SCA versammelt Know-how für Multi-Material-Design

Der Trend zum Multi-Material-Design stellt die Fügetechnik im Karosseriebau vor neue Herausforderungen. Einige Lösungen zeigte der Klebe- und Dosierspezialist SCA auf seinen Kundentagen im April. Dazu zählten Kombinationen verschiedener Fügetechniken mit dem Kleben, neue Entwicklungen beim Bördelfalzen sowie Möglichkeiten zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen.

„Der Trend in der Automobilindustrie heißt seit einiger Zeit Multi-Material-Design“, sagte 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.

Viel Know-how aus allen Fügetechnologien

Neue Ansätze, um derartige Materialkombinationen prozesssicher zu fügen oder Fügeprozesse zu überwachen, lockten im April rund 150 Besucher zu einer Hausmesse von SCA nach Bretten. Gemeinsam mit Automobilherstellern, Forschungsinstituten und anderen Fügetechnikanbietern präsentierte SCA zahlreiche Möglichkeiten, Materialien in Leichtbau- oder Sandwichbauweise prozesssicher zu verbinden. In Vorträgen sowie praxisnah an Stationen im Innovation-Center des Klebespezialisten brachten Experten den Besuchern hybride Fügetechniken näher. „Hybridfügen“ nennt SCA die Kombination thermischer oder mechanischer Fügetechniken mit dem Kleben.

Gute Eigenschaften kombinieren, ohne Materialien durch Fügeverfahren zu schwächen

Aus dem Deutschen Institut für Luft- und Raumfahrt (DLR) war Dr. Sebastian Sikora vor Ort. Das Institut untersucht unter anderem die Einflüsse von Korrosions- und Klimabelastungen auf die mechanischen Eigenschaften von Fügestellen. „Beim Multi-Material-Design, das heißt einer geschickten Kombination von unterschiedlichen Werkstoffen, werden die technischen Anforderungen komplexer“, sagte Sikora. Die mechanischen Eigenschaften, elektrochemischen Potenziale und Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe müssten berücksichtigt werden, um etwa Korrosion oder Materialspannungen zu vermeiden. „Die Eigenschaften der Werkstoffe sollen genutzt werden, ohne sie durch das Fügeverfahren zu schwächen.“ Dies könne mit hybriden Fügetechniken erreicht werden.

Die Kombination von Stanznieten oder Fließlochschrauben mit Kleben, die das DLR in diesem Zusammenhang nannte, konnten sich die Besucher anschließend ebenso in der Praxis ansehen wie einige andere hybride Prozesse. Dazu hatte SCA in seinem Innovation-Center gemeinsam mit Partnerunternehmen mehrere Stationen aufgebaut. Die Henrob GmbH, Spezialistin für Stanznietsysteme und wie SCA zum schwedischen Atlas-Copco-Konzern gehörend, führte die Verbindung mehrlagiger Stahl-Aluminium-Konstruktionen durch einen Stanzniet-Klebe-Prozess vor: Im Multi-Material-Design verbessert diese Kombination zweier Fügemethoden die statische Stärke, die dynamische Dauerfestigkeit, das Crash-Verhalten und die Korrosionsbeständigkeit der Konstruktion.

Die Klingel GmbH zeigte die Kombination von Fließlochschrauben und Kleben an der Materialkombination aus Aluminium und Stahl. Dieser hybride Fügeprozess zeichnet sich durch niedrige Prozesskosten und kurze Fügezeiten aus, wobei die Konstruktionen besonders korrosionsbeständig und crashsicher sind. Und die Königsbrunner Düring Schweißtechnik GmbH wiederum verband das Widerstandspunktschweißen mit einem Klebeprozess. Derartige Verbindungen verbesserten das Crashverhalten und ermöglichten das Fügen dünner Bleche, so das Unternehmen. Die Konstruktion kann leichter werden als beim reinen Schweißen und weist eine höhere Struktursteifigkeit auf. Zudem werden Risse verhindert.

Bördelfalzverbindung als Schwerpunkt

Einen weiteren Schwerpunkt hatte SCA diesmal auf den Prozess des Bördelrandfalzens gesetzt. „Derartige Verbindungen gehören zu den anspruchsvollsten Fügeprozessen im Auto-Karosseriebau, da der Falzbereich besonders anfällig für Korrosion ist“, erklärte Olaf Leonhardt. Gleich zwei Vorträge und drei Stationen im Innovation-Center widmeten sich dem Thema. So stellte das schwedische Forschungsinstitut Swerea sein Projekt „FALS“ vor: Ziel sei es, ein zuverlässiges Konzept für den Falzprozess von Leichbaustrukturen in Multi-Material-Bauweise zu schaffen. Swerea versucht, mit virtuellen Methoden die Güte einer versiegelten Verbindung vorherzusagen. „Für versiegelte gefalzte Verbindungen von Leichtbaustrukturen muss die Kombination aller Parameter stimmen“, betonte Per-Johan Wahlborg vom Institut Swerea: „Die Klebstoffviskosität, Geometrie und Positionierung des Klebstoffs sowie die Applikationsmethode.“ Berücksichtigen müsse man außerdem Umform- und Rückfederungseffekte beim Falzprozess. Lufteinschlüsse beeinflussen die Festigkeit und erhöhen das Risiko von Korrosion.

Simulation statt „Trial and Error“

Das Institut hat durch Simulationen und Studien viel Erfahrung mit Bördelprozessen gesammelt. Diese seien schon für das Falzen per Table-top-Verfahren nutzbar, um im Vorfeld Fehler zu vermeiden. Table-top-Falzen heißt: Der Bördelfalz wird auf einer kompletten geraden Bauteilseite gleichzeitig heruntergedrückt. Unter anderem untersucht Swerea, wie sich der Klebstoff beim Bördeln im Falz ausdehnt. „Vor der Herstellung wird viel ausprobiert, bis die optimalen Parameter gefunden sind“, bestätigte ein Besucher der SCA-Hausmesse. „Prozesse simulieren zu können, statt sich nach dem ‚Trial-and-Error-Prinzip‘ heranzutasten, kann viel Zeit und Kosten sparen.“  An seiner Station im Innovation-Center zeigte Swerea zusätzlich das robotergestützte Rollfalzen als optimale Wahl für die flexible Fertigung von Anbauteilen. Vor dem Bördeln mit Vorfalz- und nachfolgender Fertigfalzrolle wird ein Dichtstoff appliziert, der verhindert, dass Feuchtigkeit eindringt. Im Gegensatz zum Table-top-Falzen ist das Rollfalzen flexibler; es kann auch „um die Ecke“ falzen. Zudem spart das Verfahren Zeit und Prozessschritte.

SCA selbst stellte in diesem Zusammenhang die neue Generation seines E-Swirl-Verfahrens im Innovation-Center vor. Diese Applikationsmethode, bei der der Klebstoff in Kreiselbewegungen aufgetragen wird, eigne sich besonders für den Einsatz beim Bördelfalzen und Falzversiegeln, erklärte Olaf Leonhardt. Durch den verstellbaren Exzenter in der Düse sowie in Kombination mit einer Verfahrachse können Position und Breite des Swirl-Musters einfach eingestellt werden, ohne dass aufwendig programmiert werden muss. Außerdem erlaubt es der neue Applikator, während des Prozesses zwischen Kreisel- und normaler Rundraupe umzuschalten, ohne die Düse zu wechseln. Ein Vision-System an der Station kontrollierte gleichzeitig die Auftragsqualität über die gesamte Nahtlänge.

Per Ultraschall zerstörungsfrei prüfen

„Die Klebstoffmeter im Auto nehmen zu“, erklärte Olaf Leonhardt. Damit werde es immer wichtiger, Klebeprozesse abzusichern, denn ein ungleichmäßiger Klebstoffauftrag könne Korrosion begünstigen. Um solche Unregelmäßigkeiten nachzuweisen, wird die Verbindung bisher stichprobenweise nach der Aushärtung des Klebers – in der Regel nach der Lackierung – gelöst. Zu spät, um während der Produktion korrigierend einzugreifen. Leonhardt nannte daher einen neuen Ansatz von General Electrics (GE) „wegweisend“: Um Falz- (und andere) Fügeverbindungen per Ultraschall zerstörungsfrei zu prüfen, hat GE in Zusammenarbeit mit Volkswagen eine schnelle und flexible Lösung entwickelt, die beide Unternehmen auf der SCA-Hausmesse vorstellten. Mit der sogenannten Ultraschall-Phased-Array-Technik kann die Klebeverbindung über die gesamte Klebenaht überprüft werden. Im Innovation-Center zeigte GE, wie der Prüfkopf den gesamten Bördelfalzbereich entlanggeführt wird, während zeitgleich auf einem Bildschirm dargestellt wird, in welchen Bereichen Klebstoff fehlt.

Wie VW vorrechnet, spart die Ultraschall-Falzklebeprüfung, die mit einem adaptiven, flexiblen Prüfkopf arbeitet, am Beispiel einer Fahrzeugtür jährlich beispielsweise 30.000 Euro an Schrottkosten für Prüfteile und weitere 40.000 Euro für die entfallende Farbeindringprüfung ein. Das neue Verfahren soll im Juni seine Serienprüfung im VW-Werk Mosel absolvieren.

„Die Nachfrage nach innovativen Lösungen für das Fügen von Multi-Material-Design wird weiter wachsen“, ist sich SCA-Chef Olaf Leonhardt sicher. SCA wird im kommenden Jahr daher das Innovation-Center um einen eigenen Schwerpunkt für Hybridfügetechnologien erweitern.

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