Verbindungstechnik für Leichtbaustrukturen

Eine sichere Dom-Verbindungslösung für Waben- und Schaumwerkstoffe. (Bildquelle: Ejot)

Bei der Analyse zukünftiger Einsatzgebiete für verbindungstechnische Anwendungen wird schnell deutlich, dass in stärkerem Maße auch alternative Materialien Verwendung finden, die vor wenigen Jahren noch nicht im Fokus standen, beispielsweise EPP-Schäume. Für die Befestigung von Komponenten in diesem Partikelschaum hat Ejot die EPP-Sys (EPP-System) Produktgruppe aus Kunststoff entwickelt. Diese Verbindungselemente werden ohne Vorloch direkt in den Schaum befestigt und bieten verschiedene Möglichkeiten der Verbindung von Bauteilen, zum Beispiel mit Rasthaken. Der EPP-Sys RSD (Reib-Schweiß-Dom) wird unter Verwendung des Reibschweißprozesses direkt in das Material eingebracht, verbindet sich dabei mit dem aufgeschmolzenen Material und ermöglicht so eine sichere Direktverschraubung mit der Delta PT-Schraube.

Die Schraube aus Stahl wird seit vielen Jahren für die prozesssichere Direktverschraubung in Kunststoffen eingesetzt. Die optimierten Abmessungen und die Möglichkeit mit weniger Verschraubungsstellen auszukommen, tragen zur Gewichtsreduzierung bei. Die Aluminium-Variante der Schraube wiegt noch weniger und bietet weiteres Gewichtseinsparpotenzial, je nach Anwendung bis zu 60 Prozent. Eine optimale Leichtbaueignung bietet die Schraube aus Kunststoff. Dieses Verbindungselement für weiche Thermoplaste ist sogar bis zu 85 Prozent leichter als ihr Pendant aus Stahl.

Langlebige und leichte Verbindung von Sandwichstrukturen

Gerade im Automotive-Bereich werden zunehmend leichte und trotzdem höchst belastbare Materialien eingesetzt, wie Waben- und Schaumkernstrukturen mit diversen Deckschichten sowie CFK- und GFK-Werkstoffe. Da häufig ungleiche Materialien miteinander verbunden werden sollen, ist es erforderlich, die Einsatzgrenzen der Verbindungstechnik bereits im Vorfeld der Bauteilauslegung intensiv zu betrachten.

In der Vergangenheit wurden solche Materialpaarungen geklebt, oder Kombinationen von Kleben mit Hilfsfügeelementen eingesetzt. Solche Verbindungstechniken sind in der Bauteilvorbereitung (Vorlochfräsen, Anschleifen, Säubern und/oder Auftrag zusätzlicher Aktivatoren) sehr zeitintensiv und im Prozess sehr aufwändig. Dazu kommen die Aushärtezeiten der Klebstoffe, welche eine Weiterverarbeitung oder Belastung der Verbindungspunkte verzögern kann.

Die Verbindungstechnik-Spezialisten unterscheiden Sandwichstrukturen nach Kernmaterial und den beiden Deckschichten. Beim Kernmaterial kann es sich um geschäumte Werkstoffe, wie EPP, PVC oder PUR, oder bei höheren Steifigkeiten, um Wabenstrukturen aus Kunststoff (meist PP) oder Papier handeln. Auch Kombinationen dieser verschiedenen Materialien sind technisch umsetzbar. Da beim Kernwerkstoff das primäre Augenmerk auf den mechanischen Eigenschaften liegt, kommt bei der Deckschicht noch ein weiteres, wichtiges Kriterium hinzu, nämlich der optische Aspekt. Dabei werden, je nach Anwendungsfall, Holz, GFK- und CFK- Werkstoffe, Aluminium, dünne Bleche oder auch Furniere, eingesetzt.

Aufgrund der geforderten Gewichtsreduzierung nimmt der Einsatz von Sandwichmaterialien in nahezu allen Bereichen deutlich zu. Ziel der Entwickler ist es, die mechanischen Eigenschaften konventioneller Werkstoffe mindestens beizubehalten, das Gewicht im gleichen Zug aber deutlich zu reduzieren. Ob im Fahrzeuginterieur, zum Beispiel Türverkleidungen, Ladeböden im Kofferraum oder komplexen Sitzstrukturen, bei Ausstattungskomponenten im Schiffs- und Flugzeugbereich, bei Spielwaren oder Produkten für Sport und Freizeit, das potenzielle Anwendungsspektrum ist enorm und wird in den nächsten Jahren signifikant weiter wachsen.

Für die leistungsfähige und langlebige Verbindung dieser Leichtbau-Werkstoffe eignet sich der Ejot TSSD (Thermischer Stoff-Schluss-Dom) ohne spezielle Bauteilvorbereitung. Der TSSD ermöglicht es, Bauteile aus den beschriebenen Leichtbauwerkstoffen sicher und mit hoher Festigkeit zu verbinden.

Funktionsweise des Verbindungselements

Verbindungstechnik für Leichtbaustrukturen

Der Setzprozess des Kunststoff-Doms. (Bildquelle: Ejot)

Nach der Auflage des Doms auf dem zu verbindenden Bauteil wird das Element auf eine festgelegte Drehzahl beschleunigt und exakt mit der Kraft belastet, die zur kontinuierlichen Erwärmung der Deckschicht des Verbundmaterials führt. Diese obere Schicht wird bei diesem Prozess aufgerieben.

Das angeschmolzene TSSD-Element dringt anschließend in das Bauteil ein, fließt quasi in die Hohlkammern der Zwischenschicht und erzeugt damit eine formschlüssige Verbindung. Hat der Dom die Endposition erreicht, werden zusätzlich Faseranteile des Deckschichtmaterials in den angeschmolzenen Randbereichen des Verbindungslements eingebettet. Diese sind nach Erstarren des Thermoplast-Doms fest mit diesem fixiert, um zusätzliche kraft-, stoff- und formschlüssige Verbindungsmechanismen zu generieren.

Verbindungstechnik für Leichtbaustrukturen

Portalanlage eines Schraubautomaten zur Montage des Verbindungs-Systems. (Bildquelle: Ejot)

In der Regel wird kein zusätzliches Vorloch im Trägerbauteil benötigt. Die Kunststoff-Dome können dabei sowohl als Schraubdom (ausgelegt für eine Delta PT-Schraube) oder als direktes Verbindungselement eingesetzt werden. Je nach Ausführung und Anwendung sind sowohl lösbare als auch nicht lösbare Verbindungen realisierbar. Das Setzen des Verbindungselements erfolgt voll- oder halbautomatisch mit einer Setzspindel des Schraubtechnik-Spezialisten Weber aus Wolfratshausen. Um eine optimale Verbindung zu generieren, ist es mit dem Setzgerät möglich, unterschiedliche Drehzahlen (bis zu 5.000 U/min in drei Stufen) zu programmieren. Je nach Anwendungsfall und Bauteilgröße kann sowohl eine Portalanlage als auch eine robotergestützte Lösung eingesetzt werden. Um eine sichere und langlebige Verbindung zu erhalten, ist ein sofortiger Drehstopp der Setzspindel bei Erreichen der Kopfauflage des Doms notwendig. Diese Verbindung erreicht dann, je nach Sandwichmaterial, Auszugskräfte über 1 KN je Befestigungspunkt.

Standard-Anwendung in der Automobil-Herstellung

Der Kunststoff-Dom wird bereits in einem Modell eines namhaften deutschen Premiumherstellers aus der Automotive-Industrie zur Befestigung eines Retainers im Gepäckraumbereich eingesetzt. In diesem Anwendungsfeld wurde die Verbindungslösung als zukünftiger Standard definiert. Weitere Projekte, beispielweise zur Befestigung von Ladeböden in Fahrzeugen oder aus der Luftfahrtindustrie, stehen kurz vor einem erfolgreichen Abschluss. Das enorme Marktpotenzial der Verbindungstechnik resultiert aus dem stark ansteigenden Einsatz von Leichtbaumaterialien. Besonders im Bereich der GFK- und CFK- Werkstoffe sind signifikante Zuwachsraten zu erwarten, die sich auch im zunehmenden Interesse potenzieller Kunden widerspiegeln.

 

Fakuma 2015

Halle/ Stand B3/3114

Über den Autor

Tony Wiegandt

ist Produktmanager bei Ejot in Bad Berleburg.

twiegandt@ejot.de