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Heißnieten für feste Kunststoff-Mischverbindungen

Heißnieten für feste Kunststoff-MischverbindungenEnge Bindung

Mit exakter Prozessführung und kontinuierlichem Monitoring sind im Heißnietverfahren beim verbinden von Kunststoffen und anderen Werkstoffen hohe Festigkeiten erreichbar, wie eine Untersuchung mit Unterstützung der TU Chemnitz zeigte.

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Vernietung im Hotstamp-Verfahren

Das Fügen von Kunststoffen ist nicht zuletzt aufgrund der steigenden Zahl von Kunststoffmaterialien den erhöhten Anforderungen an Energie- und Kosteneffizienz und Ressourcenschonung ein wichtiges Thema. Zudem sind in vielen Fällen, gerade im Umfeld des Leichtbaus, Verbindungen unterschiedlicher Materialtypen interessant. Hier rücken Fügeprozesse wie Kleben und Kunststoffnieten ins Spiel.

Für jede Verbindungstechnologie gibt es relevante Normen zu Maßen und Kräften, die dem Konstrukteur helfen, sein Bauteil zu entwerfen. Sei es die Größe der Schrauben, die Breite der Klebstoffraupe oder die Zahl der Nietpunkte: Das Bauteil muss bestimmte Kräfte und Umwelteinflüsse sicher aufnehmen können. Die Normen zum Kunststoffnieten bieten heute keine ausreichende Grundlage mehr und so kursieren vielfältige, von Unternehmen entwickelte Richtlinien. Darüber hinaus sagt uns ein Materialdatenblatt nicht, in welchem Temperaturbereich ein Heißvernietung durchzuführen ist.

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Das hatte Bdtronic veranlasst, gemeinsam mit einem Werkstoffhersteller und der Technischen Universität Chemnitz eine Grundlagenuntersuchung durchzuführen. Ziel war, beispielhaft an den typischen, in den in Elektronikanwendungen eingesetzten Materialien PBT und PA66 mit Glasfaseranteilen von 30 Prozent die optimalen Prozesswerte zu Verstemmdruck, Temperaturbereich, Nietdomgeometrie, Stempelform und Heizzeit zu finden. Mit den BHS-Verfahren war es aufgrund der exakten Temperaturmessung und ¿regelung erstmals möglich, den Prozess und die relevanten Daten genau abzubilden, und somit reproduzierbare Prozessfenster abzuleiten. Diese Materialien gehören zur Gruppe der teilkristallinen Thermoplaste, die nur sehr kleine Prozessfenster zwischen fest und flüssig aufweisen.

Die Ergebnisse waren bemerkenswert

Vergleichenden Versuchsreihen zeigten, dass bei optimaler Wahl der Prozessparameter das Kontaktnietverfahren BHS Hot Stamp mit über 750 Newton für einen Vollniet mit 3 Millimeter Durchmesser die höchsten Abzugswerte erzielte. Dieses Ergebnis überraschte, weil Kunststoffe als schlecht leitende Materialien erfahrungsgemäß sehr homogen bis zur Umform-Temperatur erhitzt werden müssen, um ein maximales Volumen zu schmelzen und somit die optimale Gefügestruktur zu erreichen. Hierfür wird üblicherweise das Heißluftverfahren verwendet, das ein homogenes Plastifizieren des gesamten Nietdoms ermöglicht. Das Heißstempelverfahren erlaubt hingegen mit gängigen Prozessabläufen lediglich das Aufschmelzen und Verdrängen des Materials über die Kontaktfläche an der Nietspitze. Der entstandene Nietkopf weist so bei nicht-optimalem Ablauf Schwachstellen auf.

Dass der Prozessablauf und die richtige Wahl der Geometrie zu einer mehr als 300prozentigen Festigkeitsverbesserung führen kann, zeigt, wie wichtig es ist, die Einflussfaktoren zu kennen. Nicht nur bei der Wahl der Prozessparameter, sondern bereits im Vorfeld, in der Konstruktion, müssen sie berücksichtigt werden, um technisch und wirtschaftlich optimale Ergebnisse zu erzielen. Als Ergebnis der Untersuchung wurde eine neue Konstruktionsrichtlinie abgeleitet werden, die den optimalen Kompromiss zwischen minimaler Taktzeit und maximaler Festigkeit erzielen soll. Am Rande der Untersuchung wurde zudem ein Erfahrungswert der Praktiker bestätigt: Die äußere Optik lässt keine Aussage über die Festigkeit der Nietverbindung zu. Die Forschung gemeinsam mit der TU Chemnitz ist bereits im nächsten Stadium, um weitere Materialien und Einflussfaktoren zu untersuchen.

Wissen wie der Prozess abläuft

Automobilindustrie und Medizintechnik, aber auch andere Branchen stellen erhöhte Anforderungen an Prozessüberwachung und Rückverfolgbarkeit, um hohen Qualitäts- und Sicherheitsansprüchen gerecht zu werden. Der Kostendruck verlangt den störungsarmen Dauerbetrieb der Anlagen. Für das Heißnietverfahren bedeutet das: Überwachung, Darstellung, Analyse und Speicherung der Temperatur-, Strom-, Leistungs- und Gasflusswerte sowie die Zeit-Weg-Messung der Stempelposition. Wichtiges Merkmal ist die aktive dynamische Temperaturregelung im Millisekunden-Bereich, die unabhängig von Ausgangstemperaturen und Umgebungsbedingungen die Prozesswiederholbarkeit und Genauigkeit sicherstellen soll. Eine intuitive Prozesseinstellung mit der windowsbasierten Steuerungs-Software über Aktionslisten macht den Ablauf für den Bediener transparent und einfach anpassbar.

Kunststoff-Nieten:

Das Heißnieten, auch Heißverstemmen oder Warmumformen genannt, ist ein form- oder stoffschlüssiges nicht lösbares Fügeverfahren. Ein thermoplastisches Kunststoffbauteil erhält beim Spritzguss Dome, der Fügepartner wird auf die Dome aufgesteckt, über Energieeinkopplung werden diese geschmolzen und dann mit einem Stempel umgeformt. Es werden keine Verbrauchsmaterialien wie Schrauben benötigt - das spart Kosten und Logistikaufwand. Es bilden sich keine Späne wie bei Kunststoff-Schraubverbindungen und das das Fügen unterschiedlicher Materialpaarungen ist möglich: Ein Fügepartner ist ein Thermoplast, der zweite ist frei wählbar.

Das Heißstempelnietverfahren ist thermisch und mechanisch besonders schonend und benötigt wenig Sperrbereich. Es ist beispielsweise beim Fügen von Leiterplatten und Deckeln im Einsatz, beim Verschließen von Öffnungen, Einbetten von Optiken oder für Kunststoff-Kunststoff-Verbindungen. Das Heißluftnietverfahren genutzt, um strukturelle Verbindungen mit guten Gefügestrukturen mit Spaltfüllung und Spielfreiheit zu erreichen.

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