Mechanisches Fügen

Charakterisierung Mechanisches Fügen

Mechanisches Fügen: Verbindung durch Form- und Kraftschluss

Ausgelöst durch die Ausweitung des intelligenten Leichtbaus mit seinem Trend, verschiedenartige Materialien zu kombinieren, werden gegenwärtig zunehmend mechanische Fügeverfahren entwickelt. Diese Verbindungstechnologie ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Umformprozess maßgeblich eine mechanische Verklammerung der Werkstoffe initiiert. Dazu wird der Stofffluss der Materialien und des Verbindungselementes während des Fügeverfahrens derart beeinflusst, dass es zu einem Form- und Kraftschluss zwischen den zu kombinierenden Materialien bzw. ggf. zwischen dem zusätzlichen Verbindungselement kommt. Somit existiert eine interessante Fügevariante, mithin einzige Möglichkeit, zur wirtschaftlichen Herstellung von Werkstoffverbunden und zur Gewährleistung eines flexiblen Multi-Material-Designs.

Clinchen: Werkzeug und Werkstoffe
Clinchen: Werkzeug und Werkstoffe (Quelle: Eckold)
Clinchen - Verklammerung der Werkstoffe
Clinchen: Verklammerung der Werkstoffe (Quelle: Eckold)

Pressschweißverfahren

Charakterisierung Pressschweißverfahren

Pressschweißen

Ein typischer, der Kaltverformung nachgelagerter Fertigungsschritt ist der Pressschweißprozess, über den zwei Bauteile miteinander verbunden werden. Beim Widerstandspressschweißen werden bei einem der Bauteile eine oder mehrere Erhöhungen (Schweißbuckel) eingebracht. Die Geometrie des Buckels definiert exakt den Bereich des Stromüberganges, so dass nur die Buckel auf dem zu verschweißenden Bauteil aufliegen. Im Anschluss werden durch Ausübung von mechanischem Druck die Teile miteinander verbunden.

Die Simulation von Pressschweißverfahren kann dem Kaltumformer wertvolle Hinweise für die optimale Ausprägung der Schweißbuckel an den Werkstücken liefern, um so den Anforderungen des Pressschweißverfahrens zu entsprechen.

Bei der wire 2016 zeigt Simufact die Möglichkeiten zur Simulation von Pressschweißverfahren, indem sie zunächst durch das Einbringen von Strom oder durch Reibung erwärmt und anschließend unter Druck zusammengefügt werden. Zu diesen Verfahren gehören unter anderem das Widerstandspunktschweißen, das Reibschweißen sowie das Punktreibschweißen. Eine weitere Neuheit ist die Option, den Zwischenschritt der Widerstandserwärmung zu simulieren, über den Kaltverfestigungen abgebaut werden können.

Pressschweißen real (C) GLAMAtronic Schweiß- und Anlagentechnik GmbH

Mechanisches Fügen: Typische Branchen und Anwendungsfelder

Typische Anwendungsfelder für die mechanische Fügetechnik sind:

  • Automobilindustrie (Karosserie, Sitzschiene, Motorhaube, Schiebedachrahmen, Fensterheber)
  • Luft- und Raumfahrt (Außenhaut-Assembling)
  • Schiffs-, Yachten- und Bootsbau (Außenhaut-Assembling)
  • Weißwarenindustrie (Gehäusebau, Schubladenschienen)
  • Klima- und Lüftungsbau (Segment-Assembling)
  • Erneuerbare Energien (Windkraftanlagen, Solarmodule)
  • Medizintechnik (Aktivrollstühle, Implantate, medizinisches Gerät)
  • Stahl- und Anlagenbau (Außenfassaden, Brücken, Türme - beispielsweise wurden 2,5 Mio. Nieten für den Eiffelturm in Paris verwendet)

Trends und Entwicklungen

Wohin geht die Entwicklung, wie sieht die Zukunft aus?

Klimaschutz und knapper werdende Ressourcen werden derzeit so vielfältig und umfassend diskutiert wie niemals zuvor. Daher ist es notwendig, mit der Weiterentwicklung von Technologien den Herausforderungen der Zukunft zu begegnen.

Der Trend in Richtung intelligenter Leichtbau, und das bedeutet, für jedes Bauteil das hinsichtlich Funktion, Haltbarkeit, Herstellung und Kosten geeignete Material zu verwenden. Die dabei entstehenden Multi-Material-Komponenten tragen zum schonenden Umgang mit Ressourcen bei und wirken sich zusätzlich positiv auf die Gebrauchseigenschaften des Produktes aus. Der Zusammenbau dieser Bauteile ist die größte Herausforderung beim Multi-Material-Design und wird zum größten Kostentreiber. Gemeinsam mit den gestiegenen qualitativen Anforderungen der Halbzeuge werden völlig neue Ansprüche an das Fügen gestellt. Dadurch kommen verstärkt mechanische Fügetechnologien zum Einsatz, die ein Feld für innovative Neuerungen bieten.

Zur Ausschöpfung des Leichtbaupotenzials für eine effizientere Gestaltung von Bauteilen setzen allen voran die Automobil- und die Luftfahrtindustrie vermehrt faserverstärkte Kunststoffe, Aluminium, Druckgussmaterialien, höchstfeste Stähle und Metallschäume ein. Um die unterschiedlichen Werkstoffe sicher zu so genannten Multi-Material-Modulen zu verbinden, wird gegenwärtig intensiv an der Entwicklung neuer Fügemethoden bzw. der Optimierung bestehender mechanischer Fügemethoden gearbeitet.

Typische Aufgabenstellungen

Einzelpunktbetrachtungen

Typischer Fehler beim Halbhohlstanznieten
Typischer Fehler beim Halbhohlstanznieten

In der Einzelpunktbetrachtung wird die Fügtechnologiegrundsätzlich auf die zu verbindenden Werkstoffe, deren Dicke, Anordnung und Zugänglichkeit abgestimmt:

  • Wahl der geeigneten Fügetechnologie
  • Wahl der geeigneten Verfahrensvariante
  • Verfahrenssetup (Anpassung Fügeelement zu Matrize bzw. Werkzeug)
  • Prozess-Setup (Stempelkraft, Niederhalterkraft)
  • Robustheitsbetrachtungen (Schwankungen Materialdicke, -festigkeit, Beölung,)
  • Werkzeugbelastung
  • Schädigung (Fügeelement, Werkstoffe)
  • Bestimmung der Resistenz der Verbindung gegen Belastung (statisch, dynamisch)
  • Einfluss von Klebstoff in der Fügezone
  • Einfluss von Materialvorverfestigung
  • Einfluss von Fügebügelauffederungen und Außermittigkeiten
  • Fügetechnologie-Entwicklung

 

Multipunktbetrachtungen

Halbhohlstanznieten in der automotiven Anwendung

In Multipunktbetrachtungen wird die gegenseitige Beeinflussung der Fügepunkte untersucht:

  • Fügereihenfolge zur Minimierung des Verzugs
  • Minimaler Fügepunktabstand
  • Betrachtung der virtuellen Prozesskette von Karosserie- bzw. Fügeelementherstellung über das Fügen bis zum Crash

Unsere Lösung für das Mechanische Fügen

Das Modul Mechanical Joining in Simufact Forming

Das Anwendungsmodul Mechanical Joining wurde speziell für die Simulation von mechanischen Fügeprozessen konzipiert. Es ermöglicht die numerische Berechnung von Technologien, die vorrangig auf dem fügenden Umformen beruhen. Somit sind vielfältige Nietverfahren, wie beispielsweise das Stanznieten, Halbhohlstanznieten und Blindnieten virtuell analysierbar. Aber auch die Verbindungsausbildung bei diversen Durchsetzfügetechnologien, wie z.B. das Druckfügen, Clinchen und Toxen mit fester und öffnender Matrize sind berechen- und damit vorhersagbar. Des Weiteren können auch spezielle Effekte, wie hohe Fügegeschwindigkeit, wie z.B. beim Bolzensetzen oder eine hohe Drehbewegung, wie z.B. beim Fließlochformenden Schrauben in den Berechnungen berücksichtigt werden. Auch eine Betrachtung mit Klebstoff in der Fügezone ist durchführbar.

Simufact Forming Mechanical Joining beinhaltet Datenbanken zur Ablage der CAD-Beschreibung Ihrer Fügewerkzeuge bzw. -elemente und gibt die spezifischen Verbindungskennwerte nach der numerischen Berechnung automatisiert aus. Des Weiteren ist es durch ein gesondert angepasstes Simulationssetup gekennzeichnet, das eine stabile und effektive Berechnung von Fügeprozessen ermöglicht. In Kombination mit den Basisfunktionalitäten des Simufact.forming Hub steht Ihnen somit ein Werkzeug zur numerischen Beantwortung Ihrer Einzel- oder Multi-Punkt-Fragestellungen zur Verfügung.

 

Nutzen Sie die Vorteile von Simufact Forming für Ihre mechanischen Fügeprozesse:

Robuste und performante Simulationen, durchgeführt von Technologen (Fügeexperten), mit Ergebnissen nahe an der experimentellen Realität, ermöglichen:

  • Vorhersage von charakteristischen Verbindungsparametern (z.B. Hinterschnitt) bei unterschiedlichen Fügeanordnungen und dem Verhalten unter Belastung (z.B. Kopf-Zug-Versuch)
  • Robustheitsbewertungen für Schwankungen bezüglich Materialdicken, Materialeigenschaften (z.B. Rm), Schmierung oder Presseneigenschaften
  • Erhebliche Reduktion von Aufwänden
    • geringere Anzahl an experimentellen Tests
    • geringere Anzahl an Querschliffpräparationen und Messungen der Verbindungskennwerte
    • weniger Ressourcen (Zeit, Mitarbeiter, Pressen) für experimentelle Untersuchungen und deren Bewertung
  • Signifikanter Gewinn an Prozess-Know-how
    • Bestimmen des Niet- und Materialverhaltens während des Fügevorgangs
    • Stabilität der Verbindung und des Prozesses
    • Versagensvorhersage für Werkzeuge oder Nieten

 

Für eine funktionale Betrachtung von Simufact Forming Mechanical Joining lesen Sie bitte unsere Produktbeschreibung:

Simufact Forming Mechanical Joining