Schrauben Alternative Verbindungslösungen für die automatisierte Automobilfertigung

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Da die Automobilindustrie vermehrt auf einen Materialmix aus Aluminium und höherfesten Stählen setzt, bedarf es anstelle herkömmlicher Schweißverfahren neue automatisierbare Verbindungslösungen.

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Für den Leichtbau durch Multimaterialmix hat Arnold die automatisierbaren Verbindungstechniken Flowform, Flowpush und Flexweld entwickelt.
Für den Leichtbau durch Multimaterialmix hat Arnold die automatisierbaren Verbindungstechniken Flowform, Flowpush und Flexweld entwickelt.
(Bild: Blaz Kure / Arnold Umformtechnik)

Wer an Fertigungslinien der Automobilindustrie denkt, hat sofort auch das Bild von Schweißrobotern im Kopf. Um für mehr Nachhaltigkeit Gewicht am Fahrzeug einzusparen, wird heute jedoch, wo es möglich ist Aluminium verbaut. Da dies aber bei crashrelevanten Bauteilen des Fahrzeuges meist nicht die notwendige Festigkeit bringt, kombiniert man Aluminium mit höherfesten Stählen. 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 genau unter die Lupe genommen und dann für den jeweiligen Anwendungsfall passende Lösungen entwickelt.

Direktverschraubung ohne Vorloch

Für komplexe Baugruppen, die nur von einer Seite zugänglich sind, deren Verbindung aber eine hohe Festigkeit benötigen, wurde Flowform entwickelt. Das Verfahren basiert auf dem sogenannten Fließlochformen: Eine spezielle Schraube wird auf das zu verbindende Material aufgedrückt und gleichzeitig rotiert (Bild 1). 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 optimal an. Montagezeiten zwischen zwei und vier Sekunden sind bei dieser Methode realisierbar. Dabei entstehen Verbindungen für hohe dynamische Belastungsarten. Bis zu Bauteildicken von 6 mm Aluminium und 3 mm Stahl sind keine vorbereitende Arbeitsschritte am Bauteil nötig wie beispielsweise Bohren, Stanzen, Gewindeschneiden oder Einbringen zusätzlicher Hilfsfügeelemente. Bei höherer Gesamtbauteilstärke muss das Material bis zu einer Restdicke komplett vorgebohrt werden.

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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 interessante Anwendungsgebiete. Die Technik eignet sich für hybride Verbindungen sowie für mehrlagige, höherfeste und CFK-Anwendungen (carbonfaserverstärkter Kunststoff). Spezielle Lösungen für den Kunststoffbereich entwickeln die Experten derzeit.

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 (Bild 2). 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 jedoch 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 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. Sie eignet 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 sechs Millimetern verarbeitet werden. Zum Einbringen beider Verbindungselemente (mit oder ohne Gewinde) können Anwender das gleiche Equipment einsetzen, was zusätzlich Kosten sparen kann.

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Materialschwankungen erkennen

In der Fertigungspraxis kommt es immer wieder zu Schwankungen bei der Dicke der zugeführten Materialien. Sowohl bei Flowform als auch Flowpush ist aber die Dicke der Verbundmaterialien ein relevanter Parameter für einen erfolgreichen Fügeprozess. Zu starke Abweichungen von den Vorgaben können zu Produktionsstillständen führen. Aus diesem Grund wurde zusammen mit verschiedenen Partnerfirma ein intelligentes Schraubenprogramm entwickelt. Es besteht aus spezieller Soft- und Hardware und reagiert automatisch auf solche Schwankungen, um einen fortlaufenden Produktionsprozess zu gewähren.

Aluminium über Umwege 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 (Bild 3). 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. (qui)

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