Verbinden Heißnieten erzielt hohe Festigkeit

Redakteur: Brigitte Michel

Neue Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung sollen beweisen, dass hohe Festigkeiten durch exakte Prozessführung und kontinuierliches Monitoring für Kunststoff-Mischverbindungen mit Heißnietverfahren erreichbar sind.

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Beispielvernietung mit BHS Hot Stamp.
Beispielvernietung mit BHS Hot Stamp.
(Bild: bdtronic)

Das Fügen von Kunststoffen ist nicht zuletzt aufgrund der stetig wachsenden Verbrauchszahlen von Kunststoffmaterialien ein Fokusthema für Produktentwicklungsprozesse und Fertigungslösungen. Auch werden immer neue Werkstoffe entwickelt, die den Anforderungen wie Energie- und Kosteneffizienz, Ressourcenschonung und Leichtbau gerecht werden sollen. Vor diesem Hintergrund steigt die Anzahl an Verbindungen von Mischmaterialien, sodass die Fügeprozesse wie Kleben und Kunststoffnieten deutlich an Interesse gewinnen.

Als Systemlieferant für die Automobilindustrie und Medizintechnik weiß die bdtronic, welche Anforderungen an Prozessüberwachung, Rückverfolgbarkeit und Dauerbetrieb für alle Produktionsprozesse zu erfüllen sind, um höchsten Qualitäts- und Sicherheitsansprüchen gerecht zu werden. Entsprechend werden für alle Prozesse die Anlagen robust aufgebaut, mit dem kontinuierlichen Monitoring der relevanten Prozessdaten ausgestattet, Regelfunktionen integriert und Werkzeuge kalibriert, um reproduzierbare höchste Fertigungsqualität sicherzustellen.

Aktive dynamische Temperaturregelung

Für das Heißnietverfahren bedeutet das: Überwachung, Darstellung, Analyse und Speicherbarkeit der Temperatur-, Strom-, Leistungs- und Gasflusswerte sowie die Zeit-Weg-Messung der Stempelposition. Wesentliches Merkmal ist jedoch die aktive dynamische Temperaturregelung im Millisekunden-Bereich, die unabhängig von Ausgangstemperaturen und Umgebungsbedingungen die Prozesswiederholbarkeit und Genauigkeit sicherstellt. Eine intuitive Prozesseinstellung mit der windowsbasierten Steuerungs-Software über Aktionslisten macht den Ablauf für den Bediener transparent und einfach anzupassen.

Das Heißnieten – auch Heißverstemmen oder Warmumformen genannt – ist ein form- oder stoffschlüssiges, nicht lösbares Fügeverfahren. Ein thermoplastisches Kunststoffbauteil erhält beim Spritzguss Dome, der Fügepartner wird auf die Dome aufgesteckt, über Energieeinkopplung werden diese geschmolzen und dann mit einem Stempel umgeformt.

Die Vorteile sind:

- keine Verbrauchsmaterialien wie Schrauben benötigt

– das spart Kosten und Logistikaufwand

- es bilden sich keine Späne wie bei Kunststoff-Schraubverbindungen – das hält den Prozess sauber

- Fügen unterschiedlichster Materialpaarung ist möglich. Ein Fügepartner ist ein Thermoplast, der zweite ist frei wählbar.

Für jede Verbindungstechnologie gibt es relevante Normen zu Maßen und Kräften, die dem Konstrukteur helfen, sein Bauteil zu entwerfen. Sei es die Größe der Schrauben, die Breite der Klebstoffraupe oder die Anzahl der Nietpunkte: das Bauteil muss bestimmte Kräfte und Umwelteinflüsse überleben.

Die bestehende Normenlage zu Kunststoffnietverfahren bietet keine ausreichende Grundlage mehr und so kursieren vielfältige eigenentwickelte Richtlinien. Darüber hinaus sagt ein Materialdatenblatt nicht, in welchem Temperaturbereich das Heißvernieten durchzuführen ist.

Das hat die bdtronic veranlasst, gemeinsam mit einem namhaften Hersteller von Engineering Plastics und der Technischen Universität Chemnitz eine Grundlagenuntersuchung durchzuführen. Ziel der Untersuchung war es, beispielhaft an den typischen bei Elektroniken zum Einsatz kommenden Werkstoffen PBT und PA66 mit Glasfaseranteilen von 30 % die optimalen Prozesswerte zu Verstemmdruck, Temperaturbereich, Nietdomgeometrie, Stempelform und Heizzeit zu finden. Mit den BHS Verfahren war es aufgrund der exakten Temperaturmessung und Temperaturregelung erstmals möglich, den Prozess und die relevanten Daten genau abzubilden, und somit reproduzierbare Prozessfenster abzuleiten, denn diese Werkstoffe gehören zur Gruppe der teilkristallinen Thermoplasten, die über sehr kleine Prozessfenster zwischen fest und flüssig verfügen

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