Fortschritte im Selbst

Laut einer neuen Studie von P&S Market Research wird der weltweite Umsatz mit Stanzniettechnologie (SPR) zwischen 2016 und 2022 jährlich um insgesamt 26 Prozent wachsen. P&S prognostiziert, dass Hersteller weltweit im Jahr 2022 45 Milliarden dieser Verbindungselemente verbrauchen werden.

Das sind viele Nieten. Anthony A. Salisbury, Geschäftsführer für selbststanzende Nieten bei der Atlas Copco Group, nimmt solche rosigen Prognosen mit Vorsicht, stimmt aber dennoch zu, dass die Aussichten für SPR gut sind. Der Grund, sagt er, lässt sich in einem Satz zusammenfassen: Automobilleichtbau. Um das Fahrzeuggewicht zu reduzieren, verwenden Automobilhersteller in Karosseriebauteilen zunehmend „exotische“ Materialien wie Aluminium und hochfesten Stahl.

„Die Automobilindustrie baut natürlich seit Jahrzehnten Autos aus Aluminium und Stahl, aber nicht die Art von Aluminium- und Stahllegierungen, die derzeit auf dem Markt sind“, sagt Salisbury. „Diese Materialien lassen sich nicht gerne schweißen. Aluminium wird beim Schweißen ziemlich spröde. Hochfester Stahl erhält seine Festigkeit durch Wärmebehandlung und verliert einen Teil dieser Festigkeit, wenn er geschweißt wird. Und wenn Sie beide Materialien in einer Fahrzeugkarosserie verwenden möchten, können Sie Aluminium einfach nicht mit hochfestem Stahl verschweißen. Sie müssen einen mechanischen Verschluss verwenden, und hier kommt SPR ins Spiel.“

SPR ist ein Kaltfügeverfahren zur Verbindung zweier oder mehrerer Materialbahnen. Bei der Montage wird der Niet mit kontrollierter Kraft in den Materialstapel eingetrieben und durchdringt dabei die oberste Schicht bzw. die obersten Schichten. Der Niet dehnt sich unter dem Einfluss eines Stempels radial in die untere Schicht oder das untere Blech aus und bildet eine starke mechanische Verbindung. Die Niete durchbricht das letzte Material nicht. Von Anfang bis Ende dauert die Installation 1,3 bis 3 Sekunden.

SPR kann zum Befestigen einer Vielzahl von Materialien verwendet werden, darunter Stahl, Aluminium, Nylongewebe, Kunststoff und Gummi. Es kann auch verzinkte oder vorlackierte Materialien verbinden, ohne die Beschichtung zu beschädigen.

Je nach Material können mit dem Verfahren kombinierte Materialstärken von 1,6 bis 8 Millimeter befestigt werden. Idealerweise sollte die untere Schicht mindestens 1 Millimeter dick und die obere Schicht mindestens 0,5 Millimeter dick sein.

Im Vergleich zu anderen Fügeverfahren bietet SPR viele Vorteile. Vorgebohrte Löcher oder Oberflächenbehandlungen sind nicht erforderlich. Es ist leise, lässt sich leicht automatisieren und erzeugt weder Dämpfe noch Funken. Es kann mehrere Materialschichten und Materialmischungen verbinden. Es entstehen Verbindungen mit hoher statischer und Dauerfestigkeit und es können wasserdichte Verbindungen hergestellt werden. Es toleriert auch das Vorhandensein von Schmiermitteln oder Klebstoffen im Verbindungsbereich.

„Wenn man Stahl mit Aluminium verbindet, legt man immer eine Klebstoffschicht zwischen die beiden Materialien“, erklärt Salisbury. „Der Kleber verhindert Korrosion und verbessert die Vibrationsfestigkeit der Verbindung.“

SPR hat auch Nachteile. Nieten erhöhen die Kosten und das Gewicht der Baugruppe. Der Prozess erfordert Zugang zu beiden Seiten der Baugruppe und es sind relativ hohe Einführkräfte erforderlich. Während der Nietkopf bündig mit der Oberseite der Baugruppe abschließen kann, entsteht auf der Unterseite ein Gelenkknopf. Auf der Matrizenseite der Baugruppe können keine spröden Materialien wie pressgehärteter Stahl verwendet werden.

Rohr- und Halbrohr-SPRs werden typischerweise aus Stahl oder Edelstahl hergestellt. Der Durchmesser reicht von 3 bis 7 Millimeter und die Körperlänge reicht von 3 bis 14 Millimeter. Zu den Standardkopfausführungen gehören Senkkopf-, Flach-, Pfannen- und Kuppelköpfe. Sonderköpfe wie Blechköpfe, Doppelköpfe, Gewindebolzen und Abstandsstifte sind ebenfalls erhältlich.

Nieten können mit Zink beschichtet werden; Zink und Zinn; und AlMac (eine Kombination aus Zink, Zinn und Aluminium).

In den letzten Jahren mussten Niethersteller ihre Designs anpassen, um sie an die neuen Materialien anzupassen, die von Automobilherstellern verwendet werden.

„Als ich 1999 mit der Entwicklung von SPR-Verbindungen für Fahrzeuge begann, verwendete die Automobilindustrie Aluminium der 5000er-Serie. Es war ziemlich weich“, erinnert sich Salisbury. „Die jetzt verwendeten Legierungen ähneln eher Flugzeugaluminium. Sie sind viel härter und stärker.

„Herkömmliche SPRs sind nicht stark genug, um diese höherfesten Aluminiumlegierungen zu durchdringen und aufzuweiten. Die Kräfte, die Sie für die Montage dieser Nieten aufwenden müssen, sind viel höher als früher. In den frühen 2000er Jahren verwendeten wir 60 bis 65 Kilonewton, um eine Niete einzusetzen. Heute verwenden wir mehr als 85 Kilonewton, um denselben Niet in diese neuen Aluminiumlegierungen zu setzen. Das bedeutet größere, stärkere und teurere Werkzeuge.“

Die gleiche Geschichte gilt auch für hochfesten Stahl. „In den späten 1990er Jahren arbeiteten wir mit Stählen, die eine Zugfestigkeit von 250 bis 350 Megapascal hatten“, sagt Salisbury. „Wir arbeiten jetzt mit Stählen, die eine Zugfestigkeit von 1.500 Megapascal haben. Herkömmliche Nieten funktionieren mit diesen Materialien einfach nicht.“

Um dieses Problem zu lösen, haben Atlas Copco und andere SPR-Hersteller viel Arbeit in die Nietenkonstruktion gesteckt. Heutige SPRs können diese härteren Materialien nicht nur durchdringen, sondern sie können dies auch mit der gleichen Kraft tun, die OEMs für die vorherige Materialgeneration benötigten. Das bedeutet, dass OEMs nicht in größere Werkzeuge und größere Roboter investieren müssen. Weniger Kraft verringert auch das Risiko, dass weniger duktile Materialien reißen.

Monteure haben eine Reihe von Optionen für die Installation von SPRs. Für Anwendungen mit geringem Volumen gibt es handbetriebene, schnell arbeitende hydraulische Werkzeuge und tragbare, handgeführte, batteriebetriebene Werkzeuge.

Für Anwendungen mit größeren Stückzahlen kann die Nietausrüstung stationär, robotergesteuert oder in eine Montagezelle integriert sein. In jedem Fall sind Nietsetzer und Matrize in einem C-Rahmen montiert, der groß genug sein muss, um Zugang zu den zu nietenden Bereichen zu ermöglichen. Die zum Setzen des Niets aufgewendete Kraft kann von einem Hydraulikzylinder oder einem Servomotor stammen.

„Der größte Unterschied in den letzten 10 Jahren war der rückläufige Einsatz hydraulischer Aktuatoren“, sagt Salisbury. „Die meisten Hersteller bevorzugen mittlerweile die Servotechnik zur Montage ihrer Nieten. Mit der Servotechnologie können Sie mithilfe sehr präziser Encoder feststellen, ob Sie die richtige Niete zur richtigen Zeit am richtigen Ort gesetzt haben. Diese Systeme können Ihnen sofort mitteilen, wenn etwas schief geht. Außerdem ist die Servotechnik energieeffizienter.“

Monteure haben außerdem mehrere Möglichkeiten, dem Nietsetzer Verbindungselemente zuzuführen. Der Bandvorschub erfolgt schnell, kostengünstig und wartungsarm. Bei einem Blaszuführungssystem werden Nieten aus einem entfernten Trichter zugeführt und durch ein Rohr zum Nietsetzgerät geblasen. Single- und Dual-Feed-Systeme sind ideal für Anwendungen mit hohem Volumen. Die Magazinzuführungen befinden sich direkt an der Nietanlage. Die Nieten werden dem Werkzeug durch Schwerkraft zugeführt. Diese Systeme ermöglichen schnelle Zykluszeiten und größere Bewegungsfreiheit für den Nietsetzer.

Welche zu verwenden ist, hängt von der Anwendung ab. „Es läuft auf die Flexibilität hinaus“, sagt Salisbury. „Die tatsächlichen Fütterungszeiten sind ungefähr gleich. Ein Bandvorschub hat weniger bewegliche Teile. Es ist robuster und einfacher zu warten. Wenn jedoch das Band zu Ende ist, muss jemand die Zelle betreten, um die Spulen zu wechseln. Blas- und Magazinzuführungen können von außerhalb der Zelle befüllt werden.“

Obwohl SPR beim Verbinden von leichten, aber zähen Materialien viele Vorteile bietet, weist das Verfahren drei wesentliche Einschränkungen auf.

Erstens können aufgrund der starken lokalen Verformung in SPR-Verbindungen beim Verbinden von Materialien mit geringer Duktilität, wie Magnesiumlegierungen oder Aluminiumguss, sowohl innerhalb der Verbindung als auch an der Unterseite der Verbindung Risse auftreten. Solche Risse können die mechanische Leistung und die Ermüdungslebensdauer der Verbindung beeinträchtigen.

Ein weiterer Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass der Zugang zu beiden Seiten der Baugruppe erforderlich ist. Daher kann die Technik nicht auf geschlossene oder halbgeschlossene Strukturen wie Aluminium-Strangpressteile angewendet werden.

Schließlich kann es bei SPR zu Schwierigkeiten bei der Befestigung von hochfestem Stahl kommen, wenn dieser als Untermaterial in einem Stapel verwendet wird. Aufgrund des großen Verformungswiderstands von hochfestem Stahl ist SPR möglicherweise nicht in der Lage, eine wirksame Hinterschneidung zu bilden, um alle Materialien mechanisch zu verriegeln.

Nun haben Forscher der Shanghai Jiao Tong University eine Variation des SPR-Verfahrens – Reibstanznieten – entwickelt, die diese Einschränkungen zu überwinden verspricht. Das neue Verfahren kombiniert den mechanischen Fügemechanismus des SPR mit dem Festkörperfügemechanismus des Reibrührpunktschweißens.

Reibungs-SPR wird auf die gleiche Weise wie Standard-SPR durchgeführt, mit der Ausnahme, dass der Niet beim Einschieben in den Materialstapel mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird. Als thermomechanischer Prozess kann die Reibungs-SPR mit oder ohne Matrize zur Unterstützung der Unterseite des Stapels durchgeführt werden. Für Materialien mit geringer Duktilität wird eine Lochmatrize verwendet. Für Stapelungen mit leichten Materialien oben und hochfestem Stahl unten wird eine Flachmatrize verwendet.

Durch die Reibung zwischen der Niete und den Materialien entsteht genügend Wärme, um die Materialien zu erweichen und die Bildung der Verbindung zu unterstützen, aber nicht so viel Wärme, dass die Materialien miteinander verschweißt statt mechanisch verbunden werden.

Wie viel Wärme erzeugt wird, hängt von den Materialien, der Konstruktion des Befestigungselements, der Rotationsgeschwindigkeit sowie der Kraft und Geschwindigkeit ab, mit der das Befestigungselement in den Stapel gedrückt wird. Um beispielsweise Aluminium mit Magnesium zu verbinden, kommt ein zweistufiger Prozess zum Einsatz. In der ersten Stufe wird der Niet langsam vorgeschoben (4 Millimeter pro Sekunde), während er sich mit hoher Geschwindigkeit (3.600 U/min) dreht, um ausreichend Wärme zum Erweichen der Materialien zu erzeugen. In der zweiten Stufe wird der Niet mit hoher Geschwindigkeit (11 Millimeter pro Sekunde) vorgeschoben, dreht sich jedoch langsamer (600 U/min), um unter der Führung der Matrize eine starke Aufweitung des Schafts zu erreichen.

Unter der Leitung von Li Yongbing, Ph.D., einem Professor für Maschinenbau an der Universität, testeten die Forscher ihr neues Verfahren erfolgreich an drei Probenstapeln: Aluminiumlegierung zu Magnesiumlegierung; Aluminiumlegierungen mit einseitigem Zugang; und Aluminiumlegierung bis hin zu hochfestem Stahl.

Eine weitere Variante des Verfahrens ist die lasergestützte SPR. Die lasergestützte SPR wurde von Forschern der Swinburne University of Technology in Hawthorn, Australien, entwickelt und ermöglicht das Nieten von Magnesium und anderen Materialien mit geringer Duktilität ohne Rissbildung.

Die Ursache für die Rissbildung von Magnesium ist seine schlechte Duktilität und geringe Formbarkeit bei Raumtemperatur. Diese Eigenschaften hängen von Natur aus mit der hexagonalen Gitterstruktur des Metalls zusammen. Laut Yvonne Durandet, Ph.D., Dozentin für fortgeschrittene Fertigung in Swinburne und Leiterin des Projekts, kann die Rissbildung jedoch verhindert werden, indem das Magnesium erhitzt und seine Plastizität durch die Aktivierung zusätzlicher Gleitsysteme in der Kristallstruktur erhöht wird.

Aufgrund seiner Fähigkeit, Wärme schnell und lokal zu übertragen, war ein Laser die natürliche Wahl als Wärmequelle. Der Laser befindet sich neben dem C-Rahmen des Nietgeräts und schneidet jede Befestigungsstelle unmittelbar vor der Installation einer Niete ab. Die Gesamtzykluszeit beträgt weniger als 5 Sekunden bei minimaler Änderung der vorhandenen SPR-Ausrüstung.

Für ihr Verfahren nutzten die Forscher einen 2,5 Kilowatt starken Nd:YAG-Laser und ein hydraulisches Nietsetzsystem. Der Niet wurde durch die obere Lage eingeführt, während der Laserstrahl auf die untere Lage fokussiert wurde. Die insgesamt an das Werkstück abgegebene durchschnittliche Leistung lag zwischen 800 und 1.700 Watt. Die Laserverweilzeit betrug je nach Stapeldicke und Oberflächenvorbereitung 2,5 bis 3,5 Sekunden. Glänzende Oberflächen benötigten mehr Zeit zum Aufheizen als matte.

Das Verfahren ergab Festigkeitswerte von bis zu 5.720 bzw. 7.340 Newton für Magnesiumlegierungsverbindungen mit einer Gesamtdicke von 4,7 bzw. 6,4 Millimetern. Die Festigkeit der Verbindungen wurde durch die Länge und Härte der Niete beeinflusst. Darüber hinaus deutete die thermische Modellierung darauf hin, dass Klebstoffe in Verbindung mit lasergestützter SPR weiterhin verwendet werden können, was die Eigenschaften der Verbindungen verbessern würde.