Komplementäre Kompetenz beim Clinchen und Nieten

Bleche und mehr mit oder ohne Zusatzelemente sicher, schnell und kostengünstig verbinden – das gelingt, wenn man es richtig angeht. Mit den richtig aufeinander abgestimmten Bausteinen Technologie/Verfahren, Komponenten/Baugruppen und Systeme/Komplettanlagen – wie sie die oberschwäbische Firma TOX Pressotechnik anbietet – kommt man zu optimalen Verbindungs-Lösungen.


Vom Stahlblech zum Aluminiumblech, über die Hybrid- und Misch-bauweise sowie Composites und Faserverbundwerkstoffe zu industriellen Leichtbau-Lösungen: So ungefähr lässt sich der aufwendige Weg beschreiben, den sowohl die Automobil-Produzenten als auch die Bleche-verarbeitenden Industrien und deren Zulieferer in den letzten Jahren beschreiten mussten beziehungsweise künftig beschreiten müssen. Denn um den drängenden Herausforderungen bezüglich Ressourcenschonung und Energieeffizienz und vor allem den aktuellen und kommenden Vorgaben, hinsichtlich Verbrauchs- und Emissionswerten für alle Fahrzeuggattungen gerecht zu werden, sind interdisziplinäre Anstrengungen unerlässlich. Diese gehen zum einen weit über den Einsatz leichtgewichtiger Werkstoffe und Materialien hinaus, zum anderen werden sie bis dato aber nur selten in aller Konsequenz durchgeführt.

Bild 1 Schematische Darstellung des TOX-Rund-Punkt-Verfahrens

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Schematische Darstellung des TOX-Rund-Punkt-Verfahrens


 Nüchtern zusammengefasst stellt sich in der Praxis die Ausgangslage wie folgt dar: Viele (Blech-)Verbindungs-Verfahren gehen einher mit hohen Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten für das Produktions-Equipment und für Verbrauchsmaterial, Service und Fachpersonal. Folglich müssen schon früh, nämlich bereits in der Entwicklungs- und Konstruktionsphase von Produkten, viel mehr als nur Funktions- und Design-Vorgaben, sondern auch material- und verarbeitungs- sowie füge-/verbindungs- und montagetechnische und damit alle für die Fertigung relevanten Aspekte gebührende Berücksichtigung finden. Dabei ist es allein mit Verbessern und Optimieren von Produkten und Verfahren nicht getan, weil diese Vorgehensweise immer nur in mehr oder weniger akzeptablen Kompromissen enden wird.

Gesucht: Optimale Leichtbau- Konzepte für Industrie- und Automotive-Anwendungen

Ein sehr gutes Beispiel dafür ist der automobile Leichtbau, der sich mittlerweile eines breiten Spektrums von Material-Kombinationen bedient. Denn hier steht nach jahrelanger Erfahrung weniger ein einzelner Werkstoff, und damit auch kein Composite oder Faserverbundmaterial, im Vordergrund. Als aktuell einzige, weil in mehrfacher Hinsicht technisch und wirtschaftlich tragfähige Lösung ist die Hybrid-/Mischbauweise zu bezeichnen.

Diese basiert, je nach Fahrzeug-Bauteil und spezifischen Anforderungen, auf den geeignetsten Werkstoffen, nämlich aus Einzelanwendungen oder Hybrid-/Mischbauweise in Stahl/hochfestem Stahl und Aluminium/hochfestem Aluminium, Stahl/Aluminium und Composites/verschiedensten Faserverbundwerkstoffen. Die ideale Lösung aus funktionalem Nutzen und tatsächlichen Kosten kommt der Quadratur des Kreises gleich, zumal sich die genannten Materialien bzw. Material-Kombinationen häufig nicht mehr mit herkömmlichen thermischen Fügeverfahren verbinden lassen. In der Praxis setzen sich daher solche mechanischen Füge-/Verbindungs-Technologien und -verfahren wie das TOX-Rund-Punkt-Verfahren und darauf aufbauende Varianten immer mehr durch. Denn mit dem TOX-Rund-Punkt-Verfahren und dessen Derivaten, in Gestalt von Clinchtechnologie und Niettechnologie oder der Kombination von beiden, lassen sich heute so gut wie alle konventionellen Füge- und (Blech-)Verbindungs-Aufgaben lösen. Zudem ist das TOX-Rund-Punkt-Verfahren durch eine hohe Wirtschaftlichkeit gekennzeichnet, beginnend beim Investment in die Fertigungslösung über die Betriebskosten bis hin zum Ersatzteil-, Wartungs- und Serviceaufwand. So liegt die Kosten- ersparnis zum Beispiel gegenüber einer Punktschweiß-Verbindung je nach Anwendung und gesamthaft betrachtet zwischen 30 und 60 % pro Verbindungspunkt (!). Des Weiteren ist die Akzeptanz der mechanischen TOX- Fügetechnik „Nieten ohne Niet“ auch in den crash- und sicherheitsrelevanten Anwendungen gestiegen, sodass sich heute in jedem Fahrzeug mehrere hundert Kaltfügetechnik-Anwendungen finden, angefangen von crash- relevanten Karosserie-Bauteilen bis zu Detail-Fügelösungen in zugelieferten Baugruppen.

Mit Kaltfügetechnologien thermisches Fügen/Verbinden substituieren

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Schliffbild einer TOX-ClinchNiet-Anwendung

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Schliffbild einer Vollstanzniet-Anwendung

Um die ideale Symbiose aus Füge-/Clinch- und Niet-Verbindungen in jedem denkbaren Anwendungsfall im Fahrzeugbau darstellen zu können, verfügt TOX Pressotechnik sowohl über ein umfassendes Technologie-/Verfahrensangebot als auch das gesamte produktionstechnische Equipment in Form von Einzel- und Mehrpunktwerkzeugen, Maschinen- und Roboterzangen, Standard- und Sonderpressen, Stand-alone-Arbeitsstationen und Prozessstationen zur individuellen Systemintegration. TOX Pressotechnik versteht sich als Dienstleister mit Systemlösungs-Kompetenz zur Komplettbearbeitung von Bauteilen aus Blechen wie aus Faserverbund- materialien und Composites sowie zum mechanischen Fügen und Verbinden derselben durch das TOX-Rund-Punkt-Verfahren oder die Varianten TOX-ClinchNiet, Vollstanz- nieten und Halbhohlstanznieten. Ob Presskraft-Antrieb, C-Bügel als Zangen- oder Roboterzangen-Grundelement, Einzelpunkt- oder Mehrpunkt-Werkzeug, mechanisch und elektrisch anschlussfertige Roboter-Schnittstelle, oder auch standardisierte jedoch flexibel konfigurierbare Einpress-/Prozessüberwachung, der Kunde erhält immer eine systemfähige Komplettleistung aus einer Hand.

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Schliffbild einer Halbhohlstanzniet-Anwendung

Während beim TOX-Fügen/Verbinden von Blechen aus gleich dicken oder verschieden dicken sowie gleichen oder unterschiedlichen Materialien per Kaltumformung die Hilfsfüge- elemente komplett entfallen, gilt es, diese beim Fügen/Verbinden mittels TOX-ClinchNiet, Vollstanzniet und Halbhohlstanzniet kontinuierlich, sprich ohne Störungen, zuzuführen, um die Prozesssicherheit und damit Produktivität zu gewährleisten. Dabei sind die Kunden wie auch TOX Pressotechnik frei in der Wahl des Verbindungselemente-Herstellers.

Systemkompetenz für jeden Verbindungstechnik-Einsatzfall

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TOX-Rund-Punkt-Verbindungslösung

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Bild 6
TOX-ClinchNiet-Verbindungslösung

Grundsätzlich können mit dem TOX-Rund-Punkt wie erwähnt unterschiedlichste Bleche verschiedener Dicken sowie mit und ohne Lack- oder Pulverbeschichtungen oder auch mit Folienzwischenlagen verbunden werden. Zudem ist es möglich, zwei oder bis zu vier Blechteile miteinander zu verbinden. TOX-ClinchNiet-Verbindungen dagegen sind ideal bei dünnen Blechen (zum Beispiel Stahl 0,7 mm in Stahl 0,7 mm), wenn die Verbindung „dicht“ sein muss, wenn die Verbindungs- flansche „kleinflächig“ sind, oder wenn sortenreine Verbindungen (zum Beispiel Alu 1,5 mm in Alu 2,5 mm) gefordert sind. Vollstanzniet-Verbindungen kommen zum Tragen, wenn es nietseitig höchstfeste Bleche mit anderen Materialien (zum Beispiel MnB5 0,8 mm oder Bleche mit Festigkeiten bis 1700 MPa in AlMg3 2,0 mm) zu verbinden gilt, oder auch zum Verbinden von mehr als drei Blechen. Die nächste Variante stellen Halbhohlstanzniete dar, die zur Verwendung kommen, wenn große Kopf- oder Scherzugkräfte zu übertragen sind. Halbhohlstanznieten ist heute eine der am weitesten verbreiteten Niet-Technologien, weil die Übertragungskräfte hier bei Kopfzug bis 2500 N und bei Scherzug bis 4300 N pro Niet erreichen. Nachdem sich die Automobil-Industrie im Bereich der Füge- und Verbindungstechnik heute grundsätzlich darüber einig ist, dass Nietverbindungen teurer sind als Clinch-Verbindungen, werden letztere – wann immer sinnvoll und möglich – auch bevorzugt. TOX-Clinchen ist heute industriell prozesssicher einzusetzen, wenn es um Blechfestigkeiten bis 1200 MPa geht: Es werden Kopf- zug- und Scherzug-Kräfte erreicht, die gegenüber den Werten bei Halbhohlstanzniet-Verbindungen zwischen 50 % und 65 % betragen. Es ist ähnlich wie beim TOX-ClinchNiet bei kleinsten Flanschbreiten und für dichte Verbindungen anzuwenden, wobei die kleinsten Rund-Punkte für dünnste Blechlagen (0,1 mm) einen Durchmesser von nur 1,5 mm aufweisen.

Zukunftsfähige und prozesssichere Lösungen aus einer Hand

Weitere Vorteile sind die Mehrlagen-Fähigkeit (bis zu vier Blechteile), konkurrenzlose elektrische Leitfähigkeit, geringste Kosten pro Fügepunkt, und schließlich auch deutlich niedrigere Anlagen- und Servicekosten als bei herkömmlichen Füge-/Verbindungs-verfahren. Außerdem bieten sowohl das TOX-Rund-Punkt-Verfahren als auch die TOX-ClinchNiet-, Vollstanzniet- und Halbhohlstanzniet-Verfahren noch einiges an Entwicklungs-Potential, etwa in Richtung weiterer Verbreitung moderner oder alternativer Werkstoffe/ Materialien, indem Aluminium-Druckgussteile mit Bauteilen aus Stahl/Edelstahl wie zum Beispiel AlSi19MnMg 2,9 mm in ENAW 5182 2,0 mm oder auch CR240BH 1,5 mm in AlSMnMg 2,9 mm gefügt werden können und das in beiden Fügerichtungen. Andere Beispiele gibt es beim Verbinden von hochfesten TWIP- und TRIP-Stählen (Zugfestigkeiten bis 1000 MPa und Bruchdehnungen von 50 %), die wegen ihres hohen Energie-Aufnahmevermögens im Crashfall hauptsächlich für insassenschutzrelevante Bauteile zur Verwendung gelangen. Ausgehend von den vielfachen Erfahrungen in der Automobilindustrie nutzen mehr und mehr auch die Weißwarenindustrie, der Maschinen-, Apparate- und Gehäusebau sowie die Elektromechanik diese Clinch-/Fügeverbindungen.

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