Verbindungselemente in Sandwichmaterialien

Andrea Gillhuber,

MultiMaterial-Welding – schnell und belastbar

Produkte in Sandwichbauweise liegen industrieweit im Trend. Sie bieten eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht. Verschiedene Materialkombinationen erlauben darüber hinaus flexible Einsatzmöglichkeiten. Mit der MultiMaterial-Welding-Technologie steht ein neues Verfahren zur Verfügung, das ein prozesssicheres Setzen tragfähiger Verbindungselemente in geschäumten und Wabenkern-Werkstoffen erlaubt. 

LiteWWeight bietet sicheren Halt in Wabenstrukturen und/oder porösen Bauteilen. © www.mm-welding.com

Leichtbau- oder Sandwichmaterialien stellen Konstrukteure und Entwickler vor Herausforderungen: Die verwendeten Lösungen müssen ein Höchstmaß an Sicherheit sowie Effizienz bieten und gleichzeitig so ausgelegt sein, dass sie die besonderen Eigenschaften des Trägermaterials sowie Anforderungen der jeweiligen Anwendungen berücksichtigen. Traditionell kommen bei der Installation von Verbindungselementen Niet-, Schraub- oder Klebe-Methodiken zum Einsatz. Diese sind vor allem der Vielzahl an möglichen Materialkombinationen geschuldet: Eine mit Melamin-Harz beschichtete MDF-Platte (Mitteldichte Holzfaser) setzt eine andere Herangehensweise als eine Aluminium-/Kunststoffkernkombination oder ein Werkstück mit Kunststoffoberfläche und Schaumkern beziehungsweise Wabenstruktur voraus.

Unabhängig von der gewählten Verbindungsmethode fallen jeweils Vorarbeiten an wie das Bohren von Löchern oder Aufbringen von Klebesubstanzen. Im Nachgang müssen darüber hinaus oft zusätzlich Aushärte- oder Abkühlungszeiten berücksichtigt werden. Die zusätzlichen Aufwände stehen der Anforderung nach möglichst effizienten Automatisierungsprozessen im Wege. Die MultiMaterial-Welding-Technologie (MM-W) von KVT-Fastening verfolgt einen komplett anderen Ansatz.

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Neue Befestigungstechnik

Mit der patentierten MM-W-Technologie steht nun eine neue Befestigungstechnik zur Verfügung. Mittels Ultraschall und thermoplastischen Befestigungselementen werden in Sekundenschnelle dauerhaft kraft- und formschlüssige Verbindungen erzeugt. Ihren Ursprung hat die Methode in den WoodWelding- und BoneWelding-Verfahren, die seit vielen Jahren in ähnlicher Form in der Möbelindustrie und Medizin angewendet werden. Herkömmliche Verbindungstechniken basieren auf dem Prinzip von soliden Werkstoffen, die miteinander verbunden werden sollen. Im Leichtbau hingegen werden sowohl extrem feste Metalle wie auch Kombinationen aus Faserverbundstoffen zusammengefügt. Bei den metallischen Bauteilen kommen herkömmliche Verbindungssysteme mit zum Teil angepassten Eigenschaften zum Einsatz. Faserverbundstoffe, Sandwichplatten und Leichtbaumaterialien, zum Beispiel in Form von geschäumten Materialien bis zu solchen mit Wabenstruktur sind jedoch vielfach poröse Werkstoffe.

Befestigung einer Scharniereinheit mit dem LiteWWeight-Pin. © www.mm-welding.com

Die vorhandenen Hohlräume in diesen Materialien – und damit die fehlende solide Masse des Werkstoffs – erschweren oder verhindern oft den Einsatz herkömmlicher Verbindungssysteme. Denn über die relativ kleinen Kontaktflächen von Verbinder zu Komponente oder Bauteil können keine größeren, tragfähigen Lasten übertragen werden. Wird ein Vorloch benötigt, in das herkömmliche Verbindungselemente wie Niete oder Schrauben eingebracht werden sollen, fällt nicht nur ein zusätzlich notwendiger Prozessschritt an. Darüber hinaus besteht das Risiko einer Materialschwächung. Werden die Bauteile verklebt, sind aufgrund der nicht immer optimalen Oberflächeneigenschaften die Prozesssicherheiten limitiert. Die Wünsche von Prozessingenieuren nach schnelleren und einfacheren Produktionsabläufen sowie von Konstrukteuren und Entwicklern nach neuen Gestaltungsmöglichkeiten im Bereich der Leichtbautechnik werden dadurch stark eingeschränkt.

Was steckt hinter MM-W?

Einsatz des LiteWWeight-Adapters. © www.mm-welding.com

Bei der MM-W-Technologie, die von der MultiMaterial-Welding AG patentiert und von der KVT-Fastening Mutter Bossard unterlizenziert ist, werden beispielsweise in der Variante LiteWWeight statt herkömmlicher Befestiger thermoplastische Verbindungselemente in stift-, hülsen- oder frei wählbarer Form verwendet (siehe Bild 1, 2 und 3). Das Funktionsprinzip: Der thermoplastische Befestiger wird in Phase 1 über die Kombination von Ultraschallbewegung und Druck durch die Deckschicht getrieben. Aufgrund der Reibung zwischen Verbinder-Oberfläche und Bauteil wird die Oberfläche des Verbinders selbst zum Verbindungsmaterial. Dank seiner Materialhärte bleibt dieser jedoch formbeständig und seine Funktion erhalten. Das MM-W-Verfahren nutzt die Kombination von Ultraschallenergie, Materialhärte und Design des Verbinders aus, um diesen einerseits in das Bauteil einzutreiben und andererseits den angeschmolzenen Kunststoff als Verbindungsmasse zu nutzen. Über die Kapillare der Schmelze wird der poröse Werkstoff des Bauteils ideal gefüllt, was in der Summe zu einer größervolumigen und größerflächigen Halteverankerung führt.

Die MM-W-Technologie bringt verschiedene Vorteile mit sich. Einer davon ist die deutlich kürzere Prozesszeit als bei alternativen Verbindungstechniken. Dies führt zu einer effizienteren Inline-Verarbeitung: Der gesamte Fügeprozess dauert weniger als eine Sekunde. Danach müssen keine Aushärte- oder Abkühlzeiten beachtet werden. Die Verbindung ist unmittelbar nach Freigabe der Verbindungsstelle belastbar. In den meisten Fällen muss zudem kein Loch im Material vorgebohrt werden. Ein weiterer Vorteil: Die Technik bietet hohe Flexibilität, da sich die Befestiger ohne Vorpositionierung zum Toleranzausgleich verwenden lassen. Darüber hinaus gewährleistet das MM-W-Verfahren stärkere Bindungen als bei vielen anderen Befestigungsmethoden. Hintergrund ist, dass durch die Gestaltung einer den Anforderungen entsprechenden Oberflächenform und Größe in Kombination mit der Auswahl des passenden thermoplastischen Verbinders Lasten großflächig in das Bauteil eingebracht werden. Dabei wird nicht nur ein Befestigungspunkt erzeugt, sondern der Befestiger sowohl funktional wie auch optisch ins Bauteil integriert.

Diese neuen Freiheiten in der Gestaltung von Applikationen sind zudem nicht an bestimmte Geometrievorgaben, beispielsweise die Radialsymmetrie, gebunden. Darüber hinaus können auch dünne Substrate ohne optische Beeinträchtigung der „Rückseite“ mit Verbindungspunkten versehen werden. Zudem ist die Verarbeitung im Vergleich zu herkömmlichen Verbindungstechniken sauberer, da keine zusätzlichen Werkstoffe oder Vorbehandlungen der Oberflächen erforderlich sind und kein Abfall produziert wird. Nicht zuletzt garantiert die Möglichkeit zur statistischen Kontrolle des Prozesses die durchgängige Qualität jedes einzelnen Verbindungspunkts und macht das Verfahren dauerhaft reproduzierbar sowie sicher.

Einsatzbereiche von MM-W

Das Anwendungsbeispiel zeigt eine aus Sandwichmaterialien bestehende Ladebodenabdeckung. © www.mm-welding.com

Hauptaugenmerk der ständig weiterentwickelten MM-W-Technologie liegt aktuell auf der Verbindung von geschäumten Werkstoffen, Sandwichmaterialien oder Wabenplatten, wie sie in der Automobil- und Transportindustrie verwendet werden (siehe Anwendungsbeispiel Bild 4). Darüber hinaus sind zudem auch Verbindungen zwischen Blech und kompakten Kunststoffen möglich. Dabei wird im Blech eine tiefzugartige „Pore“ in den kompakten Thermoplast getrieben. In der Folge kann ein metallischer Befestiger, beispielsweise eine Mutter oder ein Bolzen, mit einer bestimmten Verankerungsgeometrie ausgestattet werden, der dann im MM-W-Verfahren auf der Rückseite eines Bauteils mit Class-A-Oberfläche aufgebracht wird und so eine unsichtbare Verbindungsstelle erzeugt. Weitere Entwicklungen sind in der Testphase und werden in naher Zukunft mit den steigenden Anforderungen zur Anwendung kommen.

In Summe vereint die MM-W-Technologie die Vorteile von konventioneller Verbindungs- und Klebetechnik in sich. Sie kombiniert hohe Festigkeit mit schnellen sowie kontrollierbaren Prozessen, steigert die Produktqualität sowie Prozesseffizienz und bietet damit eine komplett neue Alternative für die Verbindung von Leichtbaumaterialien.

Florian Beer, Managing Director bei KVT-Fastening Deutschland / ag

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