Nachricht

May 03, 2023

Einspritz-Überlappungsnieten

Selbststanznieten im Vergleich zu Einspritznieten. Selbststanznieten (rechts) ist

Selbststanznieten vs. Einspritznieten

Das Stanznieten (rechts) ist ein Kaltfügeverfahren zur Verbindung zweier oder mehrerer Materialbahnen. Bei der Montage wird der Niet mit kontrollierter Kraft in den Materialstapel eingetrieben und durchdringt dabei die oberste Schicht bzw. die obersten Schichten. Der Niet dehnt sich unter dem Einfluss einer Matrize radial in die untere Schicht oder das untere Blech aus und bildet eine starke mechanische Verbindung. Die Niete durchbricht das letzte Material nicht.

Ähnlich verhält es sich mit der Injektions-Überlappnietung (links), deren Verbindungsprinzip jedoch auf Plastizität und Reibung ohne Bruch und Verformung der Oberflächen basiert. Der Prozess umfasst zwei aufeinanderfolgende Vorgänge. Zunächst wird in das untere Blech eine Schwalbenschwanzringbohrung eingearbeitet. Anschließend wird ein Halbhohlniet durch das obere Blech in das Loch im unteren Blech gedrückt.

Illustration mit freundlicher Genehmigung der Universität Lissabon

Die Forscher fanden heraus, dass sich die Schwalbenschwanzlöcher in Aluminiumblechen wie Matrizenhohlräume verhalten, in die die Schaftlänge des Niets floss. Bei Neigungswinkeln von 15 und 30 Grad füllte der Niet die Löcher vollständig aus, bei einem Neigungswinkel von 45 Grad waren jedoch ungefüllte Materialtaschen in den Löchern sichtbar. Obwohl der Hinterschnitt bei einem Neigungswinkel von 45 Grad größer ist, rechtfertigen die nicht ausgefüllten Taschen die Wahl kleinerer Neigungswinkel, beispielsweise 30 Grad. Kleinere Winkel sind ebenfalls von Vorteil, da zum Setzen der Niete weniger Kraft benötigt wird.

Illustration mit freundlicher Genehmigung der Universität Lissabon

Elektrische Tests ergaben, dass die Nietverbindungen einen geringeren elektrischen Widerstand erzeugen als vergleichbare Verbindungen, die mit einer Mutter und einer Schraube befestigt werden.

Illustration mit freundlicher Genehmigung der Universität Lissabon

Für ihr Injektions-Lässnietverfahren erfanden die Forscher ein neues Schneidwerkzeug. Es besteht aus zwei geneigten Fräsern, die durch Federn gesteuert werden und sich nach und nach öffnen, um die Schwalbenschwanzlöcher zu vertiefen, während sich der obere Tisch nach unten bewegt. Das Werkzeug lässt sich problemlos an einer Bohrmaschine oder Fräsmaschine befestigen.

Illustration mit freundlicher Genehmigung der Universität Lissabon

Stromschienen sind ein wesentlicher Bestandteil von Elektrofahrzeugen. Dieser Metallstreifen oder -stab verteilt die elektrische Energie effizient von Hochenergiebatteriepaketen an Elektromotoren und andere Geräte. In der Regel nicht isoliert, müssen Sammelschienen eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, um von isolierten Säulen in der Luft getragen zu werden. Dies trägt zur Kühlung der Leiter bei und ermöglicht Ingenieuren das Anzapfen an verschiedenen Stellen, ohne eine neue Verbindung herstellen zu müssen.

Sammelschienen werden typischerweise durch Stanzen von Kupferblechen hergestellt. Da Aluminium jedoch sowohl leichter als auch billiger als Kupfer ist, möchten Ingenieure dieses Metall gerne für Stromschienen verwenden. Das einzige Problem bei dieser Idee besteht darin, dass Aluminium aufgrund seines höheren elektrischen Widerstands eine geringere Stromtragfähigkeit und eine höhere Impedanz als Kupfer aufweist.

Um das Beste aus beiden Welten herauszuholen, entwickeln Ingenieure Stromschienenbaugruppen, die beide Metalle verwenden. Diese Hybrid-Sammelschienen kombinieren die hervorragende elektrische Leitfähigkeit von Kupfer mit der geringen Dichte und den geringen Kosten von Aluminium.

Natürlich stellt die Entwicklung einer Hybrid-Sammelschiene die Herausforderung dar, die beiden Materialien einfach und effektiv zu verbinden, ohne dass es zu elektrischen Störungen kommt. Die bestehenden Optionen bestehen fast ausschließlich aus Schraubverbindungen und Schweißtechnologien.

Aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit und einfachen Montage und Demontage sind Schraubverbindungen die am weitesten verbreitete Technologie. Allerdings können Befestigungselemente einen ungleichmäßigen Kontaktdruck erzeugen, der den Stromfluss verzerren kann. Durch mechanische und thermische Belastungen können sich Schraubverbindungen lösen und elektrische Störungen verursachen. Und Schalttafeln und Stromschienengehäuse bieten nur begrenzten Platz für Gewindebefestigungen.

Die wichtigsten Technologien zum Schweißen von Kupfer und Aluminium sind das Laserschweißen und das Reibrührpunktschweißen. Die Wirksamkeit des Schweißens wird jedoch durch die unterschiedlichen chemischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften der beiden Materialien sowie durch die Entstehung harter und spröder intermetallischer Verbindungen eingeschränkt.

Für die Montage von Hybrid-Stromschienen kommen auch Clinchen und Stanznieten in Betracht, da sie die Verbindungen in einem Arbeitsgang bei Umgebungstemperatur herstellen können, ohne dass Löcher in die Materialien gebohrt oder gestanzt werden müssen. Diese Prozesse können jedoch aufgrund von Materialvorsprüngen oberhalb und unterhalb der Blechoberflächen zu Verzerrungen des elektrischen Stroms führen. Und wie bei Schraubverbindungen kommt auch bei selbststanzenden Nieten ein drittes Material hinzu.

Im Jahr 2019 entwickelte ein Forscherteam der Universität Lissabon in Portugal eine neuartige Methode zur Montage von Hybrid-Sammelschienen ohne Vorsprünge und zusätzliche Materialien. Ihr Verfahren kombiniert elektrische Entladungsbearbeitung, Biegen und Komprimieren von Blechmassen, um formschlüssige Verbindungen zu erhalten, die innerhalb der Dicke der überlappten Bleche eingeschlossen sind. Das Verfahren ist effektiv, erfordert jedoch eine mehrstufige Abfolge von Umformvorgängen.

„Der Prozess kann problemlos in ein fortschrittliches Presswerkzeugsystem integriert werden“, sagt Paulo Martins, Ph.D., Professor für Maschinenbau an der Universität Lissabon, der an der Entwicklung des neuen Prozesses beteiligt war.

Jetzt haben Martins und sein Forschungsteam eine weitere neue Methode zum Verbinden von Kupfer mit Aluminium eingeführt: das Injektions-Überlappnieten. Die neue Technik kann zum Zusammenbau von Hybrid-Sammelschienen oder für jede andere Anwendung verwendet werden, bei der zwei überlappende Metallbleche zum Einsatz kommen.

Der Prozess wird in zwei Stufen bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Zunächst wird in das untere Blech eine Schwalbenschwanzringbohrung eingearbeitet. Anschließend wird ein Halbhohlniet durch das obere Blech in das Schwalbenschwanzloch des unteren Blechs eingespritzt, um eine formschlüssige Verbindung zu erhalten. Das Funktionsprinzip basiert ausschließlich auf Plastizität und Reibung, im Gegensatz zum Stanznieten, das auf Plastizität, Reibung und Bruch beruht, damit der Niet beim Durchstechen durch die Bleche einen Hinterschnitt erzeugen kann.

Im Vergleich zum Stanznieten hat das Injektions-Überlappnieten laut Martins viele Vorteile. Diese beinhalten:

Der Hauptnachteil des Injektions-Überlappnietens besteht darin, dass es sich um einen zweistufigen Vorgang handelt, da die Schwalbenschwanzlöcher gebohrt werden müssen, räumt Martins ein. Dadurch ist der Vorgang langsamer als beim Stanznieten.

Die wichtigsten Prozessparameter sind der Neigungswinkel der Schwalbenschwanzbohrung; die Tiefe des Lochs; die Dicke der Schwalbenschwanzaussparungen; der Innen- und Außendurchmesser des Lochs; und die Schaftlänge der Niete.

Obwohl der Prozess derzeit auf das Labor beschränkt ist, ist Martins optimistisch, dass er bald am Fließband eingesetzt werden könnte. „Die Chancen, dass dieses Verfahren zu einer kommerziellen Technologie wird, stehen gut, wenn das von uns entwickelte Schneidwerkzeugkonzept zur Bearbeitung der Schwalbenschwanzlöcher erfolgreich in bestehende Blechbearbeitungsanlagen integriert werden kann“, sagt Martins. „Wir arbeiten daran.“

Martins fügt hinzu, dass die Technologie nicht nur auf Sammelschienenbaugruppen angewendet werden kann. „Spritz-Überlappnieten eignet sich für die Montage aller überlappenden Metallbleche aus ähnlichen oder unterschiedlichen Materialien“, sagt er.

Um ihr neues Verfahren zu testen, bearbeiteten die Forscher mit einem speziellen Schneidwerkzeug eine Reihe von Schwalbenschwanzlöchern in 5 Millimeter dicken Aluminiumblechen (AA 6082). Die Tiefe des Lochs wurde um 3 oder 4 Millimeter variiert und der Neigungswinkel auf 15, 30 und 45 Grad eingestellt. Der Innen- und Außendurchmesser der Löcher wurde konstant gehalten, ebenso die Dicke der Schwalbenschwanzausnehmungen.

Das Schneidwerkzeug besteht aus zwei geneigten Schneidwerkzeugen, die durch Federn gesteuert werden und sich nach und nach öffnen, um die Schwalbenschwanzlöcher zu vertiefen, während sich der obere Tisch nach unten bewegt. Das Werkzeug lässt sich problemlos an einer Bohrmaschine oder Fräsmaschine befestigen. Das Design des Werkzeugs ist flexibel und ermöglicht einen einfachen und schnellen Austausch der geneigten Schneiden zum Schärfen.

Die Halbhohlnieten wurden aus elektrolytischen Kupferstäben mit einem Durchmesser von 10 Millimetern gefertigt. Die Schaftlänge der Nieten wurde so berechnet, dass eine vollständige Füllung der Löcher gewährleistet ist.

Als nächstes installierten die Forscher die Nieten mit einer Presse in den Löchern. Nach der Montage wurden einige Testverbindungen zur Querschnittsanalyse der Länge nach halbiert. Einige Verbindungen wurden Zug- und Scherversuchen unterzogen, andere Verbindungen wurden auf Stromfluss geprüft.

Die Forscher fanden heraus, dass sich die Schwalbenschwanzlöcher in den Aluminiumblechen wie Matrizenhohlräume verhalten, in die die Schaftlänge des Niets floss. Bei Neigungswinkeln von 15 und 30 Grad füllte der Niet die Löcher vollständig aus, bei einem Neigungswinkel von 45 Grad waren jedoch ungefüllte Materialtaschen in den Löchern sichtbar. Diese Taschen entstehen durch Verformung des Loches und sind unkritisch, wenn die Verbindungen für rein mechanische Verbindungen vorgesehen sind. Für elektrische Verbindungen wie bei Hybrid-Sammelschienen sind solche Taschen jedoch schädlich, da sie dem Stromfluss einen zusätzlichen Widerstand entgegensetzen.

Obwohl der Hinterschnitt bei einem Neigungswinkel von 45 Grad größer ist, rechtfertigen die ungefüllten Materialtaschen die Wahl kleinerer Neigungswinkel, beispielsweise 30 Grad, sagt Martins. Kleinere Neigungswinkel sind ebenfalls von Vorteil, da weniger Kraft zum Setzen des Niets benötigt wird.

Scher- und Auszugstests ergaben, dass Löcher mit einer Tiefe von 4 Millimetern besser abschnitten als Löcher mit einer Tiefe von 3 Millimetern. Die in beiden Versuchen gemessenen maximalen Kräfte entsprechen einem Einsturz durch Abscheren bzw. durch Ablösen der Nieten von den Blechen.

Elektrische Tests ergaben, dass die Nietverbindungen einen geringeren elektrischen Widerstand erzeugen als vergleichbare Verbindungen, die mit einer Mutter und einer Schraube befestigt werden.