Schrauben So geht Nachhaltigkeit in der Verbindungstechnik

Nach Angaben des Umweltbundesamtes ist die deutsche Industrie für etwa ein Fünftel der deutschen CO₂-Emissionen verantwortlich. Das Ziel Deutschlands ist es, im Jahr 2050 CO2-neutral zu agieren. Mit ACO₂-Save unterstützt Arnold Umformtechnik dieses Ziel zu erreichen.

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Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG

Das Thema Klimaschutz und eine damit verbundene CO₂-Reduktion rückt in allen Bereichen des gesellschaftlichen Lebens in den Fokus. So will Europa CO₂-Neutralität bis 2050 erreichen, Deutschland bereits bis 2045. So gewinnt die CO₂-Bilanz bei Engineering-Projekten – speziell im Automobilsektor – mehr und mehr an Bedeutung. Da stellt sich folgende Frage: „Wie lässt sich der CO₂-Fußabdruck in allen Herstellungs- und Einsatzphasen eines Produkts minimieren?“

Fahrzeuge werden schwerer – CO₂-Emission sinkt

Mit Blick auf die globalen Entwicklungen in der Automobilindustrie zeigt sich: Das Gewicht von neuen PKWs und leichten Nutzfahrzeugen in Europa ist in den vergangenen Jahren permanent gestiegen: von ca. 1268 kg im Jahr 2000 über 1360 kg im Jahr 2010 auf ca. 1420 kg im Jahr 2020. Durch die Entwicklung hin zu mehr Hybrid- und Elektrofahrzeugen steigt das Gewicht nochmals an. Schon allein durch das Gewicht der Batterie bringt ein E-Fahrzeug 300 kg mehr auf die Waage, als ein Fahrzeug mit herkömmlichen Motor. Im Gegenzug zur Gewichtszunahme der Fahrzeuge, hat die CO₂-Emissionen sich deutlich reduziert. So führten etwa optimierte Kraftstoffverbrauche und neue Antriebskonzepte die CO₂-Emissionen von 175 g CO₂/km im Jahr 2000 auf 140 g CO₂/km im Jahr 2010 bis hin zu 95 g CO₂/km im Jahr 2020.

Fest steht: Um den Carbon Footprint so gering wie möglich zu halten, müssen alle Beteiligten an einem Strang ziehen und Strategien entwickeln und umsetzen, um die Klimaschutzziele zu erreichen. So spielt das Thema Nachhaltigkeit auch in der Verbindungstechnik eine entscheidende Rolle. Bei der Arnold Group sind Klimaschutz und nachhaltige Ressourcennutzung schon immer fest verankerte Themen. Bereits mit der Gründung des Unternehmens im Jahr 1898 wurde die erste Fabrik in einer bestehenden Mühle untergebracht. Hier trieb Wasserkraft als erneuerbare Energie die Maschinen an.

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Das Thema Nachhaltigkeit zog sich über die Jahrzehnte der Unternehmensaktivitäten wie ein roter Faden durch die Arnold-Philosophie. Dabei betrachtet Arnold die Thematik Nachhaltigkeit und CO₂-Neutralität in der kompletten Lieferkette. Über die komplette Wertschöpfungskette hinweg entsteht für jedes Produkt ein individueller Footprint. Die Emissionen der Lieferkettenmitglieder werden dabei aufsummiert. Das bedeutet, dass Unternehmen die in der Lieferkette nachgelagert sind, über die bezogenen Produkte und Leistungen die Emissionen ihrer Lieferanten übernehmen. Diese werden dann mit den eigenen CO₂-Ausstößen aufaddiert an ihre Kunden weitergegeben.

Vor diesem Hintergrund hat Arnold die Initiative ACO₂-Save ins Leben gerufen. Kunden bzw. Anwender werden dabei aktiv unterstützt, die CO₂-Emissionen zu reduzieren. Hierfür werden Verbindungselemente und Kaltformteile nachhaltig ausgelegt und angewendet. Bereits im Entwicklungsprozess unterstützt Arnold mit einem eigens entwickelten CO2-Kalkulator. Damit kann der sogenannte Product-Carbon-Footprint für das angefragte Teil ermittelt und dann gemeinsam mit dem Kunden optimiert werden.

Digitale Prognosetools vermeiden CO2-Emissionen schon im Entwicklungsprozess

Um bereits im Entwicklungsprozess CO₂-Emissionen zu vermeiden, beispielsweise durch eine unnötige Muster- und Prototypenvielfalt, setzen die Arnold-Entwickler digitale Prognosetools wie FEM Analysen und eigenentwickelte Prognoseprogramme ein. Damit wird eine Vielzahl an möglichen Varianten deutlich reduziert, was Zeit, Geld und CO₂ spart.

Verbindungs- und Kaltumformtechnik haben jedoch den größten Einspareffekt. So analysiert Arnold gemeinsam mit dem Kunden beispielsweise ob ein Wechsel der Produktionstechnologie von Teilen möglich ist. Dabei wird geprüft, ob Teile, die derzeit noch spanabhebend hergestellt werden, als Kaltumformteile kosteneffizienter gefertigt werden können. Zudem könnten vorhandene Gewindeschrauben durch gewindeformende Schrauben ersetzt werden. Dabei kann auf Gewindeschneidautomaten und ihre Emissionen verzichtet werden.

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OEM spart mit Downsizing 140 t CO₂ ein

Eine weitere Option CO₂ einzusparen, ist Downsizing. So sparte beispielsweise ein namhafter OEM bei seinen 180.000 gefertigten Batteriepacks 140 t CO₂ ein, indem er die fließloch- und gewindeformende M5-Schraube-Flowform durch die weiterentwickelte M4-Schraube-Flowform-Plus ersetzt hat. Gegenüber der herkömmlichen Flowform änderten die Entwickler von Arnold bei der Flowform Plus die Abmessungen von 5 mm Durchmesser und 20 mm Länge auf nun 4 mm Durchmesser und 20 mm Länge. In Abhängigkeit von Kopf und Länge wiegt die herkömmliche Flowform etwa 4 g, die neue Flowform Plus etwa 3 g. Das bedeutet eine Gewichtseinsparung von 25 %. Neben seinem Einsatz in Batteriepacks wird die Flowform Plus unter anderem im Karosseriebau, im Aluminium-Stahl, Mischbau, bei profilintensiven Bauweisen, bei einseitiger Zugängigkeit und bei Hybridverbindungen. Die Gewichtsreduzierung ist ein weiterer Effekt, um die Gesamtemission des Fahrzeugs zu reduzieren. So liegt das Gewicht von 500 Elementen der Flowform pro Fahrzeug bei 2 kg, bei der Flowform Plus sind es 1,5 kg. Eine Gewichtseinsparung von 500 g.

Grundsätzlich ist die Flowform Plus für höherfeste Stahlbleche und dickere Blechkombinationen konzipiert. „Durch den Einsatz der Flowform Plus können laut Arnold Umformtechnik nun in Abhängigkeit der Fügewerkstoffe dickere Materialkombinationen bis zu 7,5 mm ohne Vorloch gefügt werden“, erklärt Heiko Miller, Projektleiter für die Weiterentwicklung der Flowform Plus bei Arnold Umformtechnik. Begründet ist dies in der geringeren Materialverdrängung durch die Durchmesserreduzierung. Dadurch entsteht eine kleinere Spaltbildung zwischen den Blechen und durch die kleinere Abmessung weniger Reibfläche. Somit fällt das Furchmoment geringer aus als bei der herkömmlichen Flowform 5. Da hier generell das Niveau des Drehmoments geringer ausfällt, kann die Verbindung auch mit einem niedrigeren Anzugsdrehmoment angezogen werden.

Fazit: Nachhaltige Auslegung und Anwendung von Verbindungselementen

Durch ACO₂-Save kann Arnold Umformtechnik die Anwender durch eine nachhaltige Auslegung und Anwendung von Verbindungselementen und Kaltumformteilen aktiv bei der Reduktion von CO₂-Emissionen unterstützen.

* *Fachredakteurin Forschung & Entwicklung

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