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Verbinden von Kunststoffen mit Metallen

Im Verbund

28.09.2006 | Redakteur:

Eigenschaftsoptimierte Niettechniken zum Verbinden von Kunststoffen mit Metallen.

Mechanische Fügeverfahren tragen entscheidend dazu bei, die Realisierung von Leichtbaukonzepten zu unterstützen. Denn Kunststoffe können nur dann erheblich zum Leichtbaugrad einer Konstruktion beitragen, wenn sich diese polymere Teilkomponente in eine Gesamtkonstruktion einbinden lässt. Mit dem zunehmenden Einsatz von Kunststoffen, ob verstärkt oder unverstärkt, in Mischbaukonstruktionen ergibt sich die Forderung, das Leistungsspektrum der mechanischen Fügeverfahren auch auf Mischverbindungen von Metallen mit Kunststoffen auszudehnen [1 bis 4]. Die derzeit dominierenden Verfahren zum Fügen von Metallen mit Kunststoffen sind das Kleben und Schrauben sowie verschiedene Formen von Schnappelementen. Dabei werden Nachteile wie Auftrags- und Fixierprobleme bei Klebstoffen oder die Verwendung komplexer Konstruktionselemente in Kauf genommen, um diese Verbindungen zu realisieren. Zu diesen Methoden stellen die umformtechnischen Fügeverfahren eine wertvolle Alternative dar, weil auch für die Realisierung der Verbindungen von Metall und Kunststoff die bekannten Vorteile dieser Verfahren wie hohe Prozesssicherheit und -geschwindigkeit bei vergleichsweise guter Recyclingeignung genutzt werden können. Auch werden mit diesen Verfahren sofort belastbare Verbindungen ohne komplexe Formschlusselemente erzeugt. Derzeit am Markt befindliche Nietsysteme sind nur in Einzelfällen für das Verbinden von Kunststoffen mit Metallen applikationsspezifisch entwickelt worden. Herkömmliche Stanzniet- und Blindniettechniken, die primär für Verbindungen an metallischen Fügeteilen entwickelt wurden, erfordern jedoch die Anpassung der Nietsysteme und Prozessparameter an die besonderen Anforderungen von Kunststoffen. Vor diesem Hintergrund wurden ausgewählte Blindniet- und Halbhohlstanznietsysteme gezielt für Aufgaben des Verbindens typischer metallischer Werkstoffe mit unverstärkten thermoplastischen Werkstoffen optimiert und ihre Verfahrensgrenzen und Anwendungspotentiale ausgeweitet.Zu hohe Druckspannungen können Kunststoff verfärben Die Untersuchungen wurden seitens der metallischen Fügeteilwerkstoffe auf praxisrelevante Stahl- und Aluminiumwerkstoffe beschränkt. Um Grundlagen in Bezug auf das Verhalten der Kunststoffe beim Verbinden durch mechanische Fügeverfahren zu erarbeiten, wurden aus dem Gesamtspektrum der im industriellen Einsatz befindlichen Kunststoffvarianten unverstärkte Thermoplaste herausgegriffen. Für die Untersuchungen eingesetzt wurde ein Polycarbonat (PC) sowie ein Acrylnitril-Butadien-Styrolcopolymer (ABS). Die Polycarbonate grenzen sich zu dem ABS unter anderem durch ihre optische Durchsichtigkeit ab. Es werden daher besondere Anforderungen an das Fügeverfahren gestellt, damit es durch zu hohe Druckspannungen nicht zur Vertrübung des Kunststoffes kommt. Einsatzgebiete des Polycarbonats sind zum Beispiel Schutzhelme, Fensterverglasungen und Sicherheitsgläser. ABS ist ein Mischpolymer aus Harz und Elastomer. Die charakteristischen Eigenschaften des ABS sind hohe Festigkeit, Schlagfestigkeit und Oberflächenhärte. Sie werden insbesondere auch bei der Gehäusefertigung der Automobil- und Elektronikindustrie eingesetzt [5]. Das Blindnieten eignet sich für viele Werkstoffkombinationen Im Rahmen der Untersuchungen wurden das Blindnieten als Referenzverfahren sowie das Stanznieten mit Halbhohlstanzniet betrachtet. Das einseitige Verbinden mit Nietelementen, das so genannte Blindnieten, beschränkt sich nicht nur auf Konstruktionen, deren Zugänglichkeit auf eine Seite begrenzt ist, wie große Fügeteile oder geschlossene Profile. Blindniete werden auch bei beidseitig zugänglichen Fügestellen eingesetzt. Der Vorteil liegt in der einfachen Montage, den sehr guten wirtschaftlichen und mechanischen Eigenschaften sowie des sehr breiten Anwendungsspektrums hinsichtlich der fügbaren Werkstoffkombinationen [6 bis 8].Die Stanznietverfahren zeichnen sich durch Wirtschaftlichkeit, Prozesssicherheit und universelle Einsatzmöglichkeit aus. Mittels Stanznieten lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher, auch metallurgisch unverträglicher Werkstoffe miteinander verbinden. Als Voraussetzung für dieses Verfahren gilt im Gegensatz zur Blindniettechnik im Allgemeinen eine ausreichende Duktilität des matrizenseitigen Werkstoffes. Bei dem Verfahren des Stanznietens mit Halbhohlstanzniet wird unter Verwendung eines rotationssymmetrischen Halbhohlstanznietes in einem einstufigen Arbeitsgang eine form- und kraftschlüssige Verbindung hergestellt. Handelsübliche Fügesysteme kamen zum Einsatz Zunächst wurde das Einsatzpotential handelsüblicher Blindniet- und Halbhohlstanznietsysteme zum Verbinden von Kunststoffen mit Metallen untersucht. Es wurden ausschließlich Systeme eingesetzt, die nicht explizit auf die Verbindungsaufgabe Metall-Kunststoff optimiert waren, sondern ihr primäres Einsatzgebiet beim Verbinden von metallischen Werkstoffen haben, um die aus den Eigenschaften der Kunststoffe in die Verbindung implizierten Problemstellungen aufzuarbeiten. Einprägeeffekte im Kunststoff konnten minimiert werdenMit handelsüblichen Blindnietsystemen mit einem Nenndurchmesser von 4,8 mm konnten alle untersuchten Werkstoffkombinationen mit Einzeldicken der Fügeteile von 1,25 mm bis 2 mm im Labormaßstab prozesssicher verbunden werden. Insbesondere bei setzkopfseitiger Anordnung der Kunststoffe ABS und Polycarbonat konnten qualitativ hochwertige Verbindungen realisiert werden. Bei schließkopfseitiger Anordnung der Kunststoffe stellten sich jedoch Einzüge sowie ein Einprägen der Schließköpfe in die Kunststofffügeteile ein. Für diese Fügerichtung wurden die Blindnietsysteme im Hinblick auf angepasste Klemmlänge und Anzugs- sowie verbleibende Klemmkraft optimiert, wodurch die Einprägeffekte minimiert oder sogar vollständig verhindert wurden. Bild 1 zeigt die charakteristischen Fügeelementausprägungen blindgenieteter Metall-Kunststoff-Verbindungen.Die Tragfähigkeitsuntersuchungen unter quasistatischer Scher- und Schälzugbelastung an einfach überlappten Einelementproben haben gezeigt, dass die Blindnietverbindungen ein sehr gutes Tragverhalten aufweisen und sich durch die Anordnung des metallischen Fügeteils auf der Schließkopfseite Vorteile beim Erzielen hoher Energieaufnahmen gegenüber der wechselseitigen Fügerichtung einstellen. Dies ist begründet durch die Versagensrelevanz des schließkopfseitigen Fügeteils. Durch die Verwendung eines für die schließkopfseitige Anordnung des Kunststofffügeteils optimierten Blindnietsystems kann das Energieaufnahmevermögen im Vergleich zu einem handelsüblichen System ebenfalls gesteigert werden. Insbesondere in Bezug auf die Zeitstandfestigkeit der optimierten Verbindungen sind jedoch erhebliche Vorteile im Tragverhalten zu erwarten.Auch handelsübliche Halbhohlstanznietsysteme sind prinzipiell zum Verbinden von Kunststoffen mit Metallen geeignet. Jedoch ist die Fügerichtung von entscheidender Bedeutung. Um mit Hilfe handelsüblicher Systeme eine Verbindung zu ermöglichen, sollte die Fügerichtung Kunststoff in Metall angestrebt werden. Auch bei dieser Fügerichtung ist eine werkstoffkombinationsabhängige Anpassung der Prozessparameter zwingend zu empfehlen, da von einer Spaltbildung im Nietfußbereich, basierend auf der Rückfederung des im Nietschaft verbrachten Kunststoffs, ausgegangen werden kann. Durch das Einbringen einer geometrisch abgestimmten Kontur in das Kunststofffügeteil kann das Volumen des in den Nietschaft verbrachten Polymerwerkstoffs gezielt reduziert werden, was zu einer Minimierung der Spaltbildung führt.Optimierte Nietgeometrie und Integration einer Napfkontur Die Herstellung einer geschlossenen, tragfähigen Verbindung mit matrizenseitiger Anordnung eines der untersuchten Kunststoffe war mit handelsüblichen Halbhohlstanznietsystemen nicht möglich, weil das Umformvermögen sowie die Druckfestigkeit der Kunststoffe nicht ausreichend war. Deshalb wurde durch eine Nietgeometrieoptimierung sowie die Integration einer Napfkontur in das Kunststofffügeteil die Möglichkeit geschaffen, auch in der Fügerichtung Metall in Kunststoff geschlossene und tragfähige Verbindungen an der Werkstoffkombination AlMg0,4Si1,2 in Polycarbonat zu realisieren. Die Verbindung wurde unter quasistatischer Scherzugbelastung hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit untersucht. Der Vergleich mit dem Tragverhalten einer Blindnietverbindung, die mit einem handelsüblichen System gefertigt wurde, macht deutlich, dass das Tragverhalten der Stanznietverbindung positiv zu bewerten ist. Mit dem Ziel, den Formschluss von Verbindungen der Werkstoffe Kunststoff in Metall setzkopfseitig zu verbessern, wurden für unterschiedliche Werkstoffkombinationen Großkopfstanznieten untersucht. Dabei wurden exemplarisch die Werkstoffkombinationen Polycarbonat und ABS in AlMg0,8Si0,9 gefügt und hinsichtlich ihres Tragverhaltens unter quasistatischer Scher- und Schälzugbelastung denen von Senkkopfnietverbindungen gegenübergestellt. Unter Einsatz eines Großkopfnietes und einer geometrisch angepassten Flachmatrize konnten mit beiden Kunststoffen Verbindungen mit einem ausgeprägten Hinterschnitt gefertigt werden. Mit Großkopfstanznieten wurde an dieser Werkstoffkombination eine Verbesserung des Tragverhaltens hinsichtlich Maximalkraft und Arbeitsaufnahmevermögen sowohl unter Scherzug- als auch unter Schälzugbelastung erzielt. Insbesondere unter Schälzugbelastung lagen, in Abhängigkeit vom eingesetzten Kunststoff, die Festigkeitskennwerte um bis zu 100% höher. Dies ist auf den stark vergrößerten setzkopfseitigen Formschluss der Verbindungen mit dem Großkopfstanzniet zurückzuführen, weil die Verbindungen, die mit Senkkopfnieten hergestellt wurden, unter Schälzugbelastung durch Ausknöpfen des Kunststoffes über den Setzkopf versagten. Die mittels Großkopfniet hergestellten Verbindungen versagten durch eine Rissbildung im Nietkopfbereich. Dieses Versagen des Kunststofffügeteils führt zu den vergleichsweise hohen Streuungen der Kennwerte unter Schälzugbelastung. Mischverbindungen erfordern Optimierungsmaßnahmen Durch die Untersuchungen wurden den Anbietern und Anwendern von Niettechniken die besonderen Herausforderungen und erforderlichen Optimierungsmaßnahmen für Blindniet- und Halbhohlstanznietsysteme aufgezeigt, die bei der Herstellung von Mischverbindungen aus unverstärkten thermoplastischen Kunststoffen und metallischen Werkstoffen auftreten können oder erforderlich sind. Für diese Fügesysteme wurden Hinweise zum prozesssicheren und wirtschaftlichen Einsatz in Strukturen aus Polyme-ren und Metallen abgeleitet. Darüber hinaus wurde die Verfahrensgrenze der Halbhohlstanzniettechnologie für den Einsatz als Verbindungstechnik bei matrizenseitiger Anordnung eines Kunststofffügeteils ausgeweitet.Literatur[1] Hahn, O. und R. Timmermann: Wärmearme Fügetechnik für den Einsatz in Mischbauweisen. Beitrag zur SLV-Tagung Dünnblechverarbeitung, 9.-11. April 2002. [2] Altmann, O.: Karosserie- und Automobilkonzepte mit Polymerwerkstoffen. VDI-Berichte 1256, S. 591-653, VDI-Verlag, 1992. [3] Vaysse, J.-L.: Übersicht über den Entwicklungsstand bei Karosserieaußenteilen aus Kunststoffen. Schriftreihe Praxis-Forum Band 12/1995, S. 170-185, Technik & Kommunikation Verlag, Berlin. [4] Franken, M.: Fit für den Leichtbau. VDI-Nachrichten 5/1998, S. 18. [5] Menges, G.: Werkstoffkunde Kunststoffe. Hanser Verlag, Berlin, 1990. [6] Hahn, O. und U. Klemens: Fügen durch Umformen, Nieten und Durchsetzfügen ] Innovative Verbindungsverfahren für die Praxis. Studiengesellschaft Stahlanwendung e.V., Dokumentation 707, Verlag und Vertriebsgesellschaft Stahlanwendung, Düsseldorf, 1996. [7] Grandt, J.: Blindniettechnik. Verlag Moderne Industrie, Landsberg, 1994. [8] Turlach, G.: Technologie hochfester Blindniet-Verbindungseigenschaften. Tagungsband: Innovative Fügetechniken für Leichtbaukonstruktionen, Paderborn 7.-8. November 1996, S. 136-156.

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