Multi-Material-Welding

Schneller, stärker und flexibler verbinden

Konstruktionen aus Leichtbau- oder Sandwichmaterialien stellen an die Verbindungstechnik verschiedenste Herausforderungen: Sie müssen sicher und effizient sein und gleichzeitig so ausgelegt sein, dass sie die besonderen Eigenschaften des Trägermaterials sowie die Anforderungen des jeweiligen Unternehmens berücksichtigen. Eine neue Befestigungstechnik, die die kraft- und formschlüssige Verbindung dieser Materialien dauerhaft gewährleisten soll, ist die patentierte MultiMaterial-Welding-Technologie (MM-W-Technologie). Sie bietet eine Alternative für traditionelle Fixierlösungen wie Nieten, Schrauben oder Kleben.

Das MM-W-Verfahren nutzt den angeschmolzenen Kunststoff als Verbindungsmasse.

Herkömmliche Verbindungstechniken basieren auf dem Prinzip von kompakten 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. Doch Faserverbundstoffe, wie Sandwichplatten und Leichtbaumaterialien, sind vielfach poröse Werkstoffe – beispielsweise in Form von geschäumten Materialien bis zu solchen mit Wabenstruktur. Die Struktur dieser Materialien verhindert den Einsatz der bekannten Verbindungssysteme, da über die relativ kleinen Kontaktflächen von Verbinder zu Komponente oder Bauteil keine größeren, dauerhaften Lasten übertragen werden können. Wird ein Vorloch benötigt, in das ein herkömmliches Verbindungselement wie Niet oder Schraube eingebracht werden soll, besteht zudem 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 Prozessen sowie von Konstrukteuren nach neuen Gestaltungsmöglichkeiten im Bereich der Leichtbautechnik werden dadurch stark eingeschränkt.

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Bei der MM-W-Technologie, die von der MultiMaterial-Welding AG patentiert und von der KVT-Fastening-Mutter Bossard unterlizenziert ist, werden statt herkömmlicher Befestiger thermoplastische Verbindungselemente, beispielsweise in stift- oder hülsenähnlicher Form, verwendet. Das Funktionsprinzip: Der thermoplastische Befestiger wird in Phase 1 über die Kombination von Ultraschallbewegung und Druck durch die Deckschicht quasi gestoßen. Durch die Reibung zwischen Verbinder-Oberfläche und Bauteil wird die Oberfläche des Verbinders selbst zum Verbindungsmaterial. Dank seiner Materialhärte bleibt der Verbinder an sich jedoch formbeständig. Somit nutzt das MM-W-Verfahren die Kombination von Ultraschallenergie, Materialhärte und Design des Verbinders aus, um einerseits den Verbinder in das Bauteil einzutreiben und andererseits den angeschmolzenen Kunststoff als Verbindungsmasse zu nutzen. Über die Kapillare der Schmelze wird der poröse Werkstoff des Bauteils gefüllt, was in der Summe zu einer größervolumigen und größerflächigen Halteverankerung führt.

Befestigungs-Variante LiteWWeight: Befestigung auf Wabenstruktur und/oder porösen Bauteilen.

Fügen in Sekundenbruchteilen

Die MM-W-Technologie bringt verschiedene Vorteile mit sich. Einer davon ist die deutlich kürzere Prozesszeit als bei alternativen Verbindungstechniken, die zu einer effizienteren Inline-Verarbeitung führt: Der gesamte Fügeprozess dauert dabei weniger als eine Sekunde und Abkühlphasen oder Aushärtezeiten müssen nicht 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 Technologie bietet hohe Flexibilität, da sich die Befestiger ohne Vorpositionierung zum Toleranzausgleich verwenden lassen. Darüber hinaus gewährleistet das MM-W-Verfahren laut KVT-Fastening 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 funktional im Bauteil integriert. Diese Applikations-Freiheiten 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. Des Weiteren 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 soll die Möglichkeit zur statistischen Kontrolle des Prozesses die durchgängige Qualität jedes einzelnen Verbindungspunkts garantieren und das Verfahren dauerhaft reproduzierbar sowie sicher machen.

Einsatzbereiche

Ihren Ursprung hat die MM-W-Technologie im WoodWelding- und BoneWelding-Verfahren, die seit vielen Jahren in ähnlicher Form in der Möbel- und Medizinindustrie angewendet werden. Hauptaugenmerk der von der MultiMaterial-Welding AG weiterentwickelten MM-W-Technologie liegt aktuell auf der Verbindung von geschäumten Werkstoffen, Sandwichmaterialien oder Wabenplatten, wie sie in der Automobil- und Transportindustrie verwendet werden. Durch die aktuellen Anforderungen des Markts sind zudem auch Verbindungen zwischen Blechen und kompakten Kunststoffen möglich. Dabei wird im Blech eine Tiefzug-artige Pore in den kompakten Thermoplast getrieben. Des Weiteren 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. cs

Lesen Sie dazu auch das Interview mit Werner Pfister, Application Engineer, und Christian Busch, Business Development Manager Leichtbau, beide bei KVT-Fastening, auf Seite 66.

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