Ultraschallschweißen

Fügetechnik für den automobilen Leichtbau

Leichtbau ist ein wichtiger Trend in der Automobilindustrie. Neben dem Gewicht sollen möglichst auch die Kosten sinken. Übliche Schweiß- und Klebeverfahren stoßen bei Wanddicken unter 3 Millimeter und der Forderung nach hochwertigen Oberflächen häufig an ihre Grenzen. Als technisch und wirtschaftlich interessantes Fügeverfahren kann sich die Ultraschalltechnologie erweisen. Neue Materialien, beispielsweise mit Nanopartikel-, Glasfaser- oder Carbonverstärkung, kommen auf den Markt und auch hierauf bereitet sich diese Fügetechnik vor.

Shanghai Auto Show 2019: VW zeigte die Studie ID.Roomzz. Der Wagen soll 2021 als Elektro-SUV auf den Markt kommen © Volkswagen

Das Ultraschall-Kunststoffschweißen kann bei fast allen thermoplastischen Kunststoffen eingesetzt werden. Neben dem bewährten longitudinalen Schweißverfahren bietet Telsonic das torsionale Ultraschallschweißen an, das sich durch geringe Bauteilbelastung auszeichnen soll. Seine Leistungsfähigkeit habe das und patentierte Verfahren in zahlreichen Anwendungen bewiesen, zum Beispiel bei Fahrzeugstoßfängern aus Polypropylen (PP). Hier ermögliche das torsionale Ultraschallschweißen die Wanddicke signifikant auf weniger als 2,5 Millimeter zu reduzieren. Magna Exteriors beispielsweise, Tier-1-Zulieferer von Verkleidungskomponenten und -systemen, setzt das Verfahren seit 2017 im Produktionsprozess ein und wurde im Folgejahr dafür mit dem Automobil SPE und ACE Innovation Award ausgezeichnet.

Gewichts- und Kostenreduzierung bei gleichzeitig mehr Funktionen, die es in die Fahrzeuge zu integrieren gilt, werden den Leichtbau im Automobilbau weiter vorantreiben. Dabei spielen Themen wie autonomes Fahren und alternative Antriebskonzepte eine wichtige Rolle. "Stoßfänger sind heute mehr als eine Verkleidung", betont Joseph Laux, ehemals Global Director of Material Science bei Magna Exteriors. "Es wird zum Beispiel immer mehr Sensorik integriert, gleichzeitig steigen die Anforderungen an das Design, wobei heutige und künftige Leichtbaumaterialien viel gestalterische Freiheit bieten. Dabei sind auch ästhetische Merkmale für das Gesamtfahrzeug von zentraler Bedeutung, beispielsweise eine bündige Außenhaut und mit geringeren Spaltmaßen."

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Torsionales Ultraschallschweißen: Technologie für lackierte, dünnwandige Stoßfänger mit Klasse A-Oberflächen. © Telsonic

"Intelligente" Stoßfänger und Seitenschweller
Einige der neuen Fahrzeugdesigns, die von den Erstausrüstern eingeführt wurden, erforderten größere Veränderungen bei der Entwicklung von Frontstoßstange und Grill. Die neuen Designs deuten auf eine Konvergenz hin, bei der die Stoßfänger größer und die Grills in Sensorhalter verwandelt werden. Die Menge der auf der Rückseite der Stoßfänger angebrachten Bauteile wird zunehmen, um die innovativen Technologien mit Bezug auf Sicherheit und Komfort zu unterstützen.

Auch bei Seitenschwellern gibt es neue Trends. Während sie bei Limousinen und Coupes nie ein Hingucker waren hat sich dies mit dem Siegeszug der SUVs verändert. Die Seitenschweller (Rocker-Panels) sind heute ein wichtiges Stilelement. Sie sind zu einem Design Statement geworden und nicht nur ein Schutz für das Metall darunter. "Es ist weitaus billiger, eine beschädigte Kunststoffverkleidung zu ersetzen, als eine beschädigte Metallkarosserie zu reparieren", erklärt Joseph Laux. Auch hier spiele künftig ein funktionsintegrierendes Design eine größere Rolle und benötige robuste und preiswerte Befestigungen, unter anderem für Halter und Clips für Sensoren oder Beleuchtungen, die mit Ultraschallschweißen einfach zu industrialisieren seien.

Joseph Laux, ehemals Global Director of Material Science bei Magna Exteriors © Telsonic

Heckklappen und Kotflügel aus Kunststoff
Heckklappen sind aktuell das mit Abstand am schnellsten wachsende Segment für Kunststoffaußenverkleidungen, speziell für SUVs. Hier stehen Materialvalidierung mit der torsionalen Ultraschallschweißtechnik Soniqtwist von Telsonic und tiefere Untersuchungen aktueller Prozesse an, darunter Flammenbehandlung, Haftgrundierung, 2K-Polyurethanklebstoff. Ziel sei es, die benötigten Halterungen auf der Innen- und auf der Außenseite der Heckklappe per Ultraschall verlässlich und preiswert zu schweißen.

Auch bei Kotflügeln zeichnet sich eine Wende ab. Heute werden vordere und hintere Kotflügel aus Metall hergestellt und durch die OEM-Lackiererei geführt. Dieses Fertigungskonzept verändert sich jetzt durch den Trend zu globalen System-Plattformen, die an mehreren Standorten weltweit hergestellt werden. "Solche neuen OEM-Presswerke und Lackierereien sind die heute wichtigen Investitionsgüter mit Gewinnschwellen in der Größenordnung von zehn bis fünfzehn Jahren", weiß Joseph Laux. In Verbindung mit den neuen Autodesigns sind damit Kunststoffkotflügel ein interessantes Wertversprechen.

Leichtbau ist ein wichtiger Trend in der Automobilindustrie. Neben der Gewichtseinsparung sind auch signifikante Kosteneinsparungen möglich. © Telsonic

Neue Materialien - neue Fügetechnik
Mit dem Trend zu leichteren Materialien sind OEMs und Systemlieferanten ständig gefordert, diese neuen Materialien zu testen, zu validieren und in ihre Autos und Autokomponenten umzusetzen. Dies gepaart mit großen Investitionen der Materiallieferanten, um eine tragfähige Kreislaufwirtschaft aufzubauen, habe zu einem erhöhten Bewusstsein geführt, mehr über diese neuen Materialien und die zu ihrer Kommerzialisierung erforderlichen Prozesse wie Formen, Lackieren und Fügen zu erfahren.

"Der Leichtbau ist ein weites Feld, in dem sich die Ultraschall-Fügetechnik auch künftig beweisen wird", fährt Joseph Laux fort. "Es gilt also alle neuen Materialien - zum Beispiel mit Nanopartikel-, Glasfaser- oder recyclebarer Carbonverstärkung - zu testen. Dabei müssen auch neue Verfahren einbezogen werden wie 3D-Druck und Compound-Techniken für Werkstoffe ‚nach Maß', die sich hier immer stärker etablieren werden." Die Ultraschalltechnologie von Telsonic biete gute Voraussetzungen, um auch für künftige Anwendungen serientaugliche Ultraschall-Lösungen zu entwickeln. Erste Tests mit neuen Leichtbaumaterialien seien erfolgreich verlaufen.

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