Mechanisches Fügen

Auf aktuelle technologische und wirtschaftliche Veränderungen im Maschinenbau und in der Automobilindustrie reagieren wir durch Neu- und Weiterentwicklungen in der Fügetechnik. Dabei werden bewährte Fügeverfahren den gegenwärtigen Anforderungen angepasst sowie neuartige Technologien vor dem Hintergrund einer ressourceneffizienten Produktion erforscht.

Die mechanische Fügetechnik bietet innovative und kostengünstige Verfahren für das Verbinden gleicher und verschiedenartiger Werkstoffe. Im Hinblick auf aktuelle Leichtbaukonzepte und die damit verbundene Mischbauweise stoßen thermische Fügeverfahren zunehmend an ihre Grenzen. Mechanische Fügeverfahren bieten sich oftmals als kostengünstigere und energieeffiziente Alternativen zum Widerstandspunktschweißen und anderen thermischen Fügeverfahren an.

Unsere Forschung zum mechanischen Fügen erstreckt sich über die gesamte Prozesskette eines Bauteils sowie deren Auswirkungen auf die Qualitätseigenschaften des Endprodukts. Dies beinhaltet z. B. die Prüfung der Maßhaltigkeit oder auch des Bauteilverhaltens unter Belastung. Wir nutzen dabei eine Ausstattung, die sich sowohl an aktuellen Industriestandards orientiert als auch die Möglichkeiten moderner wissenschaftlicher Methoden ausschöpft. Mehrere Roboterzellen mit Fügeanlagen verschiedener Systemanbieter und moderne Pressentechnik ermöglichen die Abbildung eines industrienahen Umfelds vom Umformprozess bis zum Fügen.

Auch im gezielten Einsatz von Fertigungsverfahren stecken Leichtbaupotenziale. Die Klebtechnik liefert dafür ein gutes Beispiel. Klebverbindungen gewinnen angesichts der günstigeren Betriebslastenverteilung und des Korrosionsschutzes bei Mischverbindungen immer stärker an Bedeutung. Kombinationen von Fügeverfahren werden eingesetzt, um spezifische Vorteile einzelner Prozesse zu verbinden und Defizite elementarer Verfahren auszugleichen. Unser Forschungsschwerpunkt liegt auf der Kombination des Clinchens bzw. Stanznietens mit dem Kleben sowie auf dem Falzkleben, da in diesen Kombinationen ein besonders hohes Potenzial steckt.

Aufgrund von Wechselwirkungen zwischen mechanischem Fügen und Kleben können Werkzeug- und Verfahrensparameter der elementaren Fügeprozesse nicht immer auf die Hybridfügetechnik übertragen werden. Forschungsaufgaben sind deshalb die Evaluierung des Einflusses relevanter Prozessparameter (zum Beispiel Klebstoffviskosität, Fügegeschwindigkeit) und die Ableitung entsprechender Maßnahmen zur Verbesserung von Hybridfügeverbindungen.

Ein wesentlicher Aspekt unserer Forschung zum Hybridfügen ist die globale Prozessbetrachtung und -verbesserung. Dabei werden über die Ermittlung der Fügepunktqualität hinaus geeignete Prozessparameter bestimmt, wobei der Fokus auf der Maßhaltigkeit der gesamten Baugruppe liegt. Dafür werden verstärkt Struktur- und Strömungssimulationen sowie experimentelle Parameterstudien zur gesamten Prozesskette durchgeführt.

Mechanische Fügeprozesse sind häufig durch komplexe Spannungsverteilungen und hohe lokale plastische Verformungen charakterisiert. Mit angepassten Prozessmodellen und unter Berücksichtigung aller realen Werkzeugbewegungen und -geometrien können wir eine große Bandbreite an Fügeverfahren mithilfe der numerischen Simulation untersuchen und die wesentlichen Prozesseinflussgrößen nachvollziehen. Auf diese Weise lassen sich die Spannungsverteilungen an der Fügestelle analysieren und geeignete Prozessparameterfenster identifizieren.

Für die Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften in der Berechnung kommen verschiedene Prüfverfahren wie Zug-, Scher- und Druckprüfung sowie optische Messverfahren zum Einsatz. Die stets erforderliche Validierung der numerischen Ergebnisse erfolgt mit Makroschliffen, durch Härteprüfung sowie durch Auswertung experimenteller Prozessdaten.

Das reale Fügepunktverhalten unter Belastung wird mit eigens dafür entwickelten Probenformen sowie einer Vielzahl von Messmethoden bestimmt und in die Ersatzmodellierung überführt. Ergebnis ist eine Bauteilmodellierung, die eine Abbildung des Fügepunktverhaltens unter Wahrung praktikabler Rechenzeiten ermöglicht. Hiermit lassen sich genauere Aussagen zu den Belastungsgrenzen der gefügten Struktur treffen und Verbesserungspotenziale ableiten.

Ein wichtiger Aspekt der ganzheitlichen Betrachtung ist die Lösbarkeit von Verbindungen nach dem Produktlebenszyklus. Forschungsarbeiten am Fraunhofer IWU zielen deshalb auf die Weiterentwicklung der Fügetechnik mit Fokus auf Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit mechanisch gefügter Produkte ab. Auf dem Gebiet lösbar gestalteter Verbindungen werden dabei sowohl die hohen Anforderungen großer Serienstückzahlen (z. B. kurze Taktzeit) wie auch kleinerer Losgrößen (z. B. Flexibilität) in den Fokus genommen:

• Betrachtung des Lebenszyklus lösbarer Verbindungen unter den Aspekten:
  • Ressourceneffizienz
  • Kosten/Nutzen
• Demontage
  • Weiterverwendung, Recycling, Entsorgung
  • neue Demontagetechnologien
  • Beachtung/Betrachtung gesetzlicher bzw. automobiler Richtlinien/Anforderungen
• Oberflächenmodifikationen, Fügevorbereitung
• Konstruktionsrichtlinien