Leichtbaukonzepte im Automobilbau: Neue Fügeverfahren machen noch mehr möglich

Anbieter zum Thema

Heidrive GmbH

CADFEM Germany GmbH

AMD Advanced Micro Devices GmbH

Im Karosseriebau lässt sich durch das geschickte Kombinieren von Materialien und Werkstoffen einiges an Gewicht einsparen. Die modernen Leichtbaukonzepte erfordern auch neue Fügeverfahren.

Leichtbaukonzepte in der Praxis: Das Spektrum potenzieller Einsatzgebiete, in dem Leichtbau-Materialien eingesetzt werden, hat sich den letzten Jahren kontinuierlich erweitert. Insbesondere in der Automobilindustrie finden sich zunehmend Anwendungen aus Leichtbau-Werkstoffen, weil sich eine Reduzierung der Schadstoff-Emissionen, unabhängig von der Antriebsart, nur über den Weg einer Gewichtsreduzierung im Fahrzeugbau zu erreichen lässt. Potenzial dafür bietet insbesondere eine Karosseriestruktur, die in Multimaterial-Bauweise eine Vielzahl verschiedener Materialien und Werkstoffe „intelligent“ miteinander kombiniert und dadurch deutlich leichter ist als herkömmlich gefertigte Karosserien.

Leichtbaukonzepte im Karosseriebau

Der heterogene Materialmix dieser modernen Karosseriestrukturen, bei dem, neben verschiedenen Stahl- und Aluminiumsorten auch ultrahochfeste Stähle zum Einsatz kommen, erfüllt im Verbund sehr hohe Ansprüche an Stabilität und Verwindungssteifigkeit der Karosserie. Den hohen Anforderungen in diesem Anwendungsbereich muss auch die eingesetzte Fügetechnik genügen. Die unterschiedlichen Werkstoffe müssen langlebig und sicher verbunden werden – und dabei sehr hohen Belastungen standhalten.

Lochloses Fügen mit der FDS-Schraube

Bei der FDS-Schraube (Flow Drill Screw) sind Arbeitsgänge wie Vorbohren, Stanzen oder Gewindeschneiden überflüssig. Durch den hohen Gewindetraganteil der Schraube im geformten Durchzug entsteht eine spanlose, höher-feste Verbindung. Diese kann sowohl hohe Auszugsfestigkeiten als auch hohe Schubbelastungen übertragen. Durch das Aufschrumpfen des Durchzuges nach dem Verschraubungsprozess wird eine hohe dynamische Sicherheit erreicht.

Zur bisher üblichen Praxis des Vorlochens der zu verklemmenden Bauteile beim Fügen mit der FDS-Schraube hat Ejot eine Alternative entwickelt. Durch eine Optimierung der Schraubengeometrie kann beispielsweise beim Fügen einer Rohkarosse in Space-Frame-Struktur auf das Lochen der Klemmteile gänzlich verzichtet werden. Hierzu werden die Fügeparameter den geänderten Bedingungen angepasst und die Geometrie der Schraube unterhalb des Schraubenkopfes optimiert.

Die Leichtbaukonzepte der OEM erfordern auch von den Verbindungstechnik-Herstellern immer weitere Optimierungsmaßnahmen, um die hoch gesteckten Ziele zu erreichen. Für den verstärkten Einsatz höher-fester Bleche mit Zugfestigkeiten größer als 600 MPa (Megapascal) hat Ejot eine FDS M4 Schraube entwickelt, die den hohen Anforderungen dieses Materials gerecht wird und darüber hinaus, im Vergleich zur bisher eingesetzten Standard-Variante FDS M5, auch direkt zur Gewichtseinsparung beiträgt.

Fügen per Reibelement-Schweißverfahren

Eine weitere Option für das Fügen komplexer Karosseriestrukturen ist das Ejoweld-Reibelement-Schweißverfahren. Diese innovative und serienerprobte Entwicklung bietet dem Anwender die Möglichkeit, mit einem robotertauglichen Reibelement-Setzgerät Mischverbindungen zu fügen. Die Technologie kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn neben verschiedenen Stahl- und Aluminium-Sorten auch besonders feste, warmumgeformte Bor-Stähle in der Karosserie Verwendung finden.

Beim Ejoweld-Verfahren durchdringt ein rotierendes, axialkraftbeaufschlagtes Reibelement zunächst das Bauteil aus Leichtmetall und verschweißt sich anschließend mit dem Bauteil aus höchstfestem Stahl. Die Verschweißung erfolgt durch den reibungsinduzierten Wärmeeintrag, einhergehend mit der hohen Flächenpressung in der Fügestelle. Bei diesem Prozess wird kein Vorloch benötigt und es entstehen hochfeste und hoch belastbare Fügepunkte. Das Reibelementschweißen von Ejot ist als System ausgelegt und umfasst das Reibelement, den Fügeprozess, eine automatische Zuführung sowie ein robotertaugliches Reibelementsetzgerät. Diese Anlagentechnik ist modular aufgebaut und erlaubt eine maximale Flexibilität zur Anpassung an die Fügeaufgabe.

Leichtbaukonzepte: Neue Materialien kombinierbar

Ejoweld ermöglicht verbindungstechnischen Anwendern den Einsatz neuer Materialien und Materialdickenkombinationen, von denen sie bisher noch Abstand nehmen mussten. Damit besteht insbesondere für Karosserieentwickler die Möglichkeit, metallurgisch unterschiedliche Werkstoffe mit hoher Festigkeit reproduzierbar zu fügen. Dabei kann mit lediglich zwei bis drei Arten von Verbindungselementen eine große Anzahl der in der Automobilindustrie üblichen Materialkombinationen für Mischbauweise gefügt werden. Anwender profitieren darüber hinaus von der kurzen Prozesszeit, der leichten Adaptierbarkeit an unterschiedliche Werkstoffe und Werkstoffdicken der Fügepartner sowie der hohen Energieeffizienz.

Zusätzliche Services online nutzbar

Ejot bietet mit FDS und Ejoweld flexible Verbindungsmöglichkeiten für ungleiche Materialpaarungen im Karosserie-Rohbau aus einer Hand an. Diese Verbindungen genügen den sehr hohen Anforderungen hinsichtlich fertigungstechnischer Effizienz und dynamischer Sicherheit. Als zusätzliche Services sind für die beiden Fügetechniken Application Checks verfügbar, die es dem Anwender ermöglichen, für die FDS-Schraube die relevanten Richtwerte für die Schraubaufgabe zu ermitteln beziehungsweise für das Ejoweld-Verfahren eine allgemeine Aussage zur Machbarkeit der individuellen Fügeaufgabe zu treffen. Nach erforderlicher Registrierung auf der Ejot-Website unter „CAD & mehr“ können Kunden diese Berechnungsservices online nutzen.

Der Autor Sebastian Schrodt ist Director Ejoweld bei Ejot.