Verbindungstechnik Neue Gewindeträger optimieren Leichtbau

Im Rahmen des voranschreitenden Leichtbaus in der Automobilindustrie ist eine wahre Aufbruchstimmung beim Einsatz von Compositematerialien zu verzeichnen. Ein bisher kaum geregeltes Problem im Fahrzeugbau ist die lösbare Verbindung von Compositeteilen, mit Fahrzeugkomponenten.

Anbieter zum Thema

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

Würth Industrie Service GmbH & Co. KG

AFC Europe Ltd Bochum Technisches Zentrum

PROFIL Verbindungstechnik GmbH & Co. KG

Als die beste Lösung beim Verbinden von Composite-Teilen mit anderen Fahrzeugkomponenten stellt hier das Vermeiden von Verbindungsstellen wie beim Monocoque dar. Eine großflächige Verbindung durch Verkleben bietet ebenfalls einen guten Lösungsansatz.

Für Verbindungen, die lösbar ausgeführt sein müssen, bieten sich Schraubenverbindungen an. Dort ergibt sich zusätzlich im Gegensatz zum Kleben der Vorteil, dass das Material über die gesamte Blechdicke einschließlich der Fasern zwischen Schraube und Mutter miteinander verbunden beziehungsweise eingeklemmt wird.

Schraube oder Mutter vorabam Verbindungsteil anbringen

Um eine reibungslose Montage der Verbindung zu gewährleisten, hat es sich als günstig erwiesen, entweder die Schraube oder die Mutter bereits an einem der beiden zu verbindenden Teile durch mechanische oder thermische Verfahren anzubringen.

Das Unternehmen Profil Verbindungstechnik versteht sich seit mehr als 50 Jahren als Systemlieferant, insbesondere für die Automobilindustrie. Es stellt solche Schrauben und Muttern in eigener Produktion in Deutschland her sowie die zugehörige Verarbeitungstechnik und integriert diese vor Ort in den Prozess der Kunden.

Dabei wird der Gedanke verfolgt, die Verbindungselemente direkt bei der Herstellung der Teile selbst in diese Teile einzubringen. Dies geschieht bei metallischen Werkstoffen vorzugsweise unter der formgebenden Umformpresse, bei der ein oder zwei Stufen für das Werkzeug zur Einbringung der Verbindungselemente eingesetzt werden. Es fällt damit ein fertiges, mit Verbindungselementen bestücktes, verbaubares Teil von dieser Presse. Profil mit Sitz in Friedrichsdorf bei Frankfurt am Main beliefert mit seinen 250 Mitarbeitern bereits zahlreiche Betriebe der Automobilindustrie und ist mit diesen Verbindungselementen in fast allen europäischen Fahrzeugen, aber auch weltweit vertreten.

Besondere Materialeigenschaften verlangen besondere Lösungen

Den besonderen Eigenschaften der Compositewerkstoffe, wie der geringen ertragbaren Flächenpressung, muss durch differenzierte Lösungen Rechnung getragen werden. Die punktförmige Lasteinleitung einer Verschraubung widerspricht dem ursprünglichen Ansatz der Composites, der Lasten zu verteilen sucht. Es sind bereits Lösungen bekannt, bei denen verschraubbare Elemente nass einlaminiert werden. Hierbei verändert sich jedoch im Laufe des Herstellungsprozesses die Position der Elemente zueinander und zum Bauteil. Bei weiteren Lösungen werden die Verbindungselemente durch Bohren und Vernieten an den Bauteilen befestigt. Hierbei ist die Positionstoleranz kleiner, dafür der Aufwand größer. Es werden dabei tragende Fasern durchtrennt und es tritt Delamination auf.

Profil hat bereits einige Lösungen für die Großserienproduktion entwickelt. Es handelt sich um Verbindungselemente für duroplastische sowie thermoplastische Matrixmaterialien. Diese Entwicklungen werden auch in zwei Projekten (Eprofit und Inprolight) durch das BMBF – Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Im Folgenden werden zwei besonders innovative Lösungen im Detail beschrieben.

Um Bearbeitungszeit und Handling einzusparen, wird auch hier, wie oben beschrieben, die Idee verfolgt, die Verbindungselemente bereits bei der Bauteilherstellung einzubringen. Bei der ersten Lösung wird in zwei Schritten gearbeitet, bei der zweiten in nur einem Schritt.

Die erste Lösung nutzt die Möglichkeit, faserverstärkte Thermoplaste aufzuschmelzen und wieder erstarren zu lassen. Im Bild 1 ist das Prinzip dargestellt: Es wird ein Dorn durch das aufgeschmolzene Material getrieben. Dabei werden die Fasern nicht durchtrennt, sondern nur verdrängt. Die Fasern folgen nach der Verformung dem optimalen Kraftfluss um die Verbindungsstelle herum. Auch die Faseranhäufung in der Lochumgebung ist von Vorteil für die spätere Verschraubung. Denn gerade in Dickenrichtung kann die typische Compositestruktur wenig Druckkraft auf längere Zeit aufnehmen.Die Lochformung ist als erster Schritt in das Umformwerkzeug integriert. So entsteht das Loch gleichzeitig mit der Form des gesamten Bauteils. Im zweiten Schritt wird in das geformte Loch das Verbindungselement eingenietet.

Dabei entsteht eine kraft- und formschlüssige Verbindung, die letztendlich eine Übertragung großer Kräfte durch die Verschraubung ermöglicht. Die zweite Lösung bietet eine Einbringung in nur einem Schritt. Die Spitze, die benötigt wird, um das Compositematerial zu verdrängen, ist bereits am Verbindungselement angeformt. Die Spitzen von Verbindungselement und Werkzeug verdrängen zunächst das Material. Dabei wird der Großteil der Fasern ebenfalls verdrängt und nicht getrennt. Im letzten Abschnitt der Einbringung wird der metallische Niet umgeformt. Es wird die vorherige Spitze in ein Durchgangsloch umgeformt. Hierbei entsteht ein Kraft- und Formschluss mit dem Blech. Die Abbildung „Schnittansicht“ stellt ein Element mit Blech in aufgeschnittenem Zustand dar. Der an eigens dazu angebrachten Sollbruchstellen gerissene Niet verkrallt sich in den Fasern und bietet so ein hohes übertragbares Drehmoment.

Metallischer Nietabschnittentlastet Compositematerial

In beiden Lösungsansätzen wird ein Nietbördel massiv umgeformt. Das bedeutet, dass das Compositematerial insgesamt das schwächste Glied der Verbindungsstelle darstellt. Um die Kräfte sicher übertragen zu können, muss der Flansch des Verbindungselements entsprechend der ertragbaren Flächenpressung ausgelegt werden. Um der Kriechneigung entgegenzuwirken, steht zusätzlich der metallische Nietabschnitt zur Verfügung, der die Vorspannkräfte teilweise aufnimmt und somit das Compositematerial entlastet.

Zusammengefasst kann hier von einer haltbaren und gut automatisierten Lösung für eine integrierte Schraubverbindung gesprochen werden. Das Unternehmen kann auf diese Weise einen kleinen, aber wichtigen Beitrag zur Gewichtsreduzierung und Effizienzsteigerung im Fahrzeugbau liefern und damit auch neue und effiziente Bauteilkonzepte ermöglichen. ■

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