Einsatz kalter Fügeverfahren im multimaterialen Fahrzeugleichtbau

Aus Fertigungsautomatisierung
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Technologien der Fertigungsautomatisierung - Seminarreihe zu ausgewählten Forschungsthemen der industriellen Anwendung

Herausgeber: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Weyrich; Siegen; ISSN 2195-9986

 
Titel der Arbeit: Einsatz kalter Fügeverfahren im multimaterialen Fahrzeugleichtbau
Name des Autors: Benedikt Göddeke



Zusammenfassung
In dieser Ausarbeitung werden die grundlegenden und wichtigsten mechanischen Fügeverbindungen im Automobilen Leichtbau aufgezeigt. Die Einteilung des jeweiligen Fügeverfahrens wird in Anlehnung an die bestehende DIN-Norm 8593-4 zu jedem Beginn eines erläuterten Fügeverfahrens vorgenommen. Diese Einteilung bis zur Normuntergruppe wird im weitern Verlauf nach Bedarf noch detaillierter dargestellt. Hierzu werden die Kriterien– lösbare und unlösbare Verbindung – einseitige oder zweiseitige Zugänglichkeit - Verfahren mit oder ohne Hilfsfügeelement – Verfahren mit oder ohne Vorlochoperation –fügeverfahrenbezogen angewendet.

An dieser Stelle soll vermerkt werden, dass die Einteilung nach Schlussart nicht betrachtet wird. Jedoch sind die meisten mechanischen Fügeverbindungen ohnehin als Kombination aus Kraft-, und Formschluss anzusehen. Denn der Stoffschluss spielt nur vereinzelnd eine gesondert auftretende Rolle, mit Ausnahme der hybriden Verbindungstechnik.

Im Anschluss der Klassifizierung in anlehnen der oben genannten Kriterien folgt eine grundlegende, allgemeine Verfahrensbeschreibung. Auf die Einzelheiten und Einflüsse der Prozessparameter muss auf andere Ausarbeitungen verwiesen werden, denn die aufgezeigten Verfahrenbeschreibungen dienen nur einem grundlegenden Verständnis der Prozessabläufe sowie einer grundlegenden Einschätzung der sinnvollen Anwendbarkeit auf gegebene konstruktive Randbedingungen.

Des Weiteren beinhaltet diese Ausarbeitung eine Darstellung der jeweiligen Vor-, und Nachteile der Systeme sowie die zurzeit möglichen und gängigsten Prüfvarianten der mechanischen Fügeverbindung im Entwicklungs- und Produktionsprozess.

Am Ende dieser Ausarbeitung (Abbildung 12) werden die einzelnen Fügeverfahren übersichtlich in einer Tabelle dargestellt und die zuvor genannten Kriterien zugeordnet. So sollte die Auswahl eines sinnvollen, technisch umsetzbaren, Fügeverfahrens auf eine gegebene Konstruktions-Verbindungs-Problematik erleichtert werden.

Einleitung

Durch die ständige Anforderung zukünftige Fahrzeuggenerationen noch fahrsicherer und wirtschaftlicher Nutzen zu können, wird die Weiterentwicklung der aktiven- und passiven Fahrzeugsicherheit ein ständiger Begleiter zukünftiger Entwicklungsaufgaben bleiben. Durch die Integration verschiedenster Messsensoren und Steuergeräte können in Zukunft neben den schon heute bekannten Steuerungs- und Regelungsaufgaben (ABS,ESP,Airbag,SWA,u.v.m.) weitere Fahrassistenzsysteme zur Fahrzeugsicherheit beitragen. Des Weiteren führt der vermehrte Einbau sog. Komfortelektronik (Sitzheizung, Standheizung, elektrische Fensterheber, Zentralverriegelung, Klimaanlage,u.v.m.) ebenfalls zu einem erhöhtem Fahrzeugleergewicht. Im Hinblick auf die begrenzten ökologischen Ressourcen und den eindeutig linearen Zusammenhang der Fahrzeugmasse mit den zu überwindenden fahrdynamischen Widerständen, kann das Fahrzeugmehrgewicht nur durch intelligenten, effizienten Fahrzeugleichtbau in seinen Ausmaßen minimiert werden. Dieser Fahrzeugleichtbau beinhaltet das streben nach immer leichteren Fahrzeugkarosserien. Jedoch dürfen Festigkeiten und Steifigkeiten der Karosserie nicht minimiert werden. Im Gegenteil, die Entwicklung zeigt, dass durch Kombination von Stoffleichtbau, Strukturleichtbau und Formenleichtbau nicht nur die Karosseriemasse gesenkt werden konnte, sondern es gelang den Ingenieuren eine simultane Verbesserung der Karosseriefestigkeit und Steifigkeit zu erreichen. Der Stoffleichtbau hat zur Folge, dass eine multimateriale Werkstoffvielfalt heute Standard bei der Karosserieherstellung ist. Um wie erwähnt ebenfalls die Steifigkeiten der Karosserie zu erhöhen, werden im Formen- und Strukturleichtbau häufig Hohlkörperprofile eingesetzt. Das sind die Gründe warum frühere etablierte Verfahren wie das Widerstandspunktschweißen (WPS) immer mehr in den Hintergrund gedrängt werden und weshalb die mechanischen Fügeverfahren ,folgend erläutert, schon heute nicht mehr zu missen sind.

Clinchen

Abbildung 1: Einordnung der verschiedenen Clinchsysteme

Das Clinchen gehört zur Gruppe DIN 8593-5:2003-09 mit der Untergruppe 4.5.2.11 „Fügen durch Umformen bei Blech-, Rohr- und Profilteilen“ und ist zu finden im Unterpunkt „Durchsetzfügen“. Es ist eine unlösbare Verbindung von mindestens zwei Werkstoffelementen bei dem eine zweiseitige Zugänglichkeit der Fügestelle unumgänglich ist. Beim Clinchen werden die Werkstoffpaarungen ohne Hilfszusatzelement und ohne Vorlochoperation geometrisch definiert gefügt. Wie in Abbildung 1 zu sehen, werden die Clinchverfahren zunächst nach einstufigem oder mehrstufigem Verfahrensablauf eingeteilt. Beim einstufigen Verfahren wird die Clinchung nur mittels Stempelbewegung erzeugt, hingegen der zusätzlichen Matrizenbewegung im mehrstufigen Verfahren. Die weitere Aufschlüsselung der Clinchverfahren ist nun identisch. Zunächst wird unterschieden ob die Clinchung mit oder ohne Schneidanteil hergestellt wird und am Ende ist nur noch die Geometrie zur eindeutigen Definition notwendig.

In der Automobilindustrie werden die nicht-schneidenden Clinchverbindungen aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit, der Dichtigkeit und der Schwingfestigkeit bevorzugt verwendet [1]. Die Geometrien können aber variieren. Jedoch wird am häufigsten aus Gründen der symmetrischen Kraftaufnahme die „ Runde“ Clinchgeometrie ausgewählt.

Prozess und Randbedingungen


Abbildung 2: Makroskopische Stufen des Clinchprozesses

Das Clinchverfahren kann durch die vier Hauptprozessschritte: Positionieren, Durchsetzen, Fließpressen und Rückhub beschrieben werden. Beim „Positionieren“ werden die Blechpaare zueinander unter Aufbringung der nötigen Niederhalterkraft zur Spaltreduzierung ausgerichtet und verspannt. Wenn der Stempeleindruck zum Aufsetzen der Bleche auf die Matrize führt, ist die Rede vom „Durchsetzen“. Hierbei erleidet der Halsbereich durch die Umformung eine Abstreckung. Im weiteren Schritt des „Fließpressens“ wird der Halsbereich weiter abgestreckt, der Boden gestaucht und der benötigte wichtige Hinterschnitt durch weiteres Fließen in die Matrize erzeugt. Der „Rückhub“ in die Ausgangsstellung beendet den Clinchvorgang. Grundsätzlich können bis etwa 6 mm Dicke geclincht werden. [5] Hierbei liegt die zulässige Festigkeit bei etwa 500 MPa. Die Bruchdehnung A80 von 12% sollte nicht unterschritten werden. Ein Streckgrenzenverhältnis von > 0,7 ist bei der Materialwahl anzustreben. Bei diesem Verfahren sollte das dünnere oder duktilere Material matrizenseitig positioniert werden, damit der nötige Hinterschnitt besser ausgeformt werden kann. [1]

Vor- und Nachteile Clinchen


Vorteile Clinchen:

  • In dynamischen Belastungsfällen liegt die Schwingfestigkeit oberhalb der des WPS.Grund sind die auftretenden geringeren Spannungsspitzen im Verbindungspunkt.
  • keine Wärmeeinflusszone
  • kein Hilfsfügeteil
  • kein Stanzbutzen
  • kein Vorlochen
  • verschiedene Materialien können gefügt werden


Nachteile Clinchen:

  • Die quasistatischen Belastungen einer Clinchverbindung liegen etwa 40-75% unterhalb der erreichbaren Festigkeiten einer WPS.
  • Bei höheren Umformgeschwindigkeiten (Crash) kommt es zum Ausknöpfen der Verbindung.
  • Zugfestigkeit bis 500 MPa
  • Mindestbruchdehnung > 12%
  • Streckgenzenverhältnis > 0,7
  • zweiseitige Zugänglichkeit
  • hohe Fügekräfte - schwere Clinchzangen -großer Bauraum notwendig

Prüfungen und Anwendungsgebiete


Die Prüfung wird zu Beginn in der Testphase mittels Trennschnitt durchgeführt. Es ist auf einen ausreichend großen Hinterschnitt sowie eine geringe Spaltstärke zwischen den einzelnen Materialien zu achten. Die Halsdicke des oberen abgesteckten Materials sollte ebenfalls überprüft werden. Abschließend werden nun auch die Festigkeitswerte der Verbindung im Scherzug und Kopfzug ermittelt.

Anwendungsgebiete: Crashrelevantebereiche nur in Verbindung mit crashfestem Strukturkleber (hybrides Fügen) Anwendung bei schwingender oder statischer Belastungen beispielsweise an Motorhauben, Hecklappen und Türen sowie Kotflügeln.

Im späteren Serienbetrieb kann eine intakte Verclinchung anhand der Restbodendicke mittels Messstaster erkannt werden. Als Qualitätssichernde Monitoring-Maßnahmen bleiben der Vergleich von Kraft-Weg-Verläufen mit einem angelegten Prozessfenster oder die Hüllkurventechnik zu nennen.

Stanznieten

Abbildung 3: Stanznieten

Das Stanznieten gehört zur Gruppe DIN 8593-5:2003-09 mit der Untergruppe 4.5.3 „Fügen durch Nietverfahren“. Es ist eine unlösbare Verbindung von mindestens zwei Werkstoffelementen bei dem eine zweiseitige Zugänglichkeit der Fügestelle unumgänglich ist. Beim Stanznieten werden die Werkstoffpaarungen mit Hilfszusatzelement aber ohne Vorlochoperation gefügt. Im Wesentlichen sind zwei Stanznietvarianten (Abbildung 3) zu unterscheiden.


Abbildung 4: Übersicht der Nietverfahren

Das Stanznieten mittels Voll-, und Halbhohlstanzniet. Der Vollstanzniet besitzt einen zylindrischen Nietkörper. Der Nietkopf ist ein Senkkopf mit scharfem Übergang zum Nietschaft. Der Nietfuß wird durch eine umlaufende Ringnut geprägt. Der Halbhohlstanzniet hingegen ist durch einen großen Radius als Übergang vom Senkkopf zum Nietschaft gekennzeichnet. Außerdem bildet eine Bohrung im Nietfuß die benötigte Nietschneide. Wie in Abbildung 4 zu sehen, werden die Nietverfahren zunächst nach ihrer Verbindungsaufgabe eingeteilt. Bei der Einteilung mit Nietelement sind alle Niete zu finden bei denen nur die Verbindung der Materialpaarungen angestrebt wird. Sollte jedoch ein Verbindungselement eingesetzt werden um im späteren Arbeitsgang dort eine dritte Komponente anschrauben zu können, so gilt die untere Einteilung „Verbindung mit Funktionselementen“. Zur weiteren Einteilung werden die eventuell nötige Vorlochoperation und die Zugänglichkeit berücksichtigt. [3] [4]


Prozess und Randbedingungen


Abbildung 5: Prozessübersicht Halbhohlstanznieten

Das Stanznietverfahren kann durch die vier Hauptprozessschritte: Positionieren, Eindringen, Durchstanzen und Setzen beschrieben werden (Abbildung 5). Aus Gründen der Übersicht wird das Halbholstanznieten und Vollstanznieten gesondert betrachtet.

Halbhohlstanznieten: Beim „Positionieren“ werden die Blechpaare zueinander unter Aufbringung der nötigen Niederhalterkraft zur Spaltreduzierung ausgerichtet und verspannt. Der Niet drückt die Blechteile beim „Eindringen“ in die Formmatrize. Wenn der Stempeldruck genügend hoch ist, beginnt der Niet die oberen Materiallagen zu „durchstanzen“. Die Stanzbutzen verbleiben verliersicher im Halbhohlniet. Im letzten Teil des Prozesses verspreizt sich der Niet in der unteren Blechlage und bildet eine kraft- und formschlüssige Verbindung. Der Prozess des Halbhohlstanznietens wird in der Regel kraftgesteuert geregelt.

Vollstanznieten: Beim Vollstanznieten führt der kontinuierlich, wegsteuerte Stempel den Vollstanzniet durch alle Blechlagen gegen eine Schneidmatrize. Prozessbedingt entsteht ein Stanzbutzen welcher separat abgeführt werden muss. Die Einteilung: „Positionieren“, „Eindringen“, „Durchstanzen“ und „Setzen“ bleibt bestehen.

Vor- und Nachteile Stanznieten


Allgemeine Vorteile Stanznieten :

  • In dynamischen Belastungsfällen liegt die Schwingfestigkeit oberhalb der des WPS.Grund sind die auftretenden geringeren Spannungsspitzen im Verbindungspunkt.
  • keine Wärmeeinflusszone
  • kein Vorlochen
  • verschiedene Materialien können gefügt werden
  • höhere Verbindungsfestigkeiten als bei Clinchungen
  • Ultrahochfeste Bleche bis 1600 MPa können gefügt werden
  • Gusshalbzeuge können gefügt werden


Allgemeine Nachteile Stanznieten:

  • Die quasistatischen Belastungen liegen unterhalb der erreichbaren Festigkeiten einer WPS.
  • zweiseitige Zugänglichkeit
  • Hilfselement wird benötigt
  • Stanzbutzen entsteht
  • hohe Fügekräfte - schwere C-Zangen -großer Bauraum notwendig [8]

Vor- und Nachteile Halbhohlstanznieten gegenüber Vollstanznieten


Vorteile des Halbhohlstanznieten gegenüber dem Vollstanznieten:

  • Höhere quasistatische und dynamische Verbindungsfestigkeit sowohl bei Kopf- als auch bei Scherzugbelastungen
  • kein Stanzbutzen
  • Gas- und Flüssigkeitsdicht


Nachteil des Halbhohlstanznieten gegenüber dem Vollstanznieten:

  • Blechfestigkeiten nur bis maximal 1000 MPa anstatt 1600 MPa
  • Maximal drei statt möglicher vier Blechlagen
  • große mechanische Nietbelastung
  • dickeres matrizenseitiges Blech notwendig
  • es können keine spröden Gusswerkstoffe verbunden werden
  • höherer Bauteilverzug


Bei beiden Verfahren sollte das dickere oder duktilere Material matrizenseitig positioniert werden, damit eine höhere Verbindungsfestigkeit entsteht.

Prüfungen und Anwendungsgebiete


Die Prüfung wird zu Beginn in der Testphase mittels Trennschnitt durchgeführt. Es ist auf einen ausreichend großen Hinterschnitt sowie eine geringe Spaltstärke zwischen den einzelnen Materialien zu achten. Die Restbodendicke sowie das Stauchmaß des Halbhohlniets können ermittelt werden. Beim Vollstanzniet kann nur die Füllung der Ringnut bestimmt werden. Abschließend werden nun auch die Festigkeitswerte der Verbindung im Scherzug und Kopfzug überprüft.

Im späteren Serienbetrieb kann ein intakter Stanznietprozess ebenfalls durch qualitätssichernde Monitoring-Maßnahmen der Kraft-Weg-Verläufe mit einem angelegten Prozessfenster oder der Hüllkurventechnik gewährleistet werden.

Anwendungsgebiete: Gerade in crashrelevanten Bereichen hat sich das Stanznieten etabliert. Vorderer und hinterer Stoßfänger (Bumper) etc. da diese meist pressgehärtet sind. Generell überwiegt zurzeit noch die Anwendung bei Alu-Stahl-Verbindungen. Prinzipiell sind aber alle Materialkombinationen denkbar.

Schließringbolzensetzen


Das Schließringbolzensetzen gehört zur Gruppe DIN 8593-5:2003-09 mit der Untergruppe 4.5.3 „Fügen durch Nietverfahren“(Abbildung 4). Es ist eine unlösbare Verbindung von mindestens zwei Werkstoffelementen bei dem eine zweiseitige Zugänglichkeit der Fügestelle unumgänglich ist. Beim Schließringbolzensetzen werden die Werkstoffpaarungen mit einem Schließringbolzen und einem Schließring in einer vorgelochten Fügestelle verbunden.

Es gibt bei diesem Verfahren drei unterschiedliche Kopfgeometrien des Schließringbolzens:

  1. großer Flachrundkopf, für weichen kopfseitigen Bauteilwerkstoff und / oder notwendiger großer Bohrlochabdeckung.
  2. Senkkopf, für ebene kopfseitige Bauteiloberfläche.
  3. Sondergeometrien, um Gelenk- oder Scharnierfunktionen zu integrieren.


Der Schließring ist ebenfalls in drei Ausführungen erhältlich:

  1. Standardausführung
  2. Flanschschließring, ähnliche dem großen Flachrundkopfbolzen.
  3. Niedrigschließring, für geringen Überstand.

Prozess und Randbedingungen


Abbildung 6: Verfahrensübersicht Schließringbolzensetzen

Das Schließringbolzensetzen (Abbildung 6) kann durch die drei Hauptprozessschritte: Positionieren, Vorspannen und Setzen beschrieben werden. Durch die nötige Vorlochoperation muss eine genaue „Positionierung“ von Schließringbolzen und Werkstückpaarung gewährleistet werden. Eine weitere Herausforderung stellt die zusätzliche Positionierung des Schließringbolzenwerkzeuges dar. Beim „Vorspannen“ wird der Schließringbolzen durch eine aufgebrachte Zugkraft im sog. Zugteil elastisch gelängt. Zeitgleich wird der Schließringbolzen in entgegengesetzter Richtung in die parallel laufenden Schließrillen des Bolzens eingeformt. Im „Setzvorgang“ fließt der Schließringwerkstoff axial in Richtung des Bolzens und die elastische Rückdehnung bei Wegnahme der Zugkraft sorgt für die nötige Vorspannkraft der Verbindung. Es sind Schließringbolzen von 5 mm – 30 mm Durchmesser erhältlich. Eine Gesamtbauteildicke von 1 mm – 100 mm kann hochfest miteinander verbunden werden. Generell sind alle Werkstoffpaarungen denkbar, jedoch sollten in der Auslegung der Reibschluss sowie die Lochleibung und die ertragbare Flächenpressung berücksichtigt werden. [7]

Vor- und Nachteile Schließringbolzensetzen


Vorteile Schließringbolzensetzen:

  • keine Wärmeeinflusszone
  • verschiedene Materialien können gefügt werden
  • Klemmkraft liegt in engen Toleranzen
  • Reibung beim Anziehen hat keinen negativen Einfluss auf die Klemmkraft
  • keine Vorspannkraftverluste
  • kein Losdrehen durch axial verlaufende Umlaufrillen


Nachteile Schließringbolzensetzen:

  • zweiseitige Zugänglichkeit
  • Hilfselement wird benötigt
  • Vorlochen nötig
  • nicht zerstörungsfrei lösbar

Prüfungen und Anwendungsgebiete


Die Prüfung wird zu Beginn in der Testphase mittels Trennschnitt durchgeführt. Es ist auf die vollständige Ausfüllung des Schließrings in den axialen Umlaufrillen zu achten. Als Besonderheit kann hier die Prüfung mittels Lehren angesehen werden. Diese Überprüfung dient der schnellen Betrachtung des Schließringsitzes. Abschließend werden nun auch die Festigkeitswerte der Verbindung im Scherzug und Kopfzug überprüft und somit die konstruktive Auslegung nach der Lochleibung bestätigt.

Im späteren Serienbetrieb kann eine intakte Schließringbolzenverbindung durch qualitätssichernde Monitoring-Maßnahmen der Kraft-Weg-Verläufe mit einem angelegten Prozessfenster oder der Hüllkurventechnik gewährleistet werden.

Anwendungsgebiete: Diese Verbindung ist überall dort zu finden wo eine hohe Klemmkraft bei dynamischer Betriebsbelastung aufgebracht werden soll. Durch den enormen Vorteil der Losdrehsicherung wird im Automobilbereich dieses Verfahren in sicherheitstechnische Anwendungen im Sitz- und Airbagbereich angewendet. [1]

Blindnietmuttersetzen

Das Blindnietmuttersetzen gehört zur Gruppe DIN 8593-5:2003-09 mit der Untergruppe 4.5.3 „Fügen durch Nietverfahren“(Abbildung 4). Es dient dazu, eine lösbare Verbindung zwischen zwei Werkstückpaaren zu ermöglichen. Hierzu dient die Blindmutter als Funktionselement der Verbindung. Eine Vorlochoperation ist in jedem Fall notwendig jedoch kann die Nietmutter „Blind“ mit einseitiger Zugänglichkeit in den Werkstoff eingebracht werden.

Abbildung 7: Übersicht verschiedener Blindnietmuttern

Es gibt zu diesem Verfahren (Abbildung 7) artverwandte Systeme welche eine Ausführung als Blindnietbolzen ermöglichen oder eine höhere Drehmomentaufnahme durch einen Sechskantkopf ertragen. Das angewandte Produktportfolio ist so umfangreich, dass an dieser Stelle auf die Einzelheiten und Unterschiede verschiedener Ausführungsarten verzichtet wird.

Prozess und Randbedingungen


Abbildung 8: Prozessübersicht Blindnietmuttersetzen

Das Blindnietmuttersetzen (Abbildung 8) kann durch die vier Hauptprozessschritte: Aufspindeln, Einführen in Aufnahmebohrung, Stauchen und Abspindeln beschrieben werden. Durch die nötige Vorlochoperation muss eine genaue Positionierung zum „Aufspindeln“ und „Einführen“ der Blindnietmutter gewährleistet werden. Beim „Aufspindeln“ wird die Blindnietmutter auf das Gewinde am Setzgerät aufgeschraubt und anschließend in die vorgelochte Bohrung „eingeführt“. Der nun einsetzende Stauchvorgang zieht den innenliegenden Teil der Nietmutter an die hinterseitige Werkstoffwand. Durch das „Abspindeln“ ist der Nietprozess beendet und eine neue Nietmutter kann aufgenommen werden.


Es sind Blindnietmuttern von M3 bis M12 einsetzbar. Jedoch können nicht generell alle Größen in Stahl, Aluminium oder Edelstahl angeboten werden. Das gilt ebenso für die erhältlichen Gewindegrößen M3 bis M8 der Blindnietgewindebolzen. [6]

Vor- und Nachteile Blindnietmuttersetzen


Vorteile Blindnietmuttersetzen:

  • keine Wärmeeinflusszone
  • einseitige Zugänglichkeit
  • bietet Gewinde für lösbare Schraubverbindung oder Schraubmutter
  • verschiedene Materialien können nur durch die Blindnietmutter gefügt werden
  • eine Verbindung mehrerer Werkstoffpaarungen ist möglich


Nachteile Blindnietmuttersetzen:

  • Hilfselement wird benötigt
  • Vorlochen nötig
  • nicht zerstörungsfrei lösbar

Prüfungen und Anwendungsgebiete


Die Prüfung wird zu Beginn in der Testphase mittels Trennschnitt durchgeführt. Es ist auf die genügend große innere Anlagewulst des Nietelementes zu achten. Ein weiteres Maß der Verbindungsüberprüfung ist das ertragbare Festdrehmoment sowie die Bolzenausreißkraft.

Anwendungsgebiete: Diese Verbindung ist überall dort zu finden wo ein Gewinde oder ein Gewindebolzen aufgebracht wird. An diversen Blechanbaukonstruktionen oder zur Dämpferbefestigung von Hauben und Klappen.


Das Loch- und gewindefurchende Schrauben

Das Loch- und Gewindeformende Schrauben gehört zur Gruppe DIN 8593-5:2003-09 mit der Untergruppe 4.3.5 „Fügen durch Anpressen/Einpressen“. Es ist eine lösbare Verbindung von mindestens zwei Werkstoffelementen bei dem nur eine einseitige Zugänglichkeit der Fügestelle nötig ist. Es werden grundlegend zwei Verfahren unterschieden. Zum einen das Loch- und Gewindeformende Schrauben bei welchem keine Vorlochung nötig ist und zum anderen das Gewindeformende Schrauben. Hierbei muss das obere Blech vorgelocht werden und nur das Gewinde wird selbstfurchend hergestellt. Weiterhin wird bei beiden Varianten das Fließlochformende Schrauben (FLS) und das Kaltformende Schrauben (KFS) unterschieden. Der wesentliche Unterschied liegt in der angewendeten Einschraubdrehzahl, da durch unterschiedliche Schraubengeometrien andere Prozesswärmen benötigt werden. Weiterhin wird beim Kaltformenden Schrauben der Werkstoff nicht plastifiziert, was zur geringeren Festigkeit führt. Die spezielle Spitzengeometrie beim Kaltformenden Schrauben realisiert das „Ankörnen“, „Loch- und Durchzug formen“ und „Gewindefurchen“. Aufgrund der ähnlichen Vorgehensweisen bei der Herstellung und Überprüfung dieser Verbindungen wird nur das am häufigsten angewendete Schraubverfahren, das Fließlochformende Schrauben (FLS) ohne setzseitige Vorlochoperation beschrieben.

Das Fließlochformende Schrauben (FLS) wird folgenden durch das bekanntere englische Wort Flow-Drill-Screwing (FDS) ersetzt.

Prozess und Randbedingungen


Abbildung 9: Prozessübersicht Flow-Drill-Schrauben

Das FDS (Abbildung 9) kann durch die sechs Hauptprozessschritte: Erwärmen, Durchdringen, Durchzug formen, Gewinde furchen, Durchschrauben und Anziehen beschrieben werden. Beim „Erwärmen“ setzt die Schraube mit werkstoffabhängiger Anpresskraft auf dem oberen Werkstoff auf und erzeugt durch ihre Eigendrehzahl eine Reibungswärme die zur lokalen Plastifizierung führt. Anschließend beginnt der Werkstoff zu fließen und die Schraube „durchdringt“ die zu fügenden Werkstoffe. Die Formgebungskanten an den Außenflanken der Schraube formen einen zylindrischen „Durchzug“ im Werkstoff aus, dadurch wird die nutzbare Gewindelänge der Schraubenverbindung erhöht. Bei weiterem Eindrehen der Schraube in den Werkstoff „furchen“ die ersten Gewindegänge ein Mutterngewinde spanlos in den Durchzug. Abschließend wird dann die Schraube komplett „durchgeschraubt“ und mit dem vorgesehen Anzugsdrehmoment „angezogen“. Während der Abkühlung der Verbindung schrumpft das Mutterngewinde zusätzlich auf die FDS-Schraube.


Zurzeit werden Gewindegrößen von M3 – M8 eingesetzt. Es können somit Anzugsdrehmomente von 1,5Nm – 29Nm aufgenommen werden. Bei diesem Verfahren sollte das Dünnere in das Dickere Material geschraubt werden sowie bevorzugt das Weichere in das Härtere. [9]

Vor- und Nachteile FDS


Vorteile FDS:

  • lösbare Verbindung
  • einseitige Zugänglichkeit
  • gefurchtes anstatt geschnittenes Gewinde
  • kein Vorlochen
  • hohe Verbindungsfestigkeit durch Fließformen


Nachteile FDS:

  • lokaler Wärmeeinfluss
  • Zusatzelement nötig

Prüfungen und Anwendungsgebiete


Die Prüfung wird zu Beginn in der Testphase mittels Trennschnitt durchgeführt. Es ist auf einen ausreichend großen Durchzug, den Fügespalt und die Kopfauflage zu achten. Abschließend werden nun auch die Festigkeitswerte der Verbindung im Scherzug und Kopfzug ermittelt.

Die fertigungstechnische Auslegung mittels Einschraubtiefenerkennung, Drehmomentaufnahme und Überdrehmomentprüfung wird an dieser Stelle nicht beschrieben.

Anwendungsgebiete: Karosserieteile, vorwiegend Blechstrukturen. Gute Kombination mit Strukturklebstoff für das hybride Fügen.

Das Bolzensetzen


Das Bolzensetzen gehört zur Gruppe DIN 8593-5:2003-09 mit der Untergruppe 4.3.5 „Fügen durch Nageln und Einschlagen“. Es ist eine unlösbare Verbindung von mindestens zwei Werkstoffelementen bei dem nur eine einseitige Zugänglichkeit der Fügestelle nötig ist. Beim Bolzensetzen werden die Werkstoffpaarungen mit Hilfszusatzelement aber ohne Vorlochoperation gefügt. Das Bolzensetzen ist ein jüngst entwickelter Prozess, bei dem ein nagelartiges Element unter Hochdruck in kürzester Prozesszeit in alle Materialkombinationen eingeschlagen werden kann.

Prozess und Randbedingungen


Abbildung 10: Prozessübersicht Bolzensetzen

Das Bolzensetzen (Abbildung 10) kann durch die vier Hauptprozessschritte: Ansetzen, Eindringen, Durchdringen und Verspannen beschrieben werden. Beim „Ansetzen“ wird mittels Niederhalter und Anpressdruck der Zwischenspalt der Werkstoffpaare minimiert. Beim „Eindringen“ beginnt der Bolzen die oberste Materialschicht zu durchstoßen. Es entsteht ein Materialaufschub entgegen der Fügerichtung. Wenn im nächsten Schritt die „Durchdringung“ des Materials stattfindet, formt sich ein festigkeitsgebender Durchzug entlang des Bolzenschaftes aus. Im letzen Schritt „verspannt“ sich die Anhebung der Materialoberseite und verschwindet am Ende des Fügeprozesses in der umlaufenden Ringnut des Bolzenkopfes.


Abbildung 11: Anwendungsbeispiel Bolzensetzen

Grundsätzlich können Blechstärken von 3 mm bis 6 mm Dicke gefügt werden. Hierbei liegt die zulässige Festigkeit des setzseitigen Materials bei etwa 1000 MPa. Das hintere Material kann eine Festigkeit von etwa 1600 MPa aufweisen. Jedoch sollte hier eine Mindestmaterialstärke von 1,5 mm bei Stahl und 2,5 mm bei Aluminium nicht unterschritten werden. Wie auch schon beim Fließlochformenden Schrauben sollte auch die Materialkombination dünn in dick sowie weich in hart angestrebt werden. Die Abbildung 11 zeigt zwei hybride Aluminiumanwendungen.

Vor- und Nachteile Bolzensetzen


Vorteile Bolzensetzen:

  • kein Wärmeeinfluss
  • einseitige Zugänglichkeit
  • kein Vorlochen
  • hohe Verbindungsfestigkeit durch rückseitigen Durchzug
  • spröde Gusswerkstoffe lassen sich Fügen
  • ultrahochfeste Stähle mit Rm =1600 MPa lassen sich bis zu einer Blechstärke von 1,8mm durchschießen
  • gleichmäßige Klebstoffschicht da sich bei diesen Setzgeschwindigkeiten der Klebstoff nicht verdrängen lässt.
  • keine Klebstofftaschen beim hybriden Fügen


Nachteile Bolzensetzen:

  • unlösbare Verbindung
  • Zusatzelement nötig
  • vergleichsweise laute Impulsgeräusche
  • hintere Blechlage muss nötige Abstützung bieten

Prüfungen und Anwendungsgebiete


Die Prüfung wird zu Beginn in der Testphase mittels Trennschnitt durchgeführt. Es ist auf einen eng anliegenden Durchzug sowie auf eine ebene Bolzenkopfauflage zu achten. Abschließend werden nun auch die Festigkeitswerte der Verbindung im Scherzug, Schälzug und Kopfzug ermittelt. Bei der Schälzugbelastung stellen sich etwa doppelt so hohe Festigkeiten wie beim Widerstandspunktschweißen ein. Beim Scherzug liegt die Belastbarkeit jedoch unterhalb der des Widerstandpunktschweißens. Dieser Effekt beruht jedoch auf dem größeren Punktdurchmesser sowie dem sich zusätzlich einstellendem Stoffschluss der Verbindung.

Anwendungsgebiete: Anwendung in Crashrelevantenbereichen wie B-Säulen und anderen ultrahochfesten Blechen. Ebenso findet das Bolzensetzen im Strukturbodenbereich des ScaLight Anwendung. [1] [6]

Übersicht der vorgestellten Verfahren


Die Abbildung 12 zeigt eine Übersicht der erläuterten Verfahren und berücksichtigt die grundlegende Betrachtung der Anwendbarkeit. Abbildung12: Übersicht der erläuterten Fügeverfahren

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung Bedeutung
ABS Antiblockiersystem
ESP Elektonisches Stabilitätsprogramm
FDS Flow-Drill-Screwing
FLS Fließlochformendes Schrauben
KFS Kaltformendes Schrauben
SWA Spurwechselassistent
WPS Widerstandspunktschweißen

Abbildungsverzeichnis

Abb.-Nr. Bezeichnung Quelle
1 Einordnung der verschiedenen Clinchsysteme angelehnt an [3]
2 Makroskopische Stufen des Clinchprozesses [6]
3 Stanznieten angelehnt an [6]
4 Übersicht der Nietverfahren angelehnt an [3]
5 Prozessübersicht des Halbhohlstanznieten [2]
6 Verfahrensübersicht Schließringbolzensetzen angelehnt an [7]
7 Übersicht verschiedener Blindnietmuttern angelehnt an [6]
8 Prozessübersicht Blindnietmuttersetzen [6]
9 Prozessübersicht Flow-Drill-Schrauben [9]
10 Prozessübersicht Bolzensetzen [6]
11 Anwendungsbeispiel Bolzensetzen [6]
12 Übersicht der erläuterten Fügeverfahren [-]

Literaturverzeichnis

[1] Frank Henning, Elvira Moeller: Handbuch Leichtbau, Hanser Verlag 2011
[2] Selbststudienprogramm Audi TT Coupé Karosserie 383
[3] Ortwin Hahn, Uwe Klemens: Fügen durch Umformen, Niete und Durchsatzfügen - Innovative Verbindungsverfahren, Dokumentation 707
[4] Deutsches Institut für Normung e.V. : DIN 8593-5:2003-09
[5] Klaus-Jürgen Matthes, Frank Riedel: Fügetechnik:Überblick - Löten - Kleben - Fügen durch Umformen, Hanser Verlag 2003
[6] Onlineartikel: http://www.boellhoff.de, Stand: Dezember 2011
[7] Webseite: http://www.avdel-global.com, Stand: Dezember 2011
[8] Onlineartikel: http://www.industrieanzeiger.de/themen/-/article/12503/29350343?returnToFullPageURL=back;, Stand Dezember 2011
[9] Webseite: http://www.ejot.de/ejot.de/FDS®--5065, Stand: Dezember 2011