Blech. Dies führt zu hochfesten Aluminium-Stahl-Verbindungen, wenn zum Beispiel in der unteren Lage pressgehärtete Stähle mit Streckgrenzen über 1500 MPa eingesetzt werden.
Eine weitere Variante ist das Widerstandselementeschweißen. Bei diesem Verfahren wird ein Fügeelement in der oberen Lage eingepresst und im zweiten Prozessschritt im darunter liegenden, hochfesten Stahlblech konventionell widerstandsverschweißt. Bei der oberen Lage kann es sich um einen faserverstärkten Kunststoff oder ein Aluminiumblech handeln.
Haben solche Entwicklungen eine Chance in neuen automobilen Serien?
Sämtliche der zuvor genannten Technologien befinden sich bei unterschiedlichen Automobilherstellern in der Serienreifmachungsphase. Sie werden Verwendung finden bei zukünftigen Modellen.
Welche Rolle spielt das Kleben?
Das Kleben im Karosserierohbau dichtet nicht nur den Fügespalt ab, sondern steigert auch die Steifigkeit und somit den Fahrkomfort, wenn hochfeste Strukturklebstoffe zum Einsatz kommen. Vor allem die Crash-Performance und der passive Insassenschutz erhöhen sich damit signifikant. Daher wird das Kleben heute in nahezu allen Karosserien auch bei artgleicher Werkstoffkombination verwendet.
Welche Funktionen erfüllt das Kleben bei Mischbauweisen?
Bei elektrochemisch unverträglichen Werkstoffen isoliert die Klebschicht die Verbindungspartner, bei faserverstärkten Kunststoffen führt die flächige Krafteinleitung zu einer werkstoffgerechten Verbindung. Bisheriger Nachteil der Klebtechnik ist die Aushärtedauer. Mechanische Fügeelemente können die Vorfixierung übernehmen und – ebenso wie Schweißpunkte – eingeleitete Risse stoppen, zum Beispiel im Crash-Fall, oder Verbindungen gegen vorzeitiges Versagen absichern. Mit zunehmender Erfahrung bei Strukturklebungen wird ihre Anzahl allerdings sinken.
Wird sich bei Faserverbundkonstruktionen wie CFK oder GFK das reine Kleben durchsetzen?
Faserverbundkonstruktionen begünstigen das Kleben, da sie mit ihrer duromeren oder thermoplastischen Matrix ja einen in sich geklebten Verbund darstellen. Das Lochen dieser Werkstoffe und die damit meist verbundene Unterbrechung der Faserstruktur schwächt den Verbund, so dass auf möglichst wenige Verbindungselemente zurückgegriffen wird, um die Struktur zu fixieren oder abzusichern. Gleichzeitig bieten diese Werkstoffe auch die Möglichkeit für neue Technologien.
An welche neuen Technologien denken Sie?
Eine aus dem Hause Böllhoff entwickelte Technologie ist das Onsert-System, bei dem ein Gewindebolzen mit lichtaushärtenden Acrylaten auf die CFK-Oberfläche geklebt wird. Dazu besitzt er einen transparenten Kunststofffuß. Die LED-Aushärtung erzielt sehr kurze Taktzeiten von wenigen Sekunden. Gemeinsam mit unserem Klebstoff-Partner Delo stellen wir damit eine Technologie zur Verfügung, die dem Bolzenschweißen sehr nahe kommt und ebenso voll automatisierbar ist.
Ein weiteres Feld betrifft die selbstlochenden Verfahren, um CFK mit Aluminium- oder Stahlblechen zu verbinden, aber auch um CFK-CFK-Verbindungen herzustellen. Diese Verfahren sind nötig, um die Fügepartner lokal zu fixieren, bis der Klebstoff ausreichend ausgehärtet ist, damit sich eine optimale Verbindung einstellt.
Arbeitet Böllhoff auch an Fügetechniken speziell für Faserverbundstrukturen?
Die modernen Mischbauweisen wie auch die Elektromobilität führen zu vielen neuen Anwendungsmöglichkeiten für das mechanische Fügen, auch in Kombination mit dem Kleben. Die Herausforderungen sind dabei deren Ausweitung auf mittlere bis große Fahrzeugserien, stark verkürzte Entwicklungszeiträume, außerdem die notwendigerweise kurzen Prozesszeiten und eine hohe Verfügbarkeit der dafür eingesetzten neuen Technologien an unterschiedlichen Produktionsstandorten. Denn zunehmend läuft die Produktion neuer Fahrzeugmodelle in verschiedenen internationalen Werken gleichzeitig an. All dies zu gewährleisten, wird zukünftig Unternehmen vorbehalten sein, die angemessen international aufgestellt sind und die parallelen Anläufe der OEM durch hoch qualifiziertes Service- und Schulungspersonal unterstützen können.
Wie ist Böllhoff darauf vorbereitet?
Das Haus Böllhoff ist sowohl mit neuen Technologien als auch einer stark international ausgerichteten Struktur mit Vertretungen an allen wesentlichen automobilen Produktionsstandorten bestens auf die kommenden Herausforderungen vorbereitet.
Ein Übersichsbeitrag zu Neuheiten in der mechanischen Fügetechnik erschien in Industrieanzeiger-Ausgabe Nr. 8
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