Blechverbindungen. Montagetechniken und Verbindungselemente

Arnold Umformtechnik Verbindungselemente
Foto: Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG

Wie entstehen Trends in der Montagetechnik? Welche Folgen hat zum Beispiel die Erfindung eines neuen Kunststoffs oder die Entscheidung diesen Stoff für ein Bauteil zu verwenden? Die ganze Wertschöpfungskette reagiert sensibel auf solche Ereignisse. Dadurch entstehen schnell neue Nachfragen.

Die Leichtbau-Konzepte in der Automobilindustrie haben Sandwich-Kombinationen auf Polymer-basis, Hybrid- und Mischverbindungen gefordert. Die dadurch entstandenen Montageaufgaben entwickelten sich zu Montagetechniken mit neuen Verbindungselementen und Werkzeugen. Dabei geht es dem Hersteller nicht nur um das Gewicht, sondern auch um möglichst kurze Taktzeiten an der Produktionslinie. Die Zulieferer reagierten auf diese Anforderungen bereits vor Jahren mit der Erarbeitung mehrerer Fügeverfahren.

In diesem Artikel beschäftigen wir uns zunächst mit Blechverbindungen.

Fließloch- und gewindeformende Schrauben

Für die Blechverbindungen nutzt die Industrie seit einiger Zeit gewindeformende Schrauben, und löste so das Problem der einseitigen Zugänglichkeit. Führende Schraubenhersteller arbeiten mit Hochdruck daran, diese Verbindungselemente ständig zu verbessern.

Um die Teile ohne Vorlochung zu verbinden und so kostbare Zeit zu sparen, wurde die früher be­reits bekannte Technologie des Fließbohrens weiterentwickelt.
Das Grundprinzip basiert auf schneller Drehung und starkem Druck, durch die sich das Material er­wärmt. Hohe Temperatur bringt den Werkstoff in einen plastischen Zustand. Dank des Durchzuges, der sich unterhalb des Bleches ausformt, bekommt die Schraube mehr Gewindetraganteil.
Zwei denkbare Ansätze für diese Entwicklungsarbeit sind die Geometrie der Schraube und das Schraubverfahren. Als Beispiel haben wir die Produkte zweier renommierter Hersteller in diesem Bereich unter die Lupe genommen: Flowform® von Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG und FDS® von EJOT Holding GmbH & Co. KG.

Die FDS® wurde Ende der 1980 Jahre entwickelt, die Flowform® kam ein paar Jahre später auf den Markt. Die trilobulare Spitzengeometrie der Fließloch- und gewindeformenden Schraube Flowform® oder die Geometrie der FDS®-Spitze helfen bei der Erwärmung des Bleches innerhalb des Schraubprozesses und Entstehung eines Fließlochs. Im gleichen Arbeitsgang wird auch das Gewinde gefurcht. Das durch Reibung erwärmte Blech übernimmt die Konturen der Schraube, und verbessert dadurch die Qualität der Verbindung.

Montagetechniken für Blechverbindung
Foto: EJOT GmbH & Co. KG

Schnelles Durchdringen ohne Spanbildung, gute Verbindungseigenschaften und geringe Bauteilde-formation machen diese Produkte attraktiv für unterschiedliche Montageaufgaben. So wenden Daimler und BMW Flowform® im Karosserierohbau an. Die FDS®-Schraube wird in der Montage von Audi an vielen Schraubstellen verwendet (zum Beispiel beim Fügen von Aluminium-Strang-Pressprofilen).
Ein weiteres Plus dieser einseitigen Direktverbindung, ist die Möglichkeit eine metrische Schraube als Ersatz in einem Reparaturfall anzuwenden.

Bezugnehmend auf Layout-Unterschiede und Anwendung der beiden Produkte, kann man folgendes zusammenfassen:

Beide Produzenten nutzen ähnliche Form und gleiches Material für die Herstellung der Schrauben (Einsatzstahl, einsatzgehärtet nach DIN EN 10263-3).
Jedoch besitzen diese Produkte eine unterschiedliche Geometrie an der Spitze, was bedeutet, dass man unterschiedliche Schraubparameter wählen sollte. So wirkt, laut Angaben der Experten, die Form der Schraubenspitze auf die fürs Durchdringen notwendige Kraft /das Drehmoment. Diese Faktoren können je nach Anwendung eine Rolle spielen. Im Übrigen können beide Produkte zu gleichen Zwecken angewendet werden.
Das Direktverschrauben ist ein sehr schnelles Verfahren (ca. 3 Sekunden pro Schraube) und zudem sehr sicher. Bei der Realisierung mancher Verbindungen würde man ungern darauf verzichten wollen. Trotzdem gibt es Montageaufgaben, bei denen die Geschwindigkeit Priorität hat. Um noch schneller zu werden, bleibt wohl nur eines – auf die Gewinde zu verzichten.

Das Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen

Bei diesem Verfahren geht es um eine nicht lösbare Verbindung.
Für die Technologie ist RIVTAC® von Böllhoff gut bekannt. Misch-, Mehrlagen- und Hybridver­bindungen, Stahl, Aluminium, Kombination aus Kunststoffen – sind einige der Anwendungsbei­spiele. Wie der Name des Prozesses schon sagt, basiert das Prinzip auf hoher Geschwindigkeit beim Ein­treiben der Bolzen. Weniger als eine Sekunde braucht das Setzwerkzeug um den Bolzen einzutreiben.

Schnelle Temperatursteigerung führt zu Anpassung des Fügestoffes an die Bolzenform, und sorgt für einen optimalen Formschluss. Ein Kraftschluss entsteht durch Stauchung des Werkstoffs. Beson­ders vorteilhaft erweist sich dieses Verfahren bei hoch festen Stählen.
Auf die Frage, ob mit dieser Methode die Festigkeit einer Schraubverbindung erreicht werden kann, antworten die Experten von Böllhoff mit einem Anwendungsbeispiel aus der eigenen Praxis. Bei der Mercedes-Benz C-Klasse Limousine und dem Mercedes-Benz C-Klasse T-Modell wird RIVTAC zum Verbinden des Aluminiumheckbodens und Heckrahmen angewendet. Je nach Modell sorgen 60 bis 80 Setzbolzen, pro Fahrzeug, für eine schnelle und feste Verbindung.

Andere Fügemethoden

Mit dem Produkt Flowpush® hat die Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG gute Ergebnisse er­zielt. Trotzdem empfiehlt der Hersteller bei crash-relevanten Verbindungen auf die Produkte mit Gewinde auszuweichen (z.B. Flowform®). Denn mit Flowform® kann eine höhere Verbin­dungsqualität erreicht werden. Ist das Klemmteil vorgelocht, kann Flowform®, dank angebrachtem Gewinde, eine definierte Vorspannkraft zwischen zwei Bauteilen erzielen.

Arnold. Blechverbindung einseitig
Foto: Arnold Umformtechnik GmbH & Co KG

Flowpush® dagegen ist ein fließlochformender Einpressbolzen. Ähnlich der fließloch- und gewin­deformenden Schraube, hat das Verbindungselement eine Spitze, die das Durchdringen bis zur Kopfauflage gewährleistet. Eine axiale, impulsartige Bewegung lässt dabei das Gewindefurchen komplett aus. Diese wird an der Stelle auch nicht gebraucht, denn eben der Ausfall dieses Schrittes bringt die gewünschte Zeitersparnis. Eine zusätzliche Drehung des Verbindungselementes am Ende sorgt für eine Verriegelung und Festigkeitssteigerung der Verbindung.

Am Schaft vom Flowpush® sind in sich geschlossene Rändel nacheinander angeordnet. Diese un­terscheiden sich durch ihre Art der Anordnung. Das erste Rändel verläuft horizontal, das darauffol­gende ist schräg versetzt angeordnet und so weiter. Durch eine zusätzliche Drehung nach dem Setzvorgang bewirkt diese Profilierung eine Verklemmung im Verbund und steigert die Verbindungsfestigkeit.

Flowpush® wird dort eingesetzt, wo geringe Taktzeiten benötigt werden und ein Fixierverfahren ausreicht. Das sind vorzugsweise miteinander verklebte Bleche ohne Vorlochung, die bis zum Aus­härten des Klebers fixiert werden müssen. Eine hohe Festigkeit ist hier ebenfalls gegeben. Diese entsteht jedoch hauptsächlich über die Klebeverbindung. Zudem unterscheidet sich die Profiltiefe im Vergleich zu Flowform®. Bei Flowform® fließt der Werkstoff des Muttergewindes bis auf den Schraubenkern, und sorgt hier für eine 100%ige Gewindeüberdeckung. Bei Flowpush® ist aufgrund der kleineren Abmessung und der geringeren Profiltiefe weniger Material im Hinterschnitt vorhan­den, was somit auch zu geringerer Festigkeit im Verbund führt.
Für den Einsatz von Flowpush® und Flowform® kann dasselbe Fügeequipment verwendet wer­den.

Schraubtechnik und Setzwerkzeuge

Schraubwerkzeuge für Direktverschraubung

Sind die passenden Verfahren und Verbindungselemente festgelegt, stehen die Planer vor der Aufga­be den Montageprozess zu entwickeln und realisieren. Nun sollten auch die Schraub- bzw. Setz­werkzeuge ausgewählt werden. Ursprünglich kamen meistens Motorspindel (max. 7000 U/min) mit einem Druckluftzylinder von max. 3,5 kN. zum Einsatz. Heute gibt es unterschiedliche Systeme, bei denen die Kraft entweder per Druckluft oder mit Hilfe eines Servomotors aufgebaut wird. Ein sehr wichtiger Punkt ist dabei die Erstellung eines passendes Schraubprogramms für jeden un­terschiedlichen Fügepunkt (unterschiedliche Blechdicke). Aktuell gibt es jedoch auch intelligente Schraubprogramme die Bauteildickenschwankungen erkennen und die Fügekraft anpassen können. Ziel ist es, das Blech mit hoher Drehzahl und hoher Axialkraft zu durchdringen. Solche Spindeln liefern viele renommierte Hersteller. Die Auswahl hängt in der Regel von der Freigabe des Endkunden ab.

Setzwerkzeuge für Bolzen

Böllhoff bietet für RIVTAC® eigene Setzwerkzeuge. Es handelt sich dabei um eine Maschine mit pneumatischem Antrieb mit Treiberkolben und elastischem, internem Anschlag. Mehr über Schraub- und Setzwerkzeuge finden Sie in unserem nächsten Artikel zu diesem Thema.

Unsere Redaktion bedankt sich bei den Firmen  Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG, EJOT Holding GmbH & Co. KG, Wilhelm Böllhoff GmbH & Co. KG und Weber Schraubautomaten GmbH für die professionellen freundlichen Fachgespräche bei Erstellung dieses Artikels.

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