Multi-Material-Konzepte in der Fügetechnik

Gemeinsam sind sie stark

Drei Jahre ist es her, seit eine carbonfreie Karosserie auf dem Siegertreppchen des EuroCarBody-Awards stand. Bis einschließlich 2013 hatte Aluminium als Leichtbau-Komponente in Rohkarosserien die Nase vorn. Dann kamen die ersten Carbonstrukturen zum Tragen, wie BMW zwei Jahre in Folge mit den Gewinner-Karosserien des i8 (2014) sowie des neuen 7er demonstriert. Die Multi-Material-Konzepte fordern die Fügetechniker heraus.

Intelligenter Materialmix: Klar zu erkennen ist der „Carbon Core“ der neuen 7er-Karosserien. (Bild: BMW)

Das Auto der Zukunft ist ein Hybrid. Und zwar schon vor der Hochzeit im Werk, wo die antriebsseitige Fahrtrichtung vorgegeben wird. Denn es findet ein Wandel der Material- und Produktionswelten im Bereich der Automobilindustrie statt. „Der Trend in der Automobilindustrie heißt seit einiger Zeit Multi-Material-Design“, weiß Olaf Leonhardt, Geschäftsführer des Brettener Klebe- und Dosiertechnikspezialisten SCA. „Werden unterschiedlichste Materialien miteinander kombiniert, wie etwa diverse Aluminium-Qualitäten, Carbon und Kunststoff, bedeutet das auch eine Herausforderung für die Fügetechnik.“ Denn die Verbindungen müssten nicht nur halten, sondern auch die Materialeigenschaften berücksichtigen. Und wo im Karosseriebau nicht mehr geschweißt, sondern geklebt oder genietet wird – oder auch mechanische oder thermische Verfahren mit Klebprozessen kombiniert werden – verändern sich zahlreiche Prozessparameter. Diese gilt es zu verstehen und in den Griff zu bekommen.

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Der Blick in die Produktionsstätten deutscher Premiumautobauer zeigt, was derzeit Leichtbau-Karosserien zusammenhält. Aus dem slowakischen VW-Werk in Bratislava rollen neben den Kleinstwagen von VW und seinen Töchtern auch die Offroader des Wolfsburger Konzerns. Unter ihnen der neue Audi Q7, dessen Karosserie den zweiten Platz beim letzten EuroCarBody Award belegte.

Je nach Motorisierung ist der große Audi-SUV bis zu 325 Kilogramm leichter als sein Vorgängermodell. 71 Kilogramm davon gehen auf das Konto der Karosserie, die viele Teile aus warmumgeformtem Stahl und aus Aluminium integriert und so die gestiegenen Anforderungen an Steifigkeit und Crashsicherheit erfüllen soll. Die neue Multimaterialbauweise erfordert innovative Verbindungstechnik – für Wingolf Jahn, Leiter Karosseriebauplanung in Neckarsulm, eine der größten Herausforderungen in diesem Fahrzeugprojekt.

Mit einem Anteil von zwölf Prozent bilden die warmumgeformten Bauteile das Rückgrat der Q7-Passagierzelle. Die Bor-Mangan-legierten Blechplatinen werden in einem Ofen auf etwa 900 Grad Celsius erhitzt und direkt danach beim Umformen im wassergekühlten Presswerkzeug auf zirka 200 Grad abgekühlt. Dadurch entsteht ein ultrahochfestes Gefüge, das geringe Wandstärken ermöglicht. Der Aluminium-Anteil in der Struktur beträgt ganze 41 Prozent – das Leichtmetall ist als Druckguss, Strangpressprofil und Blech wiederzufinden.

„Wenn man Aluminium und Stahl thermisch fügt, entstehen spröde Anteile“, erklärt Steffen Müller, Leiter Technologieentwicklung Fügen. „Deshalb führen wir bei Audi alle Verbindungen zwischen diesen Materialien ausschließlich mechanisch aus.“ Der Seitenwandrahmen aus Aluminium etwa wird mithilfe des Rollfalzens an die ultrahochfeste B-Säule gefügt – dieses Verfahren soll die Breite der Türeinstiegs-Flansche um einige Millimeter reduzieren. Halbhohlstanzniete dienen dazu, die Teile für das Rollfalzen zu fixieren. In den Zonen, in denen sie eingesetzt werden, ist die Säule aus Crash-Gründen etwas weicher ausgeführt – ihr Umformwerkzeug wird in den entsprechenden Bereichen weniger stark gekühlt.

Neu ist auch das Halbhohlstanznieten mit Sonderniete, die dickwandiger und härter als konventionelle Stanzniete sind. Die 250 Sonderhalbhohlstanzniete in der Karosserie des neuen Audi Q7 verbinden ultrahochfesten Stahl von bis zu 1,6 Millimeter Wandstärke mit Aluminium. Dabei werden beide Materialien miteinander verzahnt, ohne dass Vorbohrungen nötig sind. Beim Reibelementschweißen kann das Stahlblech sogar bis zu drei Millimeter dick sein: Ein schnell rotierender Stahlbolzen durchdringt das Aluminiumblech unter hohem Druck und erzeugt anschließend eine hochfeste Reibschweißverbindung mit dem darunter liegenden Stahlblech – ebenfalls ohne Vorlochungen. Der Unterbau des neuen Q7 enthält mehr als 100 solcher Verbindungen. Das Verfahren kann mit Karosserieklebstoffen kombiniert werden. Dank der hohen Festigkeit der Verbindungen kann die erforderliche Verbindungspunktanzahl reduziert werden.

Neben diesen neuartigen Verfahren nutzt Audi eine ganze Reihe weiterer Verbindungstechniken – Clinchen, konventionelles Halbhohlstanznieten, Flow-Drill-Schraubungen und Bolzenschweißen. Dazu kommen mehr als 2.500 Widerstands-Schweißpunkte sowie knapp vier Meter MIG(Metall-Inert-Gas)- und MAG(Metall-Aktiv-Gas)-Schweißnähte. Die Klebenähte sind rund 160 Meter lang.

Neuartiger Geselle: CFK

Kommen faserverstärke Kunststoffe mit ins Spiel, gewinnt die Klebetechnologie noch mehr an Bedeutung. Kleben verbindet als wärmearme Fügetechnik unterschiedlichste Materialien stoffschlüssig und lässt sich gut in automatisierte Fertigungsprozesse integrieren.

Vollautomatischer Klebstoffauftrag auf die Mitteltunnel-Verstärkung aus CFK. (Bild: BMW)

So setzt BMW beispielsweise im Leipziger Werk im CFK-Karosseriebau seiner i-Modelle auf eine zu 100 Prozent automatisierte Klebetechnik. Das bedeutet: keine Lärmbelästigung durch Schrauben oder Nieten und kein Funkenflug beim Schweißen. Wie BMW erklärt, werden in diesem selbst entwickelten Fügeprozess die einzelnen Bauteile berührungslos bis auf einen definierten Klebespalt zusammengefügt. Damit will der bayerische Autobauer nach dem Klebevorgang eine optimale Festigkeit erreichen.

Das mit den i-Modellen gesammelte Fertigungs-Know-how kommt BMW bei der Fertigung der 7er-Karosserie zugute. Der neue BMW 7er ist das erste Fahrzeug im klassischen Modellportfolio der BMW Group, bei dem industriell hergestelltes CFK im Karosseriebau nicht als sichtbarer Außenhaut-Werkstoff, sondern in der Karosseriestruktur – im Verbund mit höchstfestem Stahl und Aluminium – verwendet wird. Aus dem kohlenstofffaserverstärkten Material bestehen die Dachspriegel sowie die Verstärkungen des Dachrahmens, der B-Säule, der C-Säule, des Schwellers und des Mitteltunnels sowie die Gepäckraumtrennwand oben.

Im Gegensatz zu den i-Karosserien kombiniert BMW bei seinem 7er stoff- mit form-/kraftschlüssigen Verbindungstechniken – beispielsweise bei der Mitteltunnelverstärkung, die geklebt und anschließend auf die Stahlkonstruktion genietet wird.

Warum solche Hybridfügetechniken Sinn machen, erklärt Ralf Pilgrim, Geschäftsführer des Stanznietspezialisten Henrob aus Herford. „Mit dem Hybridfügen können wir im Automobilbau zum Beispiel das Crashverhalten, die Korrosionsbeständigkeit und die Schälfestigkeit verbessern.“ Ein Stanzniet tue „dem Klebstoff nicht weh“, anders als etwa ein heißer Schweißpunkt, durch den der Klebstoff verbrenne. Es ergebe sich eine „schöne, flächige Verbindung“, und die Niete hielten den Scherkräften besser stand. Letztlich gehe es immer darum, das Gewicht einer Karosserie zu reduzieren und gleichzeitig ihre gewünschten Eigenschaften zu erhalten oder gar zu verbessern.

Auch für den Mutterkonzern von Henrob, Atlas Copco, steht das Hybridfügen ganz oben auf der Liste der geeigneten Fügetechniken. Unter „Hybridfügen“ versteht man im Atlas-Copco-Konzern die Kombination „Klebetechnik plus eine mechanische oder thermische Fügetechnik“, wie Andreas Kiefer, Vice President Business Development bei Atlas Copco, erläutert. „Aber es ist umfassendes Prozessverständnis erforderlich, um für neue konstruktive Ideen der Multi-Material-Designer die geeignete Fügelösung zu entwickeln.“ Denn es seien zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen: etwa die Zugänglichkeit der Bauteile, das korrosive Verhalten oder die Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe, die Prozesszeit sowie die Anzahl der zu fügenden Lagen. Sei etwa ein Bauteil nur von einer Seite zugänglich, scheide beispielsweise das Stanznieten aus, weil dabei das Fügewerkzeug von oben und unten an die Fügestelle gelangen müsse. Eine Alternative sei in dem Falle das Fließlochschrauben. Dieses Verfahren erlaube dynamisch sichere und lösbare Multi-Material-Verbindungen.

Ungleiche Paarung

Klebstofffreie Verbindung von Carbon und Metall mit dem „Friction Spot Joining“-Verfahren. (Bild: Christian Schmid/Helmholtz-Zentrum Geesthacht)

Carbon clever mit Metall zu verbinden ist auch das Ziel der Wissenschaftler am Institut für Werkstoffforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG). Und das erfolgreich: So erhielt jüngst Materialforscher Dr. Seyed Goushegir den Henry-Granjon-Preis für seine Forschungsarbeiten zu neuen Festphase-Fügeverfahren. Bei dem von Goushegir angewendeten Verfahren, dem Friction Spot Joining, wird Metall durch die Reibungshitze einer sich schnell drehenden Hülse punktuell weich und gefügig gemacht, während das darunter liegende CFK nur an der Oberfläche aufgeschmolzen wird. Beim Eindringen und Zurückziehen der Hülse kommt es zu einer leichten Verformung des Metallbleches in das CFK hinein.

„Eine große Herausforderung bei der Erforschung dieser Technik war es herauszufinden, wie viel Reibung und Druck auf die Hülse ausgeübt werden dürfen, um die erwünschte Erwärmung zu erzeugen. Denn bei zu viel Reibung und Druck werden die Kunststoffmatrix und das Kohlefasernetzwerk sofort zerstört. Dass es kostengünstig und zugleich effizient geht, haben wir mit dieser Technik bewiesen“, erklärt Prof. Sergio Amancio, Gruppenleiter am Werkstoff-Institut des HZG.

Und er glaubt an die Erfolgsaussichten: „Dr. Goushegir hat die Grundlagen der Technologie so überzeugend weiterentwickelt, dass sich dieses junge Verfahren jetzt bereits auf einem fortgeschrittenen Level befindet.“ Eine industrielle Anwendung sei dadurch viel zügiger möglich. Caterina Schröder

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