Fügetechnik Alternative Verbindungstechnik mit hoher elektrischer Leitfähigkeit

Redakteur: Brigitte Michel

In einer Untersuchung weist die TU Dresden die elektrische Leitfähigkeit von Clinch-Verbindungen nach und bestätigt dem Blechverbindungsverfahren Tox-Rund-Punkt „die mit Abstand beste elektrische Leitfähigkeit“ im Vergleich mit anderen mechanischen Fügeverfahren.

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Roboterzange in anschlussfertiger Komplettausrüstung.
Roboterzange in anschlussfertiger Komplettausrüstung.
(Bild: Tox)

Die hervorragende elektrische Leitfähigkeit der Tox-Rund-Punkte und SKB-Punkte zum Verbinden von Blechen aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen gleicher oder verschiedener Dicken wurde in einem umfangreichen Test der Technischen Universität Dresden nachgewiesen. Die Untersuchung zum Thema „Elektrisches Eigenschaftsprofil umformtechnischer Fügeverbindungen" führte das Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik gemeinsam mit dem Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik durch. An den im Vorfeld vom Arbeitskreis „Fügen“ durchgeführten Sitzungen nahmen führende Vertreter der Automobilindustrie und deren Zulieferer sowie mehrere Hersteller von Füge- und Verbindungstechnik-Produkten teil. Dabei wurden unter anderem ein Anforderungsprofil und ein Versuchsplan entwickelt, wobei der Versuchsplan in der praktischen Durchführung dann in vollem Umfang zur Anwendung kam. Grundsätzlich unterschied man zwischen dem mechanischen Verbinden, wie Druckfügen/Clinchen, der Bauteil-Anbindung, wie Setzen von Bolzen, Setzmuttern und dem mechanischen Verbinden mit Bauteil-Anbindung, wie mit Stanzmuttern. Es floss die mechanische Festigkeit (Abscher-, Zug- und Abdrehfestigkeit) genauso ein, wie die bis dahin geringe bis gar nicht vorhandene Forderung an die elektrischen Eigenschaften solcher Verbindungen. Der praktische Hintergrund ist der, dass sich die Suche nach energie- und materialsparenden Füge- und Verbindungslösungen nunmehr auf elektrische Bauteile und Baugruppen ausweitet. Gerade um von den zusätzlichen, material- und energieintensiven Verfahren wie Punktschweißen, Löten oder Laserschweißen wegzukommen und neuen, wirtschaftlicheren Fertigungsprozessen Raum zu geben.

Gute Leitfähigkeit des Rund-Punktes

Das Projektziel „Untersuchen der bekannten Fügeverfahren hinsichtlich elektrotechnischer Anwendungen“ bezog zum einen die elektrischen Eigenschaften, und zum anderen auch die Bewertung des Langzeitverhaltens (Qualifizieren/Optimieren) mit ein. Dies vor allem deshalb, weil die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der jeweiligen Verbindung den Anforderungen im Langzeiteinsatz genügen müssen. Untersucht wurden Verbindungen ohne und mit Verbindungselementen wie beispielsweise der Clinchpunkt, der Halbhohlstanzniet und der Vollstanzniet. Ferner wurden Verbindungen mit Funktionselementen wie die Blindnietmutter und die Blindnietschraube sowie Schraubverbindungen getestet. Durchgeführt wurden die Versuche mit den Blechwerkstoffen AlMg0,8Si0,9 (Al) und DX54 + Z140.

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Die Auswertung erbrachte bei den mechanischen Untersuchungen den Nachweis, dass der Stand der Technik gegeben ist und die Verbindungssysteme die mechanischen Anforderungen erfüllen. Bei den elektrischen Untersuchungen stellte man fest, dass geclinchte Verbindungen auch die Anforderungen der Elektrotechnik (Gütefaktor ku < 1,5) erfüllen. Damit ist erwiesen, dass der getestete Tox-Rund-Punkt energietechnisch eine herausragende Verbindung bietet, auch dauerhaft unter thermischer und mechanischer Last sowie unter Strom. Schliffbilder zeigen die metallischen Mikrokontakte, die sich bei massiver Kaltumformung zwischen den Werkstücken ausbilden und die der Grund für die gute Leitfähigkeit sind. Weiter geforscht wird insbesondere an Aluminium-Kupfer-Bimetallverbindungen, bei denen die üblichen Verfahren bisher an Grenzen stoßen. Erste Versuche deuten beim Clinchen wiederum auf eine besonders gute Leitfähigkeit des Tox-Punktes hin.

Mit dem Nachweis guter elektrischer Leitfähigkeit der Rund-Punkt-Verbindungen eröffnen sich nun den Herstellern elektrischer, elektronischer und mechatronischer Baugruppen völlig neue Produktions- und Montagestrategien. Wurden bis dato mit dem Rund-Punkt durchaus schon Schalt- und Kontaktelemente in elektrischen Bauteilen und Baugruppen verbunden, so sind nun weitere Anwendungen in den genannten Bereichen Elektrotechnik, Elektronik und Mechatronik möglich. Damit können die Produzenten und deren Zulieferer Effizienz- und Wirtschaftlichkeits-Potenziale ausschöpfen, die weit über solche Wettbewerbsfähigkeits-Faktoren wie das Einsparen von Material- und Betriebskosten hinausgehen. Zu nennen wären beispielsweise das Vermeiden von hohen Investitionen in Löt-, Schweiß- und Laserschweißmaschinen, und auch der damit verbundenen hohen Betriebs- und Wartungskosten. Des Weiteren gilt es mehr denn je den Aspekt der Produktions- und Montage-Automatisierung zu beachten, die bei den genannten konventionellen Verbindungsverfahren ebenfalls einen hohen technischen und damit finanziellen Aufwand erfordert.

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