Garantie für festen Zusammenhalt

Mit Nieten und Clinchen zu modernen Leichtbaustrukturen

Neue Leichtbaukonzepte nutzen zunehmend hochfeste Stahlwerkstoffe, Aluminiumlegierungen sowie Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe. Die mechanischen Fügeverfahren bieten ein großes Potenzial, die Verbindungsaufgaben der Zukunft zu lösen.

11. April 2001

Ökologische und ökonomische Forderungen zwingen zu einem bewussteren Umgang mit den Ressourcen und zu einer Optimierung der Produktionsprozesse. Besonders deutlich wird diese Entwicklung in der Verkehrstechnik. Der Zwang zum Leichtbau hat in den letzten Jahren zur Entwicklung hochfester Stahlwerkstoffe, dem verstärkten Einsatz von Aluminiumlegierungen und der Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in Mischbauweisen geführt. Der Einsatz derartiger Werkstoffe und Werkstoffkombinationen erfordert vielfach neue Lösungen bei Verbindungsproblemen. Vorteilhaft lassen sich Verbindungen dadurch herstellen, dass die Werkstoffe ohne thermische Beeinflussung gefügt werden. Insbesondere das mechanische Fügen bietet hier vor dem Hintergrund neuer Werkstoff- und Konstruktionskonzepte ein hohes Innovationspotenzial.

Allein für die Niet- und Clinch-Verfahren sind zahlreiche Varianten zu unterscheiden, die stets verfahrensspezifische Fertigungseinrichtungen erfordern. Die Einsatzmöglichkeiten der Niet- und Clinch-Verfahren in der industriellen Praxis sind entsprechend vielfältig. Ein Vergleich der umformtechnischen Fügeverfahren mit anderen Verfahren belegt den inzwischen erreichten hohen Standard in Bezug auf Wirtschaftlichkeit, Prozess-Sicherheit und universelle Einsatzmöglichkeiten der Verfahren einerseits sowie Funktionssicherheit und die guten mechanischen Eigenschaften der Verbindungselemente bei Kurz- und Langzeitbeanspruchung andererseits.

Nietverfahren

Für eine Differenzierung und Abgrenzung der verschiedenen „Nietsysteme“ bietet sich ein Ordnungsschema an, das einerseits das „Verbinden mit Nietelementen“ und das „Verbinden mit Funktionselementen“ gegeneinander abgrenzt und das zum anderen bei der weiteren Unterteilung die notwendigen Voraussetzungen (ohne Vorlochen oder mit Vorlochen der zu verbindenden Fügeteile) für den Einsatz einzelner Nietsysteme sowie die fertigungstechnische Zugänglichkeit (einseitig, zweiseitig) zum Verbindungsbereich berücksichtigt.

Unter dem Begriff „Verbinden mit Nietelementen“ sind die Systeme Blindniet, Vollniet, Halbhohlniet, Hohlniet und Schließringbolzen sowie die Stanznietsysteme mit Vollniet und Halbhohlniet einzuordnen. Die Nietsysteme mit Gewindeelementen (Blindnietmuttern, Blindnietbolzen, Niet- und Einpressmuttern, Niet- und Einpressbolzen, Stanzmuttern, Stanzbolzen) sind dem Begriff „Verbinden mit Funktionselementen“ zugeordnet.

Der Blindniet besteht aus einer Niethülse, die mit einem unverlierbaren Nietdorn versehen ist. Die Niete sind „blind“, das heißt, von einer Seite, rationell und schnell zu setzen. Sie werden in ein Bohrloch eingesetzt und mit einem geeigneten Werkzeug von einer Seite verarbeitet. Beim Standard-Blindniet sorgt der Nietdorn für die Umformung der Niethülse und die Ausformung des Schließkopfes. Blindniete werden in unterschiedlichen Ausführungsformen angeboten. Die Auswahl eines entsprechenden Systems richtet sich unter anderem nach den zu verbindenden Bauteilen und der gewünschten Tragfähigkeit der Verbindung. Als Verarbeitungsgeräte können manuelle oder fremdkraftbetriebene (pneumatisch/hydraulische, elektrische oder vollautomatische) Verarbeitungsgeräte eingesetzt werden. Das Blindnieten zeichnet sich durch die Einsatzmöglichkeiten bei schwer zugänglichen Bauteilen, die einfache Verarbeitung bei einem hohem Niveau der Verbindungsqualität und einem geringen Investitionsbedarf für Niete und Werkzeuge aus.

Voll-, Halbhohl- und Hohlniete sowie Schließringbolzen werden zweiseitig mit Vorlochen verarbeitet. Geschaffen werden unlösbare, form- und kraftschlüssige Verbindungen. Voll-, Halbhohl- und Hohlniete sind einteilige Verbindungselemente. Schließringbolzen sind zweiteilige Verbindungselemente und bestehen aus einem Bolzen und dem Schließring. Der eigentliche Fügevorgang bei Standard- Schließringbolzen ähnelt dem des Blindnietens. Das aufgesetzte Montagewerkzeug greift den Bolzen und stützt sich auf dem Schließring ab. Durch das Anziehen des Bolzenzugteils werden die Fügeteile zusammengepresst und der Schließring in die Schließrillen des Bolzens eingeformt. Das Setzwerkzeug trifft auf der Fügeteiloberfläche auf, und durch die ansteigende Zugspannung im Bolzen reißt dieser an der Sollbruchstelle. Beim Einsatz der Schließringbolzen sind die hohen, konstanten Vorspannungen, die freie Auswahl der Festigkeitsklassen, der Einsatz als Reib-, Scher-Lochleibungs- und Scher-Lochleibungs-Pass-Verbindung und der Schutz gegen unbefugtes Lösen durch die runde äußere Schließringform hervorzuheben.

Beim Stanznieten werden die zu verbindenden Teile ohne Vorlochen mit Nietelementen verbunden. Das beim „konventionellen“ Nieten erforderliche Vorlochen der Fügeteile wird durch einen Stanzvorgang ersetzt. Beim Stanznieten mit Vollniet ist eine kontrollierte, vollständige Füllung der Ringnut des Nietes durch das matrizenseitige Blech eine wesentliche Bedingung für hohe übertragbare Scherzug-, Schälzug- und Kopfzugkräfte. Ein wesentlicher Vorteil des Stanznietens mit Vollniet gegenüber anderen mechanischen Blechfügeverfahren ist, dass das Nietelement sowohl stempel- als auch matrizenseitig weitgehend bündig abschließt und somit eine optisch unauffällige Verbindung darstellt. Beim Stanznieten mit Halbhohlniet ist das Erreichen einer großen Verspreizung des Nietschaftes, die sich in einem entsprechenden Hinterschnitt am Schließkopf zeigt, im wesentlichen maßgebend für die übertragbaren Scherzug-, Schälzug- und Kopfzugkräfte. Durch die Stauchung des Stanznietes wird ein spaltfreier Formschluss der Fügeteile erreicht. Außerdem wird der Stanzniet axial und radial verspannt, so dass ein Kraftschluss in die Verbindung eingebracht wird. Der erzielte Hinterschnitt ist ein wesentliches Kriterium für die Festigkeit der Verbindung. Zur Herstellung der Verbindung werden hydraulisch wirkende, stationäre oder mobile Fügeeinrichtungen eingesetzt. Die Zuführung der Niete zum Setzwerkzeug kann durch unterschiedliche Förderkonzepte realisiert werden. Grundsätzlich lassen sich bezüglich der Zuführung gegurtete Stanzniete und lose Stanzniete unterscheiden. Wesentliche Merkmale des Stanznietens in Abgrenzung zu den anderen umformtechnischen Fügeverfahren sind: kein Vorbohren oder Vorstanzen von Löchern, Erstellung von hochfesten, optisch prüfbaren Verbindungen und die schnelle, automatische Verarbeitung.

Blindnietmuttern und -bolzen sind Gewindeträger, die die Funktion eines Blindnietes und einer Mutter und eines Bolzens (Schraube) erfüllen. Sie werden von einer Seite in ein Bohrloch eingesetzt und mit einem Verarbeitungswerkzeug rationell und schnell gesetzt. Manuelle und fremdkraftbetriebene Verarbeitungsgeräte sowie vollautomatische Nietanlagen werden in der Praxis gewendet. Wesentliche Vorteile dieser Funktionselemente sind in der Verarbeitung von einer Seite und dem Verbinden mehrerer Bleche bei zusätzlicher Möglichkeit der Verschraubung zu sehen. Es lassen sich hochbelastbare, tragfähige Mutter(Schrauben)gewinde in dünnwandige Materialien einbringen.

Nietmuttern und -bolzen werden zum zweiseitigen Verbinden mit Funktionselementen mit Vorlochen eingesetzt. Der Nietabschnitt des Muttern- und Bolzenelementes wird in das vorgelochte Blechformteil eingeführt. Dann wird dieser gemeinsam mit dem Lochrandbereich durch geeignete Werkzeuge kraft- und formschlüssig umgeformt. Die Funktionselemente realisieren hohe und reproduzierbare statische und dynamische Verbindungsfestigkeiten. Durch den Kraft- und Formschluss liegt eine sehr gute Sicherheit gegen ein Verdrehen des Elementes im Blechformteil vor.

Stanzmuttern und -bolzen als selbststanzende Funktionsteile benötigen kein Vorlochen der Verbindungsstelle und ersparen somit einen Fertigungsschritt. Die Fügestelle muss von beiden Seiten zugänglich sein. Unterschieden wird - wie bei den Nietmuttern und -bolzen - zwischen Handeinlegeverfahren und automatischen Verfahren. Bei der Verarbeitung von Hand werden sowohl die Blechformteile als auch die Verbindungselemente in geeignete formschlüssige Teilaufnahmen übernommen. Die maschinelle Verarbeitung erfordert mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch angetriebene Krafteinheiten. Verbindungselemente und Blechformteile können dabei durch Handhabungsgeräte bewegt und positioniert werden. Förder- und Sortiereinrichtungen werden für die Förderung und das lagerichtige Sortieren der Muttern und Bolzen in die Werkzeugaufnahmen eingesetzt. Bei den automatischen Verfahren wird zwischen dem Einzelzyklus (Kleinserie) und dem vollautomatischen Betrieb (Großserie) unterschieden. Eine hohe Wirtschaftlichkeit ist durch eine schnelle, automatische Montage des Verbindungselementes bereits bei der Erstellung des Blechformteiles (kein Zwischenlagern und kein Handling für weitere Arbeitsgänge) gegeben.

Clinchverfahren

Im Vergleich zu anderen umformtechnischen Fügeverfahren sind beim Clinchen keine zusätzlichen Fügeelemente (Hilfsfügeteile, wie Niete) oder Hilfsstoffe (Klebstoff, Flussmittel,…) erforderlich. Beim einstufigen Clinchen werden die Fügeteile (Blech-, Rohr- oder Profilteile) in einem kontinuierlichen Fertigungsvorgang mittels Durchsetzen in Verbindung mit Einschneiden oder Einsenken und nachfolgendem Stauchen gefügt, so dass durch Breiten oder Fließpressen eine kraft- und formschlüssige Verbindung entsteht. Beim mehrstufigen Clinchen werden die Fügeteile (Blech-, Rohr- oder Profilteile) in einem zwei- oder mehrstufigen Fertigungsvorgang unter der Wirkung mehrerer, nacheinander bewegter Werkzeugteile gefügt. Die einzelnen Fertigungsteilschritte sind in ihrer zeitlichen Abfolge im realem Prozess nicht deutlich voneinander zu trennen, sondern gehen ineinander über oder laufen nebeneinander ab.

Der den Formschluss zwischen stempel- und matrizenseitigem Fügeteil beschreibende Hinterschnitt hat maßgeblichen Einfluss auf die Verbindungsfestigkeit unter Kopfzugbelastung. Die Halsdicke beschreibt die Stärke des tragenden Querschnittes des stempelseitigen Fügeteiles im Halsbereich und bestimmt in hohem Maße die Verbindungsfestigkeit unter Scherzugbelastung. Die Bodendicke stellt eine Kenngröße der Verbindung dar, welche die Gesamtblechdicke beider zwischen Stempel und Matrize gestauchten Bleche beschreibt.

O. Hahn, U. Klemens, J. R. Kurzok, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik LWF der Universität-GH Paderborn

Mechanische Fügeverfahren Nieten und Clinchen sind dem Fügen durch Umformen zuzuordnen. Nach der DIN 8593, Teil 5, ist das Fügen durch Umformen „eine Sammelbenennung für Verfahren, bei denen die Fügeteile oder Hilfsfügeteile örtlich - bisweilen auch ganz - umgeformt werden. Die Umformkräfte können mechanischer, pneumatischer, hydraulischer, elektromagnetischer oder anderer Art sein. Die Verbindung ist im allgemeinen durch Formschluss gegen ungewolltes Lösen gesichert.“ In der weiteren Differenzierung unterscheidet man in Untergruppen das „Fügen durch Umformen drahtförmiger Körper“, das „Fügen durch Umformen bei Blech-, Rohr- und Profilteilen“ und das „Fügen durch Nietverfahren“. Gemessen am Stand der Technik ist die Systematik der Norm unvollständig und lässt die Differenzierungen in der aktuellen Entwicklung und Anwendung umformtechnischer Fügeverfahren nicht vollständig erkennen. Dies gilt auch für die Untergruppen „Fügen durch Nietverfahren“ und „Fügen durch Umformen bei Blech-, Rohr- und Profilteilen“, hier insbesondere für das „Durchsetzfügen“ (auch: „Clinchen“).

Vorteile von Niet- und Clinchverfahren

Im Vergleich zum Punkt- und Buckelschweißen lassen sich für Niet- und Clinchverfahren folgende Vorteile hervorheben:

In Bezug auf die zu verbindenden Werkstoffe sind vielfältige Möglichkeiten von Werkstoffkombinationen realisierbar.

Es können beschichtete (metallisch, organisch, anorganisch) metallische Werkstoffe gefügt werden.

Dünne Zwischenlagen, beispielsweise aus Kunststoff, sind prozessverträglich.

Der Prozess ist kontrollierbar.

Die Investitions- und Betriebskosten sind relativ niedrig.

Die mit den Werkzeugen erreichbaren Standmengen sind hoch.

Die Verbindungen sind in gewissen Grenzen zerstörungsfrei in ihren Eigenschaften bewertbar.

Der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit der Fügeteile auf die Prozess- Sicherheit ist meist vernachlässigbar.

Im Fügeprozess kommt es bei den Verfahren ohne thermische Unterstützung des Prozesses zu keiner bedeutenden Erwärmung der Fügeteile, so dass keine thermisch bedingten Eigenschaftsänderungen und auch kein thermisch bedingter Bauteilverzug auftritt.

Die Handhabung ist einfach.

Die Verfahren sind hervorragend automatisierbar und in andere Fertigungsoperationen (zum Beispiel Montagelinien) integrierbar.

Es werden keine gesundheitsgefährdenden Rauche und Gase durch den Fertigungsprozess freigesetzt.

Vor- und Nacharbeiten entfallen, es ist zum Beispiel keine Nacharbeit im Verbindungsbereich aufgrund von Spritzerbildung notwendig.

Nietelemente können je nach Ausführung weitere Funktionen übernehmen.

Erschienen in Ausgabe: 03/2000