Ideale Kombination

Schwerpunkt Verbindungstechnik

Clinchen/Nieten – Moderne Leichtbaumaterialien im Automobilbau erfordern innovative Fügeverfahren. Perfekt abgestimmte kaltumformende Technologien von Tox Pressotechnik ermöglichen dabei optimale und kostensparende Lösungen.

18. August 2015

Eines der wichtigsten Ziele im Automobilbau ist die permanente Gewichtsreduzierung der Fahrzeuge, um die wachsenden Ansprüche an die Kraftstoff-, Material- und Ressourcen-Effizienz zu erfüllen. Bei der Wahl der eingesetzten Werkstoffe zum Beispiel führte der Weg der Automobilindustrie und deren Zulieferer in den vergangenen Jahren deshalb vom Stahlblech über Aluminiumblech und die Hybrid- und Mischbauweise zu Composites und Faserverbundwerkstoffen. Ein konsequenter Leichtbau erfordert jedoch interdisziplinäre Lösungen, die weit über den Einsatz leichtgewichtiger Werkstoffe und Materialien hinausgehen. So lässt sich eine prozesssichere und zugleich wirtschaftliche Fertigung nur durch eine ganzheitliche Sicht- und Vorgehensweise realisieren, bei der unterschiedliche Technologien und Verfahren, Komponenten und Baugruppen, Arbeits- und Funktionsstationen, Subsysteme oder Komplettanlagen zusammenspielen.

Beim automobilen Leichtbau steht deshalb heute keineswegs ein einzelner Werkstoff im Vordergrund, und also auch kein spezielles Composite oder Faserverbundmaterial. Als in nahezu jeder Hinsicht tragfähige Lösung erweist sich stattdessen die Hybrid- oder Mischbauweise, die je nach Bauteil und seinen spezifischen Anforderungen den am besten geeigneten Werkstoff nutzt. Das Ergebnis sind zum Beispiel Kombinationen aus Stahl mit hochfestem Stahl oder mit Aluminium sowie unterschiedlichste Hybrid- und Verbundwerkstoffe. Entsprechend vielfältig sind die Anforderungen an die geeigneten Füge- und Verbindungsverfahren, die jedoch meist mit hohen Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten für das Produktionsequipment und dessen Installation sowie für Service und Fachpersonal verbunden sind.

Kalt fügen statt schweißen

Bereits bei Entwicklung und Konstruktion neuer oder zu optimierender Produkte müssen folglich nicht nur die Funktions- und Design-Vorgaben berücksichtigt werden, sondern auch material-, verarbeitungs- sowie füge-/verbindungstechnische Aspekte, die für die Fertigung relevant sind. Die ideale Lösung aus funktionalem Nutzen und tatsächlichen Kosten kommt dabei jedoch der Quadratur des Kreises gleich, zumal sich die genannten Materialien bzw. Material-Kombinationen oftmals nicht mehr mit herkömmlichen thermischen Fügeverfahren verbinden lassen. In der Praxis setzen sich daher mechanische Kaltfügetechnologien und -verfahren immer mehr durch. Besonders effizient sind dabei das Tox-Rundpunkt-Verfahren und darauf basierende Varianten, die die Tox Pressotechnik GmbH & Co. KG mit Sitz in Weingarten entwickelt hat.

Kostenvorteil inklusive

Der größte Vorteil dieser Verfahren ist, dass sich damit heute so gut wie alle konventionellen Füge- und (Blech-)Verbindungsverfahren ersetzen lassen. Darüber hinaus sind diese Verfahren sehr wirtschaftlich, von der Investition in die Fertigungslösung über die Betriebskosten bis hin zum Aufwand für Ersatzteile, Wartung und Service. Im Vergleich zu einer Punktschweiß-Verbindung zum Beispiel liegt die Kostenersparnis je nach Anwendung zwischen 30 und 60 Prozent pro Verbindungspunkt. Weil Nietverbindungen zudem um einiges teurer sind als Clinch-Verbindungen, werden Letztere in der Automobil-Industrie, wann immer sinnvoll und möglich, bevorzugt. Zudem wird das mechanische nietenlose Tox-Fügeverfahren zunehmend auch in crash- und sicherheitsrelevanten Anwendungen eingesetzt. In jedem Kraftfahrzeug finden sich deshalb heute mehrere Hundert Kaltfügetechnik-Anwendungen, von crashrelevanten Karosserie-Bauteilen bis zu Detail-Fügelösungen in zugelieferten Baugruppen.

Tox Pressotechnik versteht sich als Dienstleister mit Systemlösungskompetenz zur Komplettbearbeitung sowie zum mechanischen Fügen und Verbinden von Bauteilen aus Blech ebenso wie aus Faserverbundmaterialien und Composites. Neben dem Tox-Rundpunkt-Verfahren dienen dazu die Varianten Tox-ClinchNiet, Vollstanzniet und Halbhohlstanzniet. Der wesentliche Unterschied des Tox-Rundpunkt-Verfahrens beim Fügen und Verbinden von Blechen aus gleich oder verschieden dicken sowie gleichen oder unterschiedlichen Materialien per Kaltumformung ist, dass es keinerlei Hilfsfügeelemente benötigt. Beim Fügen und Verbinden mittels Tox-ClinchNiet, Vollstanzniet und Halbhohlstanzniet dagegen müssen solche Komponenten kontinuierlich und störungsfrei zugeführt werden, um die Prozesssicherheit zu gewährleisten. Im Unterschied zu manchen anderen Lösungen sind die Anwender der Tox-Systeme dabei frei in der Wahl des Verbindungselemente-Herstellers.

Um im Fahrzeugbau in jedem denkbaren Anwendungsfall die ideale Symbiose aus Clinch- und Niet-Verbindungen darstellen zu können, bietet Tox Pressotechnik ein umfassendes Technologie- und Verfahrensangebot sowie das gesamte produktionstechnische Equipment in Form von Einzel- und Mehrpunktwerkzeugen, Maschinen- und Roboterzangen, Standard- und Sonderpressen, Stand-alone-Arbeitsstationen und Prozessstationen zur individuellen Systemintegration. Das Angebot reicht dabei von pneumohydraulischen oder elektrischen Presskraft-Antrieben über C-Bügel als Zangen- oder Roboterzangen-Grundelement mit Einzelpunkt- oder Mehrpunkt-Werkzeugen bis zu mechanisch und elektrisch anschlussfertigen Roboter-Schnittstellen einschließlich einer standardisierten, flexibel konfigurierbaren Einpress-Prozessüberwachung.

Die Wahl des optimal geeigneten Verfahrens richtet sich hauptsächlich nach den zu verbindenden Bauteilen. So lassen sich mit dem nietenlosen Tox-Rundpunkt-Verfahren grundsätzlich bis zu vier Bleche verschiedener Dicken mit und ohne Lack- oder Pulverbeschichtungen oder auch mit Folienzwischenlagen miteinander verbinden. Wenn es um Blechfestigkeiten bis 1.200 MPa geht, gewährleistet das Tox-Clinch-Verfahren dabei einen prozesssicheren Einsatz mit Kopfzug- und Scherzug-Kräften zwischen 50 und 65 Prozent im Vergleich zu Halbhohlstanzniet-Verbindungen. Das Verfahren eignet sich für kleinste Flanschbreiten und für dichte Verbindungen, wobei die kleinsten Verbindungspunkte für dünnste Blechlagen (0,1 Millimeter) einen Durchmesser von nur 1,5 Millimeter aufweisen. Weitere Vorteile des nietenlosen Clinch-Verfahrens sind die konkurrenzlos hohe elektrische Leitfähigkeit der Verbindungsstelle, die geringsten Kosten pro Fügepunkt sowie nicht zuletzt deutlich niedrigere Anlagen- und Servicekosten als bei herkömmlichen Füge-/Verbindungsverfahren. Mit Hilfe individueller Werkzeuge lassen sich so maßgeschneiderte und hocheffiziente Füge- und Verbindungslösungen realisieren.

Lösungen für alle Fälle

Tox-ClinchNiet-Verbindungen sind ideal bei dünnen Blechen, wie zum Beispiel Stahl 0,7 Millimeter in Stahl 0,7 Millimeter, wenn die Verbindung dicht sein muss, nur kleinflächige Verbindungsflansche möglich sind oder wenn sortenreine Verbindungen gefordert sind, wie zum Beispiel Alu 1,5 Millimeter in Alu 2,5 Millimeter. Vollstanzniet-Verbindungen dagegen kommen zum Tragen, wenn nietseitig höchstfeste Bleche mit anderen Materialien verbunden werden sollen, wie zum Beispiel MnB5 0,8 Millimeter oder Bleche mit Festigkeiten bis 1.700 MPa in AlMg3 2,0 Millimeter, oder auch zum Verbinden von mehr als drei Blechen.

Einsatzgebiete für Halbhohlstanznieten sind vor allem Anwendungen, bei denen besonders große Kopf- oder Scherzugkräfte zu übertragen sind. So ermöglicht dieses Verfahren pro Niet Übertragungskräfte bis 2.500 Newton bei Kopfzug, bei Scherzug sind pro Niet bis zu 4.300 Newton möglich. Das Halbhohlstanznieten ist deshalb heute eine der am weitesten verbreiteten Niet-Technologien.

Trotz der weiten Verbreitung in der Automobilfertigung bieten sowohl das Tox-Rundpunkt-Verfahren als auch das ClinchNiet-, Vollstanzniet- und Halbhohlstanzniet-Verfahren jedoch noch großes Entwicklungspotenzial, vor allem beim Einsatz moderner Werkstoffe, wie zum Beispiel beim Fügen von Druckgussteilen aus modernen Aluminiumlegierungen wie AlSi19MnMg mit Bauteilen aus hochfestem Stahl oder Edelstahl. Ein anderes Beispiel ist das Verbinden von hochfesten TWIP- und TRIP-Stählen mit Zugfestigkeiten bis 1.000 MPa und einer Bruchdehnung von 50 Prozent, die im Automobilbau wegen ihres hohen Energie-Aufnahmevermögens im Crashfall hauptsächlich für insassenschutzrelevante Bauteile zum Einsatz kommen. Die Tox-Technologien bleiben deshalb auch nach einigen Hundert Anwendungsfällen weiter eine der wichtigsten Lösungen für Fügeverbindungen in der Automobilindustrie.bt

Auf einen Blick

- Die Tox Pressotechnik GmbH & Co. KG mit Sitz in Weingarten bei Ravensburg ist ein führender Hersteller von Systemen zum Pressen, Stanzen, Prägen und Verbinden von Blechen und anderer kalt umformbarer Materialien.

- Zu den wichtigsten Entwicklungen des Unternehmens zählen der pneumohydraulische Pressenantrieb Tox-Kraftpaket sowie das nietenlose mechanische Verbindungsverfahren Tox-Rundpunkt und davon abgeleitete Verfahren wie das Clinch-Nieten, mit denen sich unterschiedlichste Materialien prozesssicher und kostengünstig verbinden lassen.

- Dazu kommen Lösungen zum Vollstanznieten, die vor allem im Leichtbau und beim Verbinden von Hybrid-Bauteilen und Baugruppen große Vorteile bieten.

Erschienen in Ausgabe: 06/2015