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Fügen Wandlungsfähige Fügetechnologien

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Die zunehmende Produktvielfalt und die immer kürzeren Modellzyklen stellen die Verbindungstechnik vor neue Herausforderungen. Wissenschaftler der Uni Paderborn haben eine Methodik entwickelt, die eine flexible Prozesskette ermöglicht.

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Eine Autokarosserie wird mit bis zu 3500 Stanznietverbindungen gefügt. Doch die Produktvielfalt nimmt zu und der Wunsch nach leichten, aber stabilen Strukturen stellt hohe Anforderungen an die Fügetechnik.
Eine Autokarosserie wird mit bis zu 3500 Stanznietverbindungen gefügt. Doch die Produktvielfalt nimmt zu und der Wunsch nach leichten, aber stabilen Strukturen stellt hohe Anforderungen an die Fügetechnik.
(Bild: Blaz Kure / Arnold Umformtechnik)

Fügestellen prägen nachhaltig die Eigenschaften von Produkten. Während eine Waschmaschine schon mit wenigen Clinchpunkten zusammengehalten werden kann – allein durch Umformen und ohne Hilfsfügeteile wie Schrauben – muss eine Autokarosserie mit bis zu 3500 Stanznietverbindungen gefügt werden. Doch die Produktvielfalt nimmt zu und der Wunsch nach leichten, aber stabilen Strukturen stellt hohe Anforderungen an die Fügetechnik. Gefragt sind wandlungsfähige Prozessketten und flexible Fügeverfahren.

Hier setzen Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs „Methodenentwicklung zur mechanischen Fügbarkeit in wandlungsfähigen Prozessketten“ der Universität Paderborn an: Ihr Ziel ist es, Produktionsbedingungen zu verbessern, indem sie wandlungsfähige Fügetechnologien entwickeln, die bisherige starre Verfahren aufbrechen und eine flexible Prozesskette ermöglichen sollen. „Die Fügbarkeit von Bauteilen ist häufig der Schlüssel für effiziente Produktionsprozesse und wird für den Entwicklungs- und Produktionsstandort Deutschland bei der Serienfertigung variantenreicher Produkte zunehmend zum strategischen Wettbewerbsfaktor“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Sprecher des Sonderforschungsbereichs und Leiter des Laboratoriums für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) an der Universität Paderborn.

Eingeschränkte Gestaltungsmöglichkeiten

Bisher sind mechanische Fügeverfahren allerdings starr für das entsprechende Produkt konfiguriert. „Das limitiert nicht nur die Konstruktionsfreiheit bei der Werkstoffauswahl, sondern auch die Gestaltungsmöglichkeiten von Fabrikaten“, erklärt Meschut. Wenn es zu Änderungen in der Produktion komme – beispielsweise zur Veränderung der Blechdicke einer Autokarosserie – müssten derzeit sämtliche Anpassungen der Verfahren durch Trial-and-Error-Methoden durchprobiert werden. „Das kann sehr hohe Kosten verursachen und ist mit Blick auf Ressourceneinsatz und Umweltbelastung unbedingt zu ändern“, betont der Wissenschaftler.

Wandlungs- und Prognosefähigkeit mechanischer Fügeverfahren

In dem Sonderforschungsbereich nehmen die Wissenschaftler die gesamte Prozesskette – vom Werkstoff (Fügeeignung) über die Konstruktion (Fügesicherheit) bis hin zur Fertigung (Fügemöglichkeit) – unter die Lupe. Seit 2019 erforschen sie, wie in wandlungsfähigen Prozessketten zielgerichtete Änderungen in der Produktentstehung ermöglicht werden können. Dadurch sollen bei den einzelnen Prozessschritten, beispielsweise an dem Halbzeug, der Fügestelle, dem Bauteil oder dem Fügeverfahren passgenaue Überarbeitungen vorgenommen werden können. Ergebnis ist eine einzigartige Fügestelle mit einem eigenen mechanischen Eigenschaftsprofil hinsichtlich verschiedener Beanspruchungsarten.

Buchtipp

Die Klebtechnik stellt für viele Anwendungen eine zuverlässige Alternative zu anderen Fügeverfahren dar. Das Fachbuch Klebtechnik gibt Konstrukteuren und Klebstoffanwendern Hilfestellungen für die Konzeption, Konstruktion und Realisierung von Klebungen.

Ganzheitliche Prognose entlang der Prozesskette

Bisher ist man experimentell bei Änderungen im Produktionsprozess herangegangen. Doch die Anzahl an Werkstoff-Geometrie-Kombinationen wächst und die Methodik ist damit nicht effizient. Denn: „Die ganzheitliche Prognose entlang der gesamten Prozesskette ist entscheidend für die Eigenschaften des späteren Endprodukts“, sagt Meschut.

Die Wissenschaftler arbeiten dafür u. a. mit Computersimulationen und experimentellen Prüfmethoden. Betrachtet werden die gesamten Eigenschaften der verschiedenen Verbindungen: von den einzelnen Fügeteilwerkstoffen (Fügeeignung), z. B. Aluminium, Stahl oder Kunststoff, über die darauf angepassten Fügeprozesse (Fügemöglichkeit) bis zur schlussendlichen Belastbarkeit (Fügesicherheit), z. B. schlagartig wie im Fahrzeugcrash oder schwingend wie im Fahrbetrieb.

Universelle Lösungen

Langfristiges Ziel der Wissenschaftler ist es, eine flexible, übertragbare und branchenübergreifend anwendbare Auslegungsmethodik zu schaffen, die Eigenschaften und Anforderungen bei neuen Fügeaufgaben genauestens prognostiziert. Dadurch sollen nicht nur sicherere Prognosen der Fügbarkeit ermöglicht und Verbindungseigenschaften verbessert, sondern auch wirtschaftliche Vorteile erzielt werden.

Interdisziplinäres Forscherteam

„Rund 60 Wissenschaftler aus den Bereichen Werkstofftechnik, Konstruktion, Mechanik, Messtechnik und Leichtbau kooperieren hier, um das Thema der Fügbarkeit von allen Seiten zu durchdringen“, sagt Meschut. Die Paderborner Wissenschaftler arbeiten dafür gemeinsam mit Wissenschaftlern der Technischen Universität Dresden und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in einem interdisziplinären Forschungsverbund, aufgeteilt in 16 Teilprojekten, zusammen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Transregio-Initiative TRR 285 bis 2023 mit rund 10 Millionen Euro.

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