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Schraubentechnologie Effizienzsteigerung durch konsequenten Leichtbau

| Redakteur: M.A. Bernhard Richter

Leichtbau ist das Zusammenspiel von Komponente, Design und Werkstoff. Komplexität reduzieren, Bauteile einfacher gestalten. Und das beginnt oft schon mit der Schraube.

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Der Blue-Fastening-Ansatz zeigt, wie die Verbindungstechnik die Anforderungen der Automobilindustrie nach Gewichtsreduzierung und Qualitätssteigerung unterstützen kann.
Der Blue-Fastening-Ansatz zeigt, wie die Verbindungstechnik die Anforderungen der Automobilindustrie nach Gewichtsreduzierung und Qualitätssteigerung unterstützen kann.
(Bild: Strung out / ienjoysushi / BY-SA 2.0)

Für Arnold Umformtechnik liegt ein Fokus im Bereich der Mobilität. Entsprechend orientiert sich das Forchtenberger Unternehmen an den Entwicklungen der Automobil- und Zulieferindustrie und bietet Lösungen aus dem Bereich der Verbindungstechnik. „Für die Fahrzeughersteller sind Leichtbau, Elektrifizierung und Effizienzsteigerung wichtige Stoßrichtungen. Ziel ist dabei letztendlich immer die CO2-Reduzierung. Entsprechend müssen unsere Lösungen auch leicht und effizient sein“, erklärt Thomas Jakob, Leiter Anwendungstechnik bei Arnold.

Mit dem Blue-Fastening-Ansatz reagiert das Unternehmen auf die Anforderungen der Kunden – über alle Schritte der Wertschöpfungskette hinweg. Der Ansatz zeigt, wie die Verbindungstechnik die Anforderungen der Automobilindustrie und deren Zulieferer nach Gewichtsreduzierung und Qualitätssteigerung unterstützen kann. Blue Fastening ist dabei als produktübergreifendes Konzept zu verstehen. Um dies umzusetzen, stehen unternehmenseigene Module bereit, zum Beispiel das Beratungskonzept Fasteneering für die Auslegung einer Verbindungslösung. Auch die Bauraumoptimierung ist dabei für Thomas Jakob ein wichtiger Ansatz für mehr Effizienz.

Lösungen für unterschiedliche Probleme

„Wenn der Kunde also mit einer Idee zu uns kommt, analysieren wir die angedachte Verbindungslösung durch eine komplexe Berechnung. So werden z. B. die Scherfestigkeiten des Schrauben- und Mutterngewindes ermittelt und durch die Auswahl der Kopfgeometrie die Übertragung des erforderlichen Drehmomentes sichergestellt, wobei auch die zulässigen Grenzflächenpressungen des Klemmteiles unter dem Schraubenkopf beachtet werden. Anschließend erstellen wir einen Konzeptvorschlag für die Umsetzung. Dazu gehört eine Einschraubtiefenoptimierung und, wenn möglich, eine Reduktion des Schraubenkopfvolumens. Durch diese Vorgehensweise stellen wir eine belastungsgerechte Konstruktion sicher, vermeiden aber auch Oversizing“, beschreibt Jakob die Vorgehensweise. Der Einsatz von tragfähigkeitsoptimierten gewindefurchenden und fließlochformenden Schrauben sei dabei meist die nachhaltigere Lösung – auch mit Blick auf eine Prozesskostenoptimierung. „Durch den Einsatz von ge­windefurchenden Taptite-2000-Schrauben in GD-Al entfällt ein Bohren und Gewindeschneiden und durch Einsatz von fließlochformenden Flowform-Schrauben kann das Vorlochen und Gewindeschneiden in Blechen entfallen“, nennt Jakob Beispiele.

Durch eine veränderte Kopfgeometrie konnte eine Gewichtseinsparung von 14 % erreicht werden.
Durch eine veränderte Kopfgeometrie konnte eine Gewichtseinsparung von 14 % erreicht werden.
(Bild: Arnold Umformtechnik)

Ein weiterer Ansatzpunkt für Einsparungen ist die Nutzung innovativer Werkstoffe und Technologien. So eignen sich laut Jakob beispielsweise ENAW 6056-Aluminiumschrauben für das Fügen von Leichtmetallen wie Aluminium oder Magnesium. Und bei Magnesium-Legierungen ist optional der Einsatz gewindefurchender TT2000-EN AW 7075 möglich.

Im Kunststoffbereich ist die Direktverschraubung mit Remform eine kostengünstige und effiziente Wahl für das Fügen von Thermoplasten. Eine Kunststoffverbindung mit voller Tragfähigkeit wird hingegen durch APT-Al-Buchsen erreicht, die mit Taptite 2000 verschraubt werden.

Natürlich spielten auch Themen wie Korrosion und Gewichtsoptimierung dabei eine Rolle. Ziel der Berechnung sei es jedoch neben einer passgenauen und verlässlichen Verbindung immer, Schraubengewichte und Platz einzusparen.

Einsparpotenziale von Beginn an

Das Konzept Blue Fastening wird bei Arnold seit längerem umgesetzt. Dazu gehört auch die Ausschöpfung von Entwicklungspotenzial sowie die Beratung zu einem sehr frühen Zeitpunkt. Bereits bei der ersten Idee für ein Verbindungsdesign wird deshalb mit einer systematischen Analyse der Verbindungsaufgabe begonnen und hinterfragt, wo Einsparpotenzial vorhanden ist. Kann zum Beispiel eine kleinere Schraube eingesetzt werden? Oder lässt sich der Bauraum verringern?

„Bei einem Projekt aus dem Motorenbereich sollte eine Flansch-Hülse auf einer rotierenden Welle fixiert werden. Geplant war dabei eine Dehnschraube M10 – eine teure Lösung, da aufwendig spanend nachbearbeitet werden muss. Nach einer genauen Analyse der Verbindungsstelle und einer Berechnung konnte die Verschraubung optimiert werden, sodass eine M9-Schraube eingesetzt werden konnte, die letztendlich auch 9 mm kürzer war. Das heißt: Es wurde eine deutlich preisgünstigere Lösung entwickelt, da die Schraube über Standardprozesse hergestellt werden kann. Den Kunden hat die Lösung überzeugt und so haben wir den Auftrag für die Fertigung erhalten“, so Jakob stolz.

Der Unterschied ist pro Schraube marginal, in der Masse ist die Einsparung aber deutlich spürbar.
Der Unterschied ist pro Schraube marginal, in der Masse ist die Einsparung aber deutlich spürbar.
(Bild: Arnold Umformtechnik)

Wenn bisher im Standardprozess beispielsweise eine Verbindungslösung Schraube-Scheibe-Messinginsert (in Kunststoff eingebettet) realisiert wurde, so kann eine Kunststoffdirektverschraubung die Komplexität reduzieren. Auch der Einsatz alternativer Werkstoffe unterstützt die Nachhaltigkeit. Stahl kann durch Aluminium ersetzt werden. Auch eine nachhaltige Programmpolitik, bei der anstatt einer großen Teilevielfalt ein abgespecktes Programm genutzt wird, trägt zu ressourcenschonenden Prozessen bei. Weiterhin ist eine Herstellung nicht mit spanabhebenden Verfahren, sondern mittels Kaltumformung vorteilhaft. (br)

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