Eine Alternative zum Kleben

Ausschnitt aus der bdtronic Konstruktionsrichtlinie BHS HOT AIR® (Bild: bdtronic GmbH)

30.10.2019 Eine Alternative zum Kleben

Fügen mit dem Kunststoffnietverfahren

von Yvonne Fischer (bdtronic GmbH)

Kunststoffnieten ist ein altbekanntes Verfahren, das in den letzten Jahren – trotz des Trends zum Kleben – eine Renaissance erlebt. Es fügt Bauteile formschlüssig, punktuell, nicht lösbar und ein neues Verfahren eröffnet neue Perspektiven.

Der Einsatz von Kunststoffbauteilen nimmt vor allem in der Automobilindustrie zu – insbesondere, um die Anforderungen an Gewichts- und Kostenreduzierung und erweiterte Funktionalitäten zu erfüllen. Dabei entstehen immer häufiger Hybridverbindungen, die es zu fügen gilt. Autonomes Fahren und Elektromobilität haben die Anzahl von Elektronik- und Sensorikprodukten im Automobil erhöht. Jede Elektronik enthält eine Leiterplatte und das Fixieren einer Leiterplatte in ein Kunststoffgehäuse mittels Heißnietverfahren ist sauber, günstig, präzise und heute Stand der Technik. Die Anwendungen dieser kosteneffizienten Fügetechnologie sind vielfältig. Bisweilen dient das Verfahren der Vorfixierung eines Bauteils, etwa einer Stromschiene oder eines Stanzgitters im Produktionsprozess vor dem Vergießen, Löten, Schweißen oder Wire-Bonden. Oder es dient der „Nach“-Fixierung etwa eines Deckels mit dem Gehäuse nach dem Auftrag eines Dichtklebstoffes, um den Transport der Baugruppen während der Aushärtezeit des Klebstoffes zu ermöglichen. Häufig wird es aber für Verbindungen eingesetzt, die über die Lebensdauer im Fahrzeug – bei den dort herrschenden klimatischen Belastungen und Vibrationsbelastungen – definierte Kräfte aushalten müssen.

Hierbei sind die Anforderungen an das Prozessergebnis und die Randbedingungen sehr unterschiedlich. Allerdings sind hohe Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und technische Sauberkeit in kürzestmöglicher Taktzeit in der Automobilindustrie immer gefordert. So wird auch hier über diverse Mess-, Überwachungs- und Regelungsfunktionen eine höchstmögliche Wiederholgenauigkeit des Heißnietsystems sichergestellt. Da im Bereich Automobilelektronik meist teilkristalline Materialien eingesetzt werden und diese kleine Prozessfenster für die Verarbeitungstemperatur erlauben, ist die Genauigkeit und Einhaltung der geeigneten Prozesstemperatur am kritischsten und entscheidend für das Gelingen. Entsprechend verfügen moderne Heißniettechnologien über schnelle und präzise Temperaturregelfunktionen. Um maximal hohe radiale und axiale Festigkeiten zu erreichen, wird häufig das Heißluftverfahren bevorzugt. Vor diesem Hintergrund wurde ein neues zweistufiges Heißluftnietverfahren entwickelt. Ein Vorteil dieser Methode ist, auch über hohe bauteiltoleranzbedingte
Volumenschwankungen immer gleichbleibende, maximal gute Nietergebnisse ohne Schmelzeaustritt sicherzustellen. Am Beispiel eines Projektes für ein Batteriesteuergerät zeigte sich zudem, dass mit dem Heißluftverfahren BHS HOT AIR® die axialen Abzugswerte trotz schwankender Pinvolumina gleichbleibend hoch waren. Die Vernietung bricht beim Abziehen nicht, sondern es bricht der Pin im Schaft oder am Fuß, was bedeutet, dass die Vernietung fester ist als das Grundmaterial im Querschnitt.

Der Pin aus einem hoch glasfasergefüllten Polyphenylensulfid hat in diesem Fall minimal eine Höhe von 3,3 mm und nominal eine Höhe von 4,1mm (hier simuliert durch unterschiedliche Fügepartnerstärken). Die Abzugswerte lagen über alle Prüfkörper hinweg im Durchschnitt bei ca. 320 N, jeweils mit einer Standardabweichung von 40 N bzw. 46 N, was bedeutet, dass auch über größere Volumenschwankungen eine gleichbleibend hohe und stabile Abzugsfestigkeit resultiert und die Spaltfüllung immer gegeben ist (Bilder 1, 2 und 3). Die entwickelten halb- oder vollautomatischen Maschinenlösungen mit diesem neuen Verfahren erlauben darüber hinaus kürzestmögliche Taktzeiten für hochvolumige Produktionen und Wechselwerkzeuge für die Mehrprodukt-Fertigung. Somit können ohne hohe Investitionen und zusätzliche Produktionsflächen auch Auslauf- oder Folgeprodukte oder Produktvarianten gefertigt werden.