Kolloquium trotz(t) Krise

»Ob da überhaupt jemand kommt?« Mit dieser bangen Frage fuhr Nikolaus Fecht zum Böllhoff-Fachkolloquium für Fügetechnik nach Bielefeld, im Hinterkopf die Krise der Finanz- und Automobil­branche.

23. März 2009

Fechts Befürchtungen erwiesen sich als gegenstandslos. Rund 70 Experten aus ganz Deutschland, darunter viele bekannte Gesichter aus der Fachpresse, kamen (zum Fachkolloquium), sahen (das exakt zum Kolloquiumstermin erstellte Veranstaltungs- und Ausstellungsgebäude »Welt der Verbindungen«) und siegten (beim Beschaffen neuer Informationen rund um die »Welt der Verbindungen«). Das Thema des vierten Fachkolloquiums: »Hochleistungswerkstoffe für den Leichtbau: Die Herausforderung für die Fügetechnik«. Für die Veranstaltung spricht, dass es sich nicht um eine reine Werbeveranstaltung für Böllhoff-Produkte handelt, sondern in erster Linie um ein Fügetechnik-Forum für Anwender und sogar für Mitbewerber. Zu Wort kam diesmal Dipl.-Ing. Ralf Birkelbach von Ejot Verbindungstechnik aus Bad Laasphe. Der Leiter Produktmanagement und Marketing regte mit Blick auf den automobilen Leichtbau an, doch auch einmal an die Anbauteile zu denken. Beispiel: Anschrauben einer Ventilhaube an den Motor. Hier kommen oft Stützelemente zum Einsatz — mit oder ohne akustische Entkopplung. Die Schrauben sind aus konstruktiven Gründen bisher doppelt so lang wie die Stützhülsen. Eine neu entwickelte Teleskopstützhülse ermöglicht nun das Absenken der Bauhöhe des Flansches von 15 auf acht Millimeter. Birkelbach: »Der Anwender kann dann eine kleinere Schraube mit einer kleineren Hülse und verringerter Flanschdicke verwenden.« Das ergibt unter dem Strich: Gewicht (beim Ventildeckel um 260 Gramm) und Materialkosten (hier: 0,8 Euro) sinken. Anwendungsgebiete: Saugrohr- und Ölwannenbefestigungen, Ventildeckelabdichtungen und Pumpengehäuse. Böllhoff nutzte die Veranstaltung natürlich auch etwas zur Eigenwerbung, die aber äußerst dezent ausfiel. Nur ein einziger der insgesamt sieben Vorträge stammte vom Gastgeber.

Neue Verbindung

Im Mittelpunkt stand ein neues Verfahren namens Rivtac: Dieses High-Speed-Bolzensetzen ist nach Firmenangaben eine Weltneuheit, die sich vor allem für profilintensive Mischbauweisen mit geringen Wanddicken eignet. Für das Verfahren sprechen laut Böllhoff die sehr kurzen Taktzeiten von unter einer Sekunde. Dr. Thorsten Draht, Projektmanager Forschung und Entwicklung bei der Böllhoff-Gruppe: »Mit unserem High-Speed-Bolzensetzen lassen sich sogar ultrahochfeste Teile und Profile von über 1.000 Megapascal Festigkeit oder auch Mehrlagenverbindungen bis zu sechs Millimeter prozesssicher verbinden.« Bei dem neuartigen mechanischen Fügeverfahren wird ein nagelähnliches Hilfsfügeteil auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und in die nicht vorgelochten Fügeteile eingetrieben. Dabei verdrängt der spitze Setzbolzen den Werkstoff, ohne dass ein Butzen entsteht. Wichtige Voraussetzung für das Bolzensetzen: Die Fügeteile müssen über eine ausreichende Steifigkeit verfügen, damit sie den Eindringimpuls des Bolzens ohne große Verformungen aufnehmen können. Der Anstoß für diese Entwicklung kam vom Pkw-Karosseriebau, in dem der Anteil geschlossener Profile mit geringen Wanddicken zunimmt. Die Anforderungen des Stahlleichtbaus nannte Dr. Wilko Flügge, verantwortlicher Anwendungstechniker für Fügeverfahren bei der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH: »Die besondere Herausforderung an die Fügetechnik besteht in der einseitigen Zugänglichkeit und dem Toleranzausgleich.« Schweißen kommt hier meist wegen den wärmebehandelten Profilen nicht infrage. Wegen der einseitigen Zugänglichkeit stoßen traditionelle mechanische Verfahren außerdem laut Böllhoff schnell an Grenzen. Es bleiben nur noch Direktverschrauben und Blindnieten übrig, die aber in der Regel ein Vorlochen erfordern. Das Verfahren hat sich bereits in Niedersachsen bewährt: Das schnelle Bolzensetzen wurde im Rahmen der Karosseriestudie ›ScaLight‹ (Stahlleichtbaukonzept der Salzgitter AG und Wilhelm Karmann) unter die Lupe genommen. Hinter ScaLight verbirgt sich eine skalierbare Karosseriearchitektur in Spaceframe-Bauweise für unterschiedlichste Fahrzeuge, die einen hohen Synergieanteil bei Bauteilen sowie Produktion ermöglichen. Es kommen gut verformbare Dual- und Mehrphasenstähle sowie im geringen Maße auch nicht stählerne Werkstoffe wie warmumgeformtes Magnesium zum Einsatz. Das Fügen dieser Bauteile geschieht per Kleben (2K-Epoxisystem). Um die Zeit bis zum Aushärten zu überbrücken, setzen die Experten Kunststoffspreiznieten von A. Raymond aus Lörrach ein. Als idealer Technologie-Partner erwies sich das neue, rasche Bolzensetzverfahren. Eine Böllhoff-Schrift: »Der Einfluss der Belastungsrichtung auf die Verbindungsfestigkeit ist gegenüber dem Widerstandspunktschweißen geringer, und die Festigkeitseigenschaften befinden sich in der Summe auf gleichem Niveau. Die hohe Schwingfestigkeit zeigt sich auch im Verlauf der ›Wöhlerlinien‹. Unter identischen Werkstoffbedingungen weist das Bolzensetzen einen k-Wert von 4,96 aus, beim Widerstandspunktschweißen liegt der Wert bei 3,23.« Von der Klein- zur Großserie: Bei dem EU-Projekt SuperLight-Car (SLC) nehmen viele namhafte Firmen und Institute der Automobilbranche Mischbaustrukturen unter die Lupe. Die Mischbauweise mit Stahl, Aluminium, Magnesium und Kunststoff soll die heutigen singulären Bauweisen ablösen und das Gewicht um mindestens 30 Prozent senken. Zurzeit entsteht ein Hardware-Prototyp der Karosserie. Dr. Martin Goede, Leichtbaumanager bei VW: »Der Schlüssel zur effizienten Mischbauweise wird in Zukunft verstärkt die Fügetechnik sein.« Zur ausgewählten Fügetechnik: Strukturkleben, ›cold metal transfer‹ für Stahl-Alu-Verbindungen, Lichtbogenschweißen für Alu-Alu-Kombinationen, mechanisches Hochgeschwindigkeitsfügen bei einseitiger Zugänglichkeit, Schrauben (flow-drill-screw), Bolzensetzen für das Verbinden warmgeformter Stähle mit Alu, Vollstanznieten für hochfeste Stähle, Widerstandpunktschweißen für Stahl-Stahl-Verbindungen. Ein Trend: Mechanische Fügeverfahren lösen beim Werkstoffmix (wie Alu/Stahl) die thermischen Technologien ab. Der verstärkte Einsatz von kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) im Flugzeugbau erfordert ein Umdenken bei der Fügetechnik.

Umdenken!

Für strukturelle CFK-Verbindungen haben sich Schließringbolzen aus Titan bewährt, weil sie im Vergleich zu Schraubverbindungen neben anderen Vorteilen auch für höchste Zug- und Scherkräfte geeignet sind. Gefragt sind sogenannte Ausführungen als ›Sleeved Lockbolts‹: dreiteilige Verbindungselemente mit einer über den Bolzen geschobenen, zusätzlichen Hülse. Dr. Jörg Jendry, Sachbearbeiter für Fügeverfahren bei Airbus Deutschland: »Das Element lässt sich in Presspassung setzen, wodurch sich eine verbesserte Lebensdauer unter schwingender Belastung, eine bessere elektrische Masseanbindung und auch eine verbesserte Dichtigkeit im Bereich des Kraftstofftanks ergibt.« Die schlechte elektrische Leitfähigkeit von CFK sorgt bei einem Blitzeinschlag, der bei Verkehrsflugzeugen im Schnitt ein- bis zweimal pro Jahr auftritt, zu hohen Stromdichten. Sie schädigen die CFK-Struktur oder schmelzen elektrisch gut leitende Fügeelemente an. Flugzeughersteller verwenden daher in den obersten CFK-Lagen ein Kupfernetz zum Ableiten elektrischer Ströme. Lokale Spitzenströme und Funkenbildung im Umfeld der Fügeelemente lassen sich aber nicht nur durch Beschichtungen vermeiden, sondern auch durch Presspassungen. Hier kommen dann wieder die ›Sleeved‹-Verbindungselemente mit ihrem ›eingebauten‹ elektrischen Masseanschluss ins Spiel.

Nikolaus Fecht

Positives »Simulantentum«: Fügen im Rechner

Sowohl Fahrzeug- als auch Flugzeugbau setzen trotz der unterschiedlichen Fügestrategien vor dem Serienstart auf immer aufwändigere Simulationen. Doch welche auf dem Markt verfügbare Technik eignet sich zum Simulieren von mechanischer Fügetechnik? Die Magna Steyr Fahrzeugtechnik AG & Co. KG. entwickelte etwa ein eigenes Rechnermodell für punktförmige Verbindungen. ›Femsite‹ eignet sich laut Franz Ruprechter, Abteilungsleiter Betriebsfestigkeit, besonders zum Modellieren von Stanznieten. Es beschreibt neben der globalen und lokalen Steifigkeit auch den Kraftfluss über die punktförmige Verbindung und ermöglicht so die Lebensdauerabschätzung auf Basis der lokalen Beanspruchungen. Auf Simulation zum Überprüfen von Fügeverfahren setzt auch Dr. Marko Maciej von der Benteler Automobiltechnik GmbH. Der Experte für neue Werkstoffe berichtete von Erfahrungen beim Simulieren von Klebverbindungen bei Leichtbaukonzepten aus höherfesten Stählen und faserverstärkten Kunststoffen (FVK). Bei Crashsimulationen haben sich die Ersatzmodelle bewährt, weil Detailmodelle die Rechenzeiten sonst »inakzeptabel erhöhen würden«. Die Ostwestfalen entschieden sich für ein sogenanntes Gurson-Modell, weil es das »elastoplastische Verhalten von crashfesten Klebstoffen und die wirkenden Schädigungsmechanismen erheblich besser abbilden kann«.

Erschienen in Ausgabe: 1-2/2009