Neue Materialien, neue Verbindungselemente

Stahl war, ist und bleibt das vorherrschende Material für Fahrzeugstrukturen und Karosserieteile wie Türen, Motorhauben, Heckklappen und Kotflügel. Aber auch andere Materialien wie Aluminium, Magnesium, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe gewinnen zunehmend an Bedeutung.

Nach Angaben des Center for Automotive Research machten verschiedene Stahllegierungen im Jahr 2020 rund 65 Prozent des Gewichts einer durchschnittlichen Fahrzeugstruktur aus. Aluminiumlegierungen machten 13 Prozent aus, während Kunststoffe und Verbundwerkstoffe 6 Prozent ausmachten. Bis 2040 werden Stahllegierungen jedoch nur noch 46 Prozent dieses Gewichts ausmachen, während Aluminiumlegierungen 26 Prozent und Kunststoffe und Verbundwerkstoffe 15 Prozent ausmachen werden.

Um diese unterschiedlichen Materialien zu verbinden, sind einige innovative Verbindungselemente erforderlich. Die Eigenschaften, die diese leichten Materialien aus dem Weltraumzeitalter stark und steif machen, machen es auch schwierig, sie mit herkömmlichen Befestigungselementen für Kunststoffe und Bleche zu montieren.

Hier sehen Sie einige der neuesten Verbindungselemente für die heutigen Leichtbaumaterialien im Automobilbereich.

Die Schraube Flowpoint Delta PT der EJOT GmbH & Co. dient der Befestigung von Platten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK).

Die neue Schraube vereint zwei EJOT-Technologien – die Delta PT-Schraube für die Direktbefestigung in Kunststoff und die FDS-Flow-Drill-Schraube für die Direktbefestigung in Metall – in einem Befestigungselement. Die Flowpoint Delta PT-Schraube ist eine selbststanzende und selbstschneidende Schraube, die ohne Vorbohrung sowohl in die geklemmten als auch in die passenden Materialien eindringt. Die Spezialspitze bohrt ein Loch in die Materialien und extrudiert einen Vorsprung. Die optimierte Delta PT-Gewindegeometrie bildet ein starkes Innengewinde.

Der Installationsprozess besteht aus sechs Schritten: Drehen der Schraube und Aufbringen einer Axiallast; Erhitzen und Eindringen des Materials; Schraubenlochkalibrierung und Bildung einer Extrusion; Gewindeformen; voller Gewindeeingriff; und Straffung.

Das Verbindungselement stellt eine hochwertige Schraubverbindung her, ohne dass Teilevorbereitungsschritte erforderlich sind. Das Befestigungselement ist in Stahl, Edelstahl A2 oder A4, Aluminium und Titan erhältlich und kann mit vielen CFK-Varianten verwendet werden. Es können auch Baugruppen aus gemischten Materialien wie Aluminium und CFK miteinander verbunden werden. Demontage und Neumontage sind möglich.

Das Befestigungselement kann mit verschiedenen Kopfformen und Antriebsaussparungen hergestellt werden.

Der Einformbefestiger IMTEC HR von Böllhoff Inc. bietet tragfähige Innengewinde zur Befestigung von Teilen an faserverstärktem Kunststoff.

Das scheibenförmige Befestigungselement wird in die Form für eine Verbundstruktur eingelegt und während des Formprozesses integriert. Es muss nicht in einer bestimmten Ausrichtung installiert werden. Es ist mit den meisten Fasern und den meisten duroplastischen und thermoplastischen Formverfahren kompatibel, einschließlich Harztransferformen, Formpressen und Spritzgießen.

Beim Spritzgießen wird das Befestigungselement auf einen an der Form befestigten Stift aufgesetzt. Der Stift lokalisiert das Befestigungselement und schützt das darin befindliche Gewinde vor einer Harzbeschichtung. Als nächstes wird das Tuch in die Form gelegt. Die Form wird geschlossen, der Kunststoff eingespritzt und das Teil mit integriertem Befestigungselement entformt.

Beim Formpressen ist der Prozess derselbe, außer dass es sich bei dem Stift um eine abschraubbare Plastikkappe handelt, die auch dazu dient, die Fasern zur Seite zu schieben, um das Befestigungselement in den Stoff einzuführen, sodass kein Loch gebohrt oder gestanzt werden muss. Das spart Zeit und vermeidet das Schneiden der Fasern. Die Kappe schützt auch die Innengewinde während des Formens und wird nach dem Entformen des Teils entfernt.

Um galvanischer Korrosion zu widerstehen, ist IMTEC HR in verzinktem Stahl und Edelstahl erhältlich. Letzteres wird hauptsächlich für CFK verwendet. Es sind auch verschiedene Befestigungsvarianten erhältlich, darunter Bolzen, Muttern und Distanzstücke.

Der Verschluss verfügt über Ösen und Blütenblätter, die beim Formen in den Verbundstoff eingebettet werden sollen. Dadurch wird verhindert, dass sich das Befestigungselement dreht, wenn die Gegenschraube montiert wird. Da sich der Befestigungsflansch außerdem hinter der Fasermatrix befindet, hat er keinen Einfluss auf die Gesamtdicke des Teils.

Der Befestiger ist fest im Verbundwerkstoff verankert. Auch bei hoher mechanischer Beanspruchung

Der Einsatz folgt der Verformung des Verbundmaterials, perforiert es aber aufgrund seiner hohen mechanischen Widerstandsfähigkeit und seines Energieabsorptionsvermögens nicht. Durch eine ausgewogene Lastverteilung wird die Gefahr von Rissen eliminiert.

Das Befestigungselement wird für die Montage struktureller und semistruktureller Verbundteile wie Türen, Heckklappen, Böden und Sitzstrukturen empfohlen.

EJOT hat mit Ejoweld ein Reibschweißverfahren entwickelt, das mithilfe eines rotierenden Stahlbefestigers Aluminium und Stahl schnell verbindet, ohne dass Löcher in die Teile gestanzt oder gebohrt werden müssen.

Ejoweld ist ein thermomechanisches Verfahren. Durch die Rotationsreibung zwischen dem gewindelosen Befestigungselement und dem Grundmaterial wird Wärme erzeugt. Das Befestigungselement durchdringt die obere Schicht, die aus Aluminium oder Magnesium bestehen kann, und verschweißt sich mit dem Grundmaterial, bei dem es sich typischerweise um hochfesten Stahl handelt. Die obere Schicht wird zwischen dem Kopf des Befestigungselements und dem Grundmaterial eingeklemmt.

Die Installation erfolgt in vier Schritten. Nachdem die Bleche zusammengeklemmt sind, wird das Befestigungselement positioniert und unter axialer Kraft mit hoher Geschwindigkeit gegen die obere Schicht gedreht. Die Menge der dabei erzeugten Reibungswärme hängt von der Konfiguration des Verbindungselements, der Rotationsgeschwindigkeit und der Axialkraft ab.

Sobald das Befestigungselement die obere Schicht durchdrungen hat, wird die Rotationsgeschwindigkeit des Befestigungselements erhöht, sodass genügend Wärme erzeugt wird, um die Oberfläche des unteren Blechs zu reinigen und für das Schweißen vorzubereiten. Anschließend dreht sich das Befestigungselement weiter, bis genügend Wärme erzeugt wird, um beide Materialien zu erweichen. Keines der Materialien erreicht seine Schmelztemperatur und der Prozess erzeugt keine Funken und wenig Lärm.

Schließlich werden die Rotationsstopps und die Axiallast erhöht und gehalten, wodurch die Spitze und der untere Teil des Schafts gestaucht werden, um eine Schweißnaht zu erzeugen, die beide Bleche sicher an ihrer Schnittstelle hält. Der gesamte Vorgang dauert ca. 1 Sekunde.

Für zusätzliche Festigkeit kann das Verfahren in Verbindung mit Klebstoffen eingesetzt werden.

Der Ejoweld-Prozess erfolgt vollautomatisch. Zu den Systemkomponenten gehören ein Sechs-Achs-Roboter, ein Setzgerät, eine Zuführung für die Verbindungselemente und eine Steuerung.

Der Verschluss ist in drei Versionen erhältlich: CFF, SRE und REF.

Der CFF ist für Standardverbindungen mit hoher Festigkeit vorgesehen. Es verfügt über einen breiten, hinterschnittenen Kopf, damit verdrängtes Material um die Oberseite der Durchdringung herum nach oben fließen kann. Als Deckschicht kann jedes Leichtmetall mit einer Streckgrenze von 150 bis 320 Newton pro Quadratmillimeter verwendet werden. Es kann 1 bis 4 Millimeter dick sein. Als Grundmaterial kann jede Stahllegierung mit einer Streckgrenze von 270 bis 1.800 Newton pro Quadratmillimeter verwendet werden. Es kann 1 bis 2 Millimeter dick sein.

Der SRE ist halb so groß wie der CFF. Es verfügt über ein dünneres Kopfprofil, sodass sich der Kopf in das aufwärts fließende Material einbettet und eine Verbindung mit niedrigerem Profil entsteht. Es ist ideal für Anwendungen mit schmalen Flanschen, wie z. B. Fahrzeugtüren und -dächern. Als Deckschicht kann jedes Leichtmetall mit einer Streckgrenze von 150 bis 320 Newton pro Quadratmillimeter verwendet werden. Es kann 1 bis 2 Millimeter dick sein. Als Grundmaterial kann jede Stahllegierung mit einer Streckgrenze von 600 bis 1.800 Newton pro Quadratmillimeter verwendet werden. Es kann 1 bis 2 Millimeter dick sein.

Der REF dient zum Verbinden einer Aluminium- oder faserverstärkten Kunststoffplatte mit einer Aluminiumplatte. Während CFF und SRE einen Vollschaft haben, hat der REF einen Hohlschaft.

Das Ejoweld-Verfahren weist einige Einschränkungen auf. Zunächst müssen die Installationsgeräte auf beide Seiten des Stapels zugreifen können. Zudem ragt der Kopf des Befestigers über die Ebene der Deckplatte hinaus, so dass ein bündiges Erscheinungsbild nicht möglich ist.

RIVTAC-Befestigungselemente von Böllhoff Inc. verbinden dünne, leichte Aluminium-, Stahl- oder Nichteisenmetallbleche in Millisekunden mit einer dickeren, schwereren Metalloberfläche. Ein Bohr- oder Stanzloch in der Deckschicht ist nicht erforderlich. Langlebige Bleche und mehrere Lagen können ohne Einbußen bei der Materialleistung verbunden werden.

Das Befestigungselement besteht aus Stahl, der einem Kaltstauchverfahren unterzogen wird. Anschließend wird der Schaft mit einem Gewinde versehen und das gesamte Befestigungselement wird wärmebehandelt, bevor es zur Korrosionsbeständigkeit mit Zink-Nickel beschichtet wird. Der fertige Befestiger hat die Güteklasse 450 HV10, ist 16 Millimeter lang und verbindet Metallstapel mit einer Dicke von 3 bis 6 Millimetern.

Zu den Komponenten des Installationssystems gehören ein Vibrationsförderer, eine Ladestation, Ventil- und Antriebseinheiten, ein HMI und ein 90-Pfund-Installationswerkzeug, das auf einem sechsachsigen Roboter montiert ist. Bevor mit der Montage begonnen wird, werden lose Befestigungselemente aus der Schüssel in eine Schiene an der Ladestation befördert.

Anschließend wird der Setzkopf des Werkzeugs an die Schiene angedockt, wo die Nägel von der Schiene in ein Magazin geschoben werden. Beim Zusammenbau berührt das Nasenstück die Metalloberfläche und ein Pneumatikzylinder schiebt mit einer Geschwindigkeit von 20 Metern pro Sekunde einen Stift aus dem Magazin. Diese Geschwindigkeit erzeugt genügend Energie, damit der Kleber in nur 6 Millisekunden die obere und untere Schicht des Stapels durchdringen kann.

Beim Eindringen in den Stapel verdrängt der Stift Material in die Gewinde am Schaft, wodurch ein Formschluss innerhalb der Verbindung entsteht. Wenn der Stift seine Endposition erreicht, fährt der Zylinder wieder in seine Ausgangsposition zurück und der Zyklus wird wiederholt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit, mit der der Kleber Metallstapel verbindet, kann er mit Klebstoffen verwendet werden.

Über das HMI ist eine Prozessüberwachung jeder Heftanlage möglich. Das Prozessüberwachungsmodul misst, zeigt und analysiert die Haftkraft und Materialverdrängung während der Montage. Darüber hinaus können Bediener Prozesskurvendaten speichern, abrufen und übertragen.

Semblex Corp. hat die gewindeformende Schraube Rolok HS zum Verbinden von hochfestem Stahl eingeführt. Sein einzigartiger zusammengesetzter Gewindewinkel sorgt für eine außergewöhnliche Montageleistung und überwindet gleichzeitig Gewindeschäden und -einbrüche, die bei herkömmlichen gewindefurchenden Schrauben auftreten.

Das Verbindungselement kann Gewinde in hochfeste Stähle mit einer Zugfestigkeit von 500 bis 1.200 Megapascal einrollen. Jedes seiner Gewinde weist drei asymmetrische Lappen auf, die passende Gewinde in der Mutter oder dem Mutternelement bilden. Ein großer oberer Flankenwinkel am Gewinde erhöht die Druckfestigkeit und verringert die Scherbelastung, wodurch ein Zusammenfallen des Gewindes verhindert wird. Gleichzeitig ermöglicht ein schmaler unterer Flankenwinkel die Wartung mit Standard-Maschinenschrauben.

Das Befestigungselement verfügt über ein gutes Antriebs-zu-Streifen-Verhältnis und bietet einen hohen Widerstand gegen vibrationsbedingtes Lösen. Darüber hinaus ist der Schaft des Befestigungselements konisch, um eine Selbstausrichtung während der Installation zu gewährleisten.

Der Standardbefestiger ist mit einer Steigung von 6 bis 7 erhältlich, auf Anfrage kann jedoch auch eine Kurzkegelvariante mit einer Steigung von 4 bis 5 hergestellt werden.

Einsatzhärten kann für nicht sicherheitskritische Anwendungen in Betracht gezogen werden, wenn das Gegenmaterial eine Zugfestigkeit von 800 Megapascal oder weniger aufweist. Bei allen anderen Anwendungen sollte eine Durchhärtung mit induktionsgehärteten Gewindegängen erfolgen. Es stehen verschiedene Beschichtungs- und Beschichtungsoptionen zur Verfügung, um spezifische Kundenanforderungen an Korrosion und Verbindungsleistung zu erfüllen.