Fließlochformende Schraube verbindet Blechverbund

Bild: Arnold Umformtechnik

Origami, die japanische Papierfaltkunst macht es vor mit einfachen, ebenen Werkstoffen und geschicktem Design leichte, zwei- und dreidimensionale Formen zu erstellen. In der Technik übernehmen Bleche aus Stahl und Aluminium die Rolle des Papiers, Biegen und Tiefziehen das Falzen. Der entscheidende Unterschied: für eine zuverlässige Anwendung müssen Bleche und Blechformteile sicher verbunden werden. Schweißen, Kleben oder Nieten erfordern jedoch meist eine spezielle Vorbereitung der Fügepartner und ist bei komplexen Geometrien oft schwierig umzusetzen. Leichter geht es mit automationsgerechten, fließlochformenden Schrauben. Damit entsteht in einem Arbeitsgang eine hochfeste, aber dennoch für Reparaturzwecke einfach lösbare Verbindung. Eine Weiterentwicklung des Schraubendesigns erlaubt nun eine Gewichtseinsparung um 25 % bei gleichzeitig geringerem Platzbedarf.

Die automatisierte Möglichkeit Bleche zu verbinden erfordert Knowhow. Ob für den Karosserierohbau, im Aluminium-Stahl-Mischbau, bei profilintensiven Bauweisen oder einseitiger Zugänglichkeit sind smarte Lösungen gefragt, z.B. für Hybridverbindungen oder bei Batteriepacks. Der Prozess sollte ohne zusätzliche Arbeitsvorbereitung auskommen, schnell gehen, sich sicher automatisieren lassen und möglichst sofort eine ausreichende Festigkeit bieten für nachfolgende Fertigungsschritte. Kleben beispielsweise dauert aufgrund der Aushärtezeit vergleichsweise lange, Nieten benötigt Vorbohrungen oder, bei Stanznieten, beidseitigen Zugang, Punktschweißen ist nicht immer möglich, z.B. bei unterschiedlichen Materialien oder schlechtem Zugang und nur schwer wieder zu trennen. Fließlochformende Schrauben dagegen können in vielen Fällen ohne Vorarbeit einfach eingedreht werden, fügen selbst unterschiedliche Materialien und ergeben sofort eine hochfeste Verbindung der Teile.

Fließlochformende Schrauben

Typisches Verbindungsbeispiel: die spezielle Kopfform erlaubt eine einfache automatische Fügung und liegt eben auf dem oberen Blech auf. Bild: Arnold Umformtechnik
Typisches Verbindungsbeispiel: die spezielle Kopfform erlaubt eine einfache automatische Fügung und liegt eben auf dem oberen Blech auf.

Schrauben sind eine bewährte Verbindungstechnik, die aber auch Innovationspotential hat. Arnold Umformtechnik hat das bereits mit der Schraube Flowform bewiesen. Aber die Entwicklung ist weiter gegangen und bietet dem Konstrukteur nun noch mehr Freiheiten bei der Auslegung von Leichtbauteilen.

Prinzipiell erlaubt die Technik der fließloch- und gewindeformenden Schraube ein schnelles, automatisiertes Fügen, bei der der Schraubenkopf stets eben auf dem oberen Blech aufliegt. Bislang war dies aber nur mit einer recht breiten EP12 Kopfform und 5 mm Schaftdurchmesser möglich. Für viele Anwendungen, z.B. bei Akkupacks, wo es sehr eng zugeht, werden jedoch kleinere Montageelemente gefordert. Die Fügespezialisten haben daher das Konzept der fließlochformenden Schraube weiterentwickelt.

Der Flowform Plus Schaft verdrängt beim Fügen weniger Material, damit liegen die Bleche auch bei schwierigen Verbindungsstellen ohne Vorlochen dicht aufeinander. Bild: Arnold Umformtechnik
Der Flowform Plus Schaft verdrängt beim Fügen weniger Material, damit liegen die Bleche auch bei schwierigen Verbindungsstellen ohne Vorlochen dicht aufeinander.

Die neuen Flowform Plus Schrauben haben einen schlankeren EP10 Schraubenkopf mit nur 2,9 mm Höhe und bieten bei gleicher Länge von 20 mm fast die gleiche Fügefestigkeit. Damit eignen sie sich auch für schmalere Flansche. Die auf 4 mm verringerten Spitzen- und Schaftabmessungen verdrängen beim Fügen zudem weniger Material, damit liegen die Bleche auch bei schwierigen Verbindungsstellen ohne Vorlochung dicht aufeinander und das Spaltmaß zwischen den Blechen kann somit deutlich verringert werden. Gleichzeitig reduziert sich die Masse des Verbindungselementes um ca. 30 %, die Schrauben wiegen nur 2,9 g statt bisher 4,1 g. Bei beispielsweise 500 Verbindungspunkten summiert sich das auf rund 0,6 kg Gewichtseinsparung gegenüber der größeren Variante.

Universelles Verbindungselement

Funktioneller Aufbau der neuen Fließformschraube. Bild: Arnold Umformtechnik
Funktioneller Aufbau der neuen Fließformschraube.

Der Fügevorgang läuft so ab: Durch die Schraubenspitze entsteht bei hoher Drehzahl unter Druck eine Reibung, die das Blech lokal erhitzt. Dann formt der polygonale Profilteil in das nun weiche Blech ein metrisches Muttergewinde. Im Anschluss daran wird dann das endgültige Anzugsdrehmoment aufgebracht. Durch Optimierung der Geometrie an der Fließlochformspitze und angepasster Wärmebehandlung kann die Schraube nun selbst bei höchstfesten Blechen mit bis zu 1000 MPa Festigkeit und 1 mm Materialdicke eingesetzt werden und das bei Fügetaktzeiten unter 4 Sekunden. Damit entspricht die Verbindung optimal den heutigen Anforderungen an den Leichtbau mit höchstfesten Blechen aus Stahl oder einem Materialverbund aus unterschiedlichen Werkstoffen. Stahl- mit Aluminiumblech verbinden mit Klebstoff zwischen den beiden Materialien ist so kein Problem.

Erweiterung der Anwendungsgrenzen. Bild: Arnold Umformtechnik
Erweiterung der Anwendungsgrenzen.

Besonders bei Anwendungen mit Klebstoff ist das Verschrauben ohne Vorbohren ideal: Es vermeidet den Austritt von Klebstoff am Vorloch und damit eine Blech- bzw. Anlagenverschmutzung. Zudem sind die Bauteile sofort fest verbunden und können ohne Wartezeit weiterverarbeitet werden. Selbst dreilagige Blechverbindungen z.B. aus 2,5 mm starken, ungelochten Aluminiumblechen lassen sich mit geringerer Spaltbildung verbinden, da durch die Durchmesserreduzierung die Materialverdrängung erheblich reduziert wurde. Je nach Material können auch Materialkombinationen bis zu 7,5 mm Stärke ohne Vorloch verschraubt werden. Das reduziert nicht nur Prozessschritte, sondern vereinfacht auch den Prozess: teure Kameratechnik, um sicherzustellen dass die Schraube das Vorloch trifft, wird nicht mehr benötigt. Das Drehmoment für die Verschraubung ist ebenfalls geringer, die Prozessbelastung sinkt. Dabei können Anwender bestehende Anlagen für Verschraubungen ohne große Umbauten weiter einsetzen.

Nachhaltiges Konstruieren

Die Vorteile der fließlochformenden Schraube auf einen Blick. Bild: Arnold Umformtechnik
Die Vorteile der fließlochformenden Schraube auf einen Blick.

Eine ressourcenschonende Bauweise, also möglichst leicht mit wenig Material- und Energieeinsatz, ist heute in vielen Fertigungsbereichen ein wichtiges Thema. Zunehmend rückt nun aber auch der Aspekt der nachhaltigen Konstruktion in den Fokus. Dafür werden smarte Verbindungselemente und Verfahren benötigt. Sie sollen mit geringem Energieaufwand schnell eingesetzt werden und keine aufwendige Vorarbeiten wie beim Nieten oder Schweißen benötigen. Dennoch soll die Verbindung für eventuelle Reparaturen oder Innovationsaufrüstung leicht lösbar sein. Dem kommt das fließlochgeformte Gewinde entgegen, bei Bedarf kann es eine konventionelle M4 Schraube aufnehmen und erlaubt so eine einfache Neubefestigung. Ebenso lässt sich die Schraube auch in Einzelfällen bei durchgängig komplett vorgelochten Blechen ohne teure Montagegeräte handgeführt eindrehen. Das eröffnet gerade bei profilintensiven Bauteilen völlig neue Möglichkeiten für eine lange, nachhaltige Nutzung und senkt so den ökologischen Fußabdruck der Produkte über die gesamte Lebensdauer.

Anwendungsbezogene Kundenunterstützung

Nadine Schmetzer, Forschung und Entwicklung Blechfügetechnik bei Arnold Umformtechnik. Bild: Arnold Umformtechnik
Nadine Schmetzer, Forschung und Entwicklung Blechfügetechnik bei Arnold Umformtechnik.
Bild: Arnold Umformtechnik

Anwendungen für Fügetechnik sind sehr vielfältig. Gerade beim prozesssicheren Fügen unterschiedlicher Materialien kommt es auf fein abgestimmte Parameter an. „Für eine optimale Verbindung unterstützen wir daher den Anwender und führen im Blechfügelabor beispielsweise Machbarkeits-Untersuchungen mit Originalmaterial durch. So bekommt der Kunde eine Empfehlung und konkrete Werte dazu, welche Festigkeitswerte er mit dieser Fügeverbindung erzielt.“, erklärt Nadine Schmetzer. Sie ist seit 2017 in der Forschung und Entwicklung Blechfügetechnik bei Arnold Umformtechnik tätig, u.a. auch für die Flowform Plus. „Bei der Erforschung der neuen Technik hat Arnold Umformtechnik im Laufe der zurückliegenden Jahre viel Know-how aufgebaut, dass wir in die Zusammenarbeit mit dem Kunden einfließen lassen.“ Verschiedene Versuchsaufbauten und alle gängigen Anlagentechniken wie z.B. eine Roboterzelle für seriennahe Erprobungen bilden dabei die Montagepraxis ab.

Über Arnold
Arnold GROUP – BlueFastening Systems steht international für innovative Verbindungstechnik auf höchstem Niveau. Auf der Basis langjährigen Know-hows in der Produktion von intelligenten Verbindungselementen und hochkomplexen Fließpressteilen hat sich die Arnold GROUP seit mehreren Jahren bereits zu einem umfassenden Anbieter und Entwicklungspartner von komplexen Verbindungssystemen entwickelt. Mit der Positionierung „BlueFastening Systems“ wird diese Entwicklung nun unter einem einheitlichen Dach kontinuierlich weitergeführt. Engineering, Verbindungselemente und Funktionsteile sowie Zuführsysteme und Verarbeitungstechnik aus einer Hand bilden eine einmalige Kombination aus Erfahrung und Know-how – effizient, nachhaltig und international. Arnold gehört seit 1994 zur Würth Gruppe.

Weitere Informationen zum Thema finden Sie unter https://www.arnold-fastening.com/de/fasteners/fuegen-von-blechen/fliesslochformen.htm

Andreas Zeiff

Studium des Chemie-Ingenieurwesens und der Chemie, Beschäftigung mit Elektronik, berufliche Tätigkeit im Maschinenbau, seit Ende 1998 journalistisch tätig für das Redaktionsbüro Stutensee.

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