Kunststoffnieten Sichere und feste Verbindung mit Heißnieten

Redakteur: Brigitte Michel

Neueste Erkenntnisse aus Grundlagenforschungen beweisen: Hohe Festigkeiten sind erreichbar durch exakte Prozessführung und kontinuierliches Monitoring für Kunststoff-Mischverbindungen mit Heißnietverfahren.

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Heissnietmaschine.
Heissnietmaschine.
(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 mehr neue Materialien 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 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.

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Optimale Werte sind zu ermitteln

Für das Heißnietverfahren bedeutet das:

  • Überwachung
  • Darstellung
  • Analyse
  • Speicherbarkeit der Temperatur-, Strom-, Leistungs- und Gasflusswerte
  • 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.

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 heute keine ausreichende Grundlage mehr und so kursieren vielfältige eigenentwickelte Richtlinien. Darüber hinaus sagt ein Werkstoffdatenblatt nicht, in welchem Temperaturbereich eine Heißvernietung durchzuführen ist.

Was ist Heißnieten?

Das Heißnieten – auch Heißverstemmen oder Warmumformen genannt – ist ein form- oder stoffschlüssiges, nicht lösbares Fügeverfahren. Altbekannt und im Grunde recht simpel: 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: Es werden keine Verbrauchsmaterialien wie Schrauben benötigt – das spart Kosten und Logistikaufwand. Es bilden sich zudem keine Späne wie etwa durch Kunststoff-Schraubverbindungen – das hält den Prozess sauber. Und das Fügen unterschiedlichster Materialpaarung ist möglich. Ein Fügepartner ist ein Thermoplast, der zweite ist frei wählbar.

Das veranlasste Bdtronic, gemeinsam mit einem namhaften Hersteller von Engineering Plastics und der Professur Kunststoffe an der Technischen Universität Chemnitz eine Grundlagenuntersuchung durchzuführen. Ziel war es, an den typischen bei Elektroniken zum Einsatz kommenden Materialien 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 –regelung 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

Die Ergebnisse waren bemerkenswert

Um die bestmöglichen Gefügeeigenschaften und Abzugswerte zu erreichen, zeigten die vergleichenden Versuchsreihen, dass bei optimaler Wahl der Prozessparameter und dem Prozessverlauf, das BHS Hot Stamp Verfahren als Kontaktnietverfahren mit über 750 N für einen 3 mm-Vollniet die höchsten Abzugswerte erzielte.

Dieses Ergebnis überrascht insofern, dass Kunststoffe als schlecht leitende Materialien erfahrungsgemäß sehr homogen bis zur Umform-Temperatur erhitzt werden sollten, um ein maximales Volumen zu schmelzen und somit die optimale Gefügestruktur erreichen zu können. Hierfür wird üblicherweise das Heißluftverfahren verwendet, mit dem ein homogenes Plastifizieren des gesamten Nietdoms ermöglicht wird. Das Heißstempelverfahren erlaubt hingegen mit gängigen Prozessabläufen lediglich das Aufschmelzen und Verdrängen des Materials über die Kontaktfläche an der Nietspitze. Der entstandene Nietkopf weist so bei nicht-optimalem Ablauf Schwachstellen auf.

Dass der Prozessablauf und die richtige Wahl der Geometrie zu einer mehr als 300 %igen Festigkeitsverbesserung führen kann, zeigt, wie wichtig es ist, die Einflüsse der Prozessparameter zu verstehen und bereits in der Konstruktionsphase zu berücksichtigen.

Als Fazit konnte eine neue Konstruktionsrichtlinie abgeleitet werden, die einen optimalen Kompromiss zwischen minimaler Taktzeit und maximaler Festigkeit darstellt. Und eines sollte abschließend noch angemerkt werden: die äußere Optik gibt keine Aussage über die Festigkeit der Nietverbindung.

Die Forschung gemeinsam mit der TU Chemnitz geht bereits weiter, um weitere Werkstoffe und Einflussfaktoren zu untersuchen.

Vorteile einer neuen Konstruktionsrichtlinie beim Heißnieten

Erste Ergebnisse einer Grundlagenuntersuchungen der Bdtronic gemeinsam mit BASF und der Professur für Kunststoffe an der TU Chemnitz zum Thema Heißnieten führten zu einer neuen Konstruktionsrichtlinie.

Durch die hochgenaue Temperaturmessung und -regelung (+/- 5 °C) im Millisekundenbereich und die kontinuierliche Prozessüberwachung war es mit den Heißniettechnologien BHS Hot Stamp (Kontaktnietverfahren zum Warmumformen und Heizstempelnieten) und BHS Hot Jet (Heißluftverfahren) erstmals möglich, exakte Untersuchungen für dieses Fügeverfahren durchzuführen.

Die erste Untersuchungsreihe hatte das Ziel, zuverlässige Daten zu Festigkeiten und Nietqualität zu generieren, um Aussage über optimale Parameter und Taktzeiten treffen zu können. Für die Nietgeometrie lehnte man sich bislang an die DVS-Richtlinie 2216-3 an, die eine Vollniet-Geometrie für die höchste Festigkeit („DVS lang“), eine für geringe Bauhöhe („DVS kurz“) sowie eine Hohlnietgeometrie für dünnwandige Bauteile („DVS hohl“) vorschlägt.

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Für die Versuche wurden Prüfkörper erstellt, die sehr typische Anwendungen im Elektronikbereich abbilden:

  • 1. mit einem Durchmesser von 3 mm,
  • 2. aus den teilkristallinen Materialien mit 30 % Glasfaseranteil.

Verwendete thermische Verfahren waren

  • – das Warmumformen: ein isothermer Stempel wird auf den Pin aufgesetzt und formt ihn gleichzeitig bis in Endlage mit voreingestellter Kraft um
  • – das Heizstempelnieten: ein isothermer Stempel wird erst drucklos zur Schmelzebildung auf den Pin aufgesetzt und formt dann mit voreingestellter Kraft um
  • - und das Heißluftnieten.

Die Versuche mit den Prüfkörpern bestätigten die Vermutung, dass die genannten Normen nicht immer zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen.

Die „DVS lang“ ergab zwar die höchsten Festigkeiten, was sich an den häufigen Pinbrüchen gegenüber Nietkopfbrüchen zeigte, aber die Prozesszeiten überstiegen typische Taktzeitanforderungen der Automobilzuliefererindustrie deutlich und der benötigte Bauraum für die hohe Kugelgeometrie ist für eine Vielzahl der Anwendungen zu groß. Beim Warmumformen zeigt sich zudem eine sehr schlechte Anbindung des geschmolzenen Materials an den Pinschaft resultierend in extrem schlechten Festigkeitswerten, woraus sich ableiten lässt, dass für dieses Verfahren die „DVS lang“ bei den getesteten Werkstoffen nicht geeignet ist. Vor allem aber erschwert die tiefe Stempelgeometrie mechanisch deutlich das Ablösen des vernieteten Materials aus der Kalotte, was zum Schwächen der Nietverbindung führen kann. Gleichzeitig sind die Abzugskräfte bei der „DVS kurz“ häufig nur ungenügend.

Die Lösung liegt dazwischen: die Bdtronic-Richtlinie ist ein Kompromiss zwischen höchstmöglicher Festigkeit und geringstmöglicher Prozesszeit.

Am Beispiel von Vollnieten aus PA66-GF30 mit 3 mm Durchmesser konnte bei dem Heizstempelverfahren mit der Bdtronic-Geometrie gezeigt werden, dass geringere Pinlänge (gegenüber „DVS lang“) die Schmelzebildung über die gesamte Pinlänge begünstigt und somit bessere Ergebnisse liefert.

Beim Warmumformen erreichen Vollnieten nach bdtronic Richtlinie aber deutlich höhere Festigkeiten als beim Heizstempelverfahren, was bedeutet, dass ein druckloser Schmelzeaufbau vor dem Vernietvorgang auch hier keine Prozessverbesserung bedeutet, wie häufig angenommen.

Absolut betrachtet konnte im Rahmen der Versuchsreihen beim Vernieten dieser Vollnieten nach Bdtronic-Standard mit dem Warmumformverfahren eine um durchschnittlich etwa 20 % geringere Abzugskraft (max. ca. 600 N) gegenüber Vollnieten „DVS lang“ gemessen werden. Gleichzeitig benötigt dieser Vollniet minimal aber eine um 50 % geringere Heizzeit bis zum Erreichen der Endlage gegenüber „DVS lang“!

Bezieht man die Taktzeit in die Betrachtung also mit ein, so können je nach Prozessparametersatz mit beiden Geometrien vergleichbare Festigkeiten in gleicher Taktzeit erreicht werden.

Mit der Bdtronic-Geometrie können so je nach Anforderungsprofil sehr kurze Taktzeiten von wenigen Sekunden oder hohe Festigkeiten von an die 600 N (für PA66-GF30) erzielt werden. Wichtig, wenn man hohe Festigkeiten wünscht: die optimale Prozesstemperatur und ausreichende Taktzeit entscheidet über die Bruchkraft!

Einhalten des optimalen Temperaturbereiches

Die Gegenüberstellung von Schliffbildern, optischer Analyse und Abzugsprüfergebnissen zeigt, dass eine „schöne“ Vernietung nicht immer die höchste Festigkeit verbirgt. Die Optik gibt also leider keine Aussage über die Gefügestruktur und somit Haltekraft einer Nietverbindung.

Über alle Versuchsreihen konnten die höchsten Festigkeiten für beide Geometrien mit dem Heißluftnieten erreicht werden. Auch hier ist die Definition der Prozessparameter entscheidend für die Bruchkraft. Durch das homogene Erwärmen des Nietpins lassen sich zwar auch groß dimensionierte Pins gut vernieten, aber auch hier ist die Wahl der geeigneten Prozesstemperatur relevant, denn je nach gewählter Temperatur kann die benötige Prozesszeit um ein Mehrfaches variieren.

Beim Kunststoffnieten werden allerdings auch amorphe Thermoplaste verarbeitet. Dabei sind die unterschiedlichen Anordnungen der langkettigen und unvernetzten Makromoleküle (Polymere) zu berücksichtigen. Während amorphe Kunststoffe aus langen Fadenmolekülen bestehen, die eine ungeordnete Struktur aufweisen, besitzen teilkristalline Thermoplaste auch kristalline Werkstoffbereiche, die in einer amorphen Umgebung eingebettet sind. Diese weisen eine geordnete Struktur auf und gewährleisten eine hohe Steifigkeit des Kunststoffs beim Einsatz oberhalb der Glasübergangstemperatur.

Durch den unterschiedlichen Molekülaufbau von amorphen und teilkristallinen Kunststoffen resultiert ein unterschiedliches Erweichungsverhalten. Amorphe Thermoplaste besitzen keinen Schmelzpunkt, aber einen unter Umständen weit ausgeprägten Umformtemperaturbereich beginnend oberhalb der Glasübergangstemperatur. Es ist bei der Umformung eines amorphen Kunststoffniets zu beachten, eine ausreichend hohe Temperatur sowie eine entsprechende Umformkraft sicherzustellen. Bei zu geringer Umformtemperatur (hochviskose Schmelze) und geringem Umformgrad besteht die Gefahr, die Molekülketten beim Umformen zu orientieren und dabei in eine Zwangslage zu versetzen. Wird dieser Zustand beim Abkühlen eingefroren, kann es bei erneuter Erwärmung über die Glasübergangstemperatur zum Rückverformen des Niets kommen (auch bekannt als „Memory-Effekt“).

Teilkristalline Thermoplasten können dagegen nur in einem kleinen Temperaturbereich umgeformt werden. Bei Überschreitung der Glasübergangstemperatur erweichen anfänglich nur die amorphen Werkstoffbereiche. Erst beim Erreichen des Schmelztemperaturbereiches lösen sich anschließend auch die kristallinen Bereiche auf. Dieser Temperaturbereich kann zur Umformung von teilkristallinen Thermoplasten genutzt werden, ist aber wesentlich kleiner als bei amorphen Kunststoffen. Da aufgrund der hohen Steifigkeit von teilkristallinen Thermoplasten (unterhalb der Schmelztemperatur) die Umformung des Kunststoffniets meist nur oberhalb der Schmelztemperatur erfolgt, können Rückverformungen („Memory Effekt“) bei späterer Wärmeeinbringung nahezu ausgeschlossen werden.“

Amorphe Kunststoffe wie etwa PC-Blends und PMMA finden als transparente Werkstoffe oftmals Verwendung für Automobilbeleuchtungskörper sowie nicht-transparent im Automobil-Cockpit oder für Karosserieanbauteile. Hier dürfen die Nietstellen optisch keinen Einfluss auf die Produktfunktion haben (etwa bei Streuscheiben oder Heckleuchten) und müssen auch bei konstanten, hohen Vibrationen spielfrei und somit geräuschfrei bleiben. Selbst lackierte oder chromierte Oberflächen können mit dem Nietverfahren verarbeitet werden.

Zum Verarbeiten von Vollnietpins mit 3 mm Außendurchmesser aus PMMA eignen sich alle drei Verfahren für die Bdtronic-Geometrie sehr gut und es können Festigkeiten von bis über 340 N erreicht werden. Für die „DVS lang“ Volumina ist das Heizstempelverfahren nicht empfehlenswert, da die Prozesszeiten ein Vielfaches über den Vergleichswerten liegen und dennoch eine deutlich geringere Festigkeit zu erwarten ist, aber das Warmumformverfahren ermöglicht bei einer Heizzeit von 4 s mit die höchste Festigkeit von fast 400 N. Bei den Abzugsprüfungen kam es hier in 60 % der Fälle zum Pinbruch.

Geometrie und Verfahren sind für das Vernieten von amorphen gegenüber teilkristallinen Kunststoffen wesentlich unkritischer, dennoch ist die Festlegung und Einhaltung des optimalen Temperaturbereiches wichtig um die langzeitstabile Festigkeit und reproduzierbar einwandfreie Optik der Nietverbindung dauerhaft sicherzustellen. (bm)

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