Verbindungslösung für Verbundwerkstoffe

Verbindungslösung  für Verbundwerkstoffe
SMC-Bodenblech mit struktureller Materialverstärkung, die rund um eine traditionelle Befestigungslösung verbaut wird.
13.07.2016 | Mit der ansteigenden Verwendung von Verbundwerkstoffen infolge sich ausweitender Anwendungsbereiche nimmt die Herausforderung zu, für jeden Anwendungszweck die geeignete Verbindungslösung zu finden.

WAS IST EIN VERBUNDWERKSTOFF? 

Bei Verbundwerkstoffen handelt es sich um Feststoffe, die sich aus zwei Materialbestandteilen zusammensetzen, die unterschiedliche physikalische oder chemische Eigenschaften aufweisen. Die  zwei Hauptkategorien  der  Materialbestandteile,  aus  denen sich  ein  Verbundwerkstoffteil zusammensetzt, sind Trägermaterial und Verstärkung. Als Trägermaterial dienen beispielsweise Harze,  Keramik,  Polymere oder  Zemente.  Beispiele  für Verstärkungen sind Fasern, Sandwich-Kerne oder Aggregate.

Das Trägermaterial umschliesst und stützt  dabei  das Material  zur  Verstärkung,  während  das Material  zur Verstärkung  seine besonderen  mechanischen  und physikalischen  Eigenschaften auf  das Trägermaterial überträgt  und  dadurch  dessen Materialeigenschaften  verbessert. Verbundwerkstoffe werden während des Herstellungsvorgangs geformt, in der Regel werden dazu Formnester oder Spritzgussverfahren  angewendet.  Durch  die  Synergie zwischen den beiden  Feststoffen  entsteht  dabei  ein Verbundwerkstoff,  der  andere  Eigenschaften  besitzt als  die einzelnen  Materialbestandteile.  Die  Vielzahl verfügbarer  Träger-  und Verstärkungsmaterialien führt  dazu,  dass  Ingenieure  einen beachtlichen Spielraum  beim Entwerfen neuer  Produkte  erhalten und  das  Potenzial  zur Optimierung  von Produktformen- und funktionalitäten dabei erheblich ansteigt. 
 
Die  Fähigkeit,  verschiedene  Feststoffe  zu kombinieren  und  dadurch  hochwertigere Verbundwerkstoffe  herzustellen,  ermöglicht  es  den Ingenieuren,  Kosten-, Gewichts- Festigkeits-  und Verarbeitungsverbesserungen  zu  erzielen  und  sich so besser  auf die geforderten Herstellungs- und Anwendungsprozesse einzustellen.

 


DER WACHSENDE TREND HIN ZU VERBUNDWERKSTOFFEN 

Die  Entwicklung  von  Verbundwerkstoffen  und Kunststoffen  sowie  deren  Verarbeitung  für Anwendungen,  die  eigentlich  traditionellen Werkstoffen  wie  Holz  und  Metall  vorbehalten 
blieben,  ist  ein  nicht  von  der  Hand  zu  weisender Trend.  Leichter,  widerstandsfähiger, vielseitiger und mechanisch stabiler – moderne Verbundwerkstoffe haben ihren festen Platz in beinahe  allen  industriellen Sektoren  eingenommen.  Die  Automotive-Branche  ist kontinuierlich bestrebt, im Fahrzeugbau gewichtsreduzierungen umzusetzen, sodass diese Anstrengungen  heutzutage  eine  zentrale  Stellung  im Bereich  Innovation einnehmen. Preisanstiege  im Rohölsektor  und  Emissionsauflagen  zur  Reduzierung des  CO 2 -Ausstosses tragen ihren Teil dazu bei, diese Anstrengungen voranzutreiben. Ursprünglich wurden leichtgewichtige  Verbundwerkstoffe  wie beispielsweise Kohlefasern nur  in hochwertigen  Endprodukten verarbeitet,  wie  sie  in  der  Raumfahrt  und  für  die Highend-Serien  im  Fahrzeugbereich  Verwendung finden.  Zunehmend  tendieren  die grossen Automobilhersteller  dazu,  Kohlefasern für Ihre Luxusmodelle  einzusetzen.  Dabei wird  ständig nach neuen Wegen geforscht,  um  Strukturteile,  die herkömmlich  aus  Metall fabriziert werden,  durch leichtgewichtige  Kohlefasern  zu  ersetzen.  Mit  dem Anstieg des Herstellungsvolumens  von  Kohlefasern können  die  Produktionskosten  immer weiter gesenkt werden.  Gleichzeitig  wird  die  Anzahl  von Anwendungen  im  Premium-  und Standardbereich des Fahrzeugbaus deutlich zunehmen. 
 

VERBUNDWERKSTOFFE – EINE NEUE HERAUSFORDERUNG FÜR VERBINDUNGEN 

Die stetige Verbreitung von leichtgewichtigen Verbundwerkstoffen birgt Herausforderungen, bietet jedoch  auch  neue  Chancen.  Eine  der  grössten Herausforderungen  stellt  dabei die sichere Befestigung  solcher  Materialien  dar.  Traditionelle, für Blech  ausgelegte Verbindungssysteme, wie beispielsweise Nieten, Bolzen und eingepresste Befestigungen, die für Metall entwickelt wurden, sind oft nicht kompatibel mit Verbundwerkstoffen oder erfordern erhebliche  Zugeständnisse  bei  der Verarbeitung.  Für  Metalloberflächen  konzipierte 
Schweissbolzen können zum Beispiel nicht effizient mit Plastik verarbeitet werden. Leichtgewichtige Verbundwerkstoffplatten  müssen  dünn  fabriziert werden  und  können nicht dickere  Bereiche  haben, damit  herkömmliche  Verbindungselemente  eingesetzt werden können.  Das  Stanzen  und  Bohren  verbessert die  Eigenschaften  von  dünnen Kohlefaserplatten nicht.  
 
Kurz  gesagt:  Produktingenieure  und Verfahrenstechniker,  die  dank  Verbundwerkstoffen nach  neuen  Horizonten  greifen,  wollen  sich  durch bestehende Verbindungslösungen, die nicht mit Verbundwerkstoffen kompatibel sind, nicht einschränken lassen.  
 

IN VERBUNDWERKSTOFFEN INTEGRIERTE VERBINDUNGSELEMENTE 

Die  Integration  von  Verbindungselementen  in Verbundwerkstoffen  ist  eine  häufige Anforderung und dient  dazu,  eine  sichere  und  kaum  wahrnehmbare Verbindungslösung  zu entwickeln.  Die  Integration von Verbindungselementen  in  das  Herstellungsverfahren der Verbundwerkstoffe  führt  zu  integralen Verbundwerkstofflösungen,  die  eine  effizientere Endfertigung  der  Produkte  ermöglichen.  Dank  der Integration  in  die  Verbundwerkstoff-Gussform  ist das Verbindungselement  vollständig  im  Produkt integriert, sodass Zusatzarbeiten entfallen. Integrierte Verbindungselemente zeichnen sich durch ihre Unauffälligkeit und  Stabilität  aus.  Dies  sind  einige der  eindeutigen  Vorteile  der  Integration von Verbindungselementen. Eine Integration von Verbindungselementen, die nicht dafür ausgelegt sind, kann jedoch die Produktentwicklung einschränken und eine effiziente Produktion beeinträchtigen. Kompromisse dieser Art bewirken eine Verminderung der Produktqualität oder erhöhen die Stärke und  das Gewicht  des  mit  Verbundwerkstoffen  hergestellten Teils.  

Das  nachfolgende Beispiel  erläutert,  wie  bei  diesem Bodenblech  Kunststoff  um  einen standardmässigen Bolzen angebracht wird, um den Bolzen in dieser Lage zu sichern.


Im Querschnitt ist zu sehen, wie der traditionelle Bolzen eine erhebliche Menge an Verbundwerkstoff benötigt, um sicher verankert werden
Alternativ kann ein Klebebefestiger, beispielsweise der Marke bigHead® verwendet werden, der im Verbundwerkstoff eingelagert wird, ohne dass dazu das Bauteil mit einem grösseren Querschnitt  hergestellt werden  muss.  Der  dünne  Flachkopf,  wie  er  im Querschnitt dargestellt  wird,  dessen  Perforationen dazu  beitragen,  dass  der Verbundwerkstoff fliesst, hilft  dabei  die  Traglast  optimal  auf  die Struktur  des Verbundwerkstoffs  zu  übertragen. Dadurch  kann  dieselbe  Gewindebolzenverbindung  mit einer  potenziell  höherer  Zug-  und Torsionsfestigkeit erzielt werden. Unterschiedliche Stufen von Zug- und Torsionsfestigkeit werden durch unterschiedliche Kopfgrössen- und formen erreicht. 

Zusammenfassend  werden  hier  einige  der Hauptvorteile  von  in  Verbundwerkstoffteilen integrierten Verbindungselementen gegenüber nicht integrierten traditionellen Verbindungselementen aufgeführt: 
  • Gewichtsersparnis des Verbindungselements; bigHead® Verbindungselemente sind bis zu 66 % leichter als herkömmliche Bolzen, wie sie im oben genannten Beispiel Anwendung finden. 
  • Platzeinsparung, da keine zusätzlichen Verbundwerkstoffe hinzugefügt werden müssen, um den Bolzen zu verankern.
  • Gewichtseinsparungen durch geringeren Verbrauch von Werkstoffen. 
  • Reduzierte Verbundwerkstoff-Aushärtezeiten, da weniger Verbundwerkstoff eingesetzt werden muss.
  • Höhere Zug- und Torsionsfestigkeiten dank bigHead® Designs.
  • Designoptimierungen dank speziell für das Verbundwerkstoffteil hergestellten Verbindungselementen. 


OBERFLÄCHENVERKLEBUNG VON VERBUNDWERKSTOFFEN 

Zahlreiche Verbundwerkstoffanwendungen beruhen auf dünnen Strukturen. Kohlefaserverstärkte Kunststoffe, die für Autokarosserieteile eingesetzt werden, sind ein gutes Beispiel dafür. Solche Verbundwerkstoffplatten sind oft nur wenige Millimeter dick.  
 
In solchen Fällen, bei denen nicht genügend Material vorhanden ist, um das Verbindungselement  zu integrieren,  kann  ein  Klebeverbindungselement  an der  Oberfläche  eine äusserst  effiziente  und  diskrete Lösung  darstellen.  Die  Oberflächenbefestigung  eines Klebebefestigers mit Klebstoff stellt eine sichere Verbindung dar, da Perforierungen der Beschädigungen der Verbundwerkstoffplatte vermieden werden.  


Grossansicht Bild
Das nachfolgende Beispiel zeigt, wie ein Kohlefaser-Diffusor eines Personenwagens mittels bigHead® Klebebefestiger  montiert  wird.  bigHead® Verbindungselemente  sind unauffällig und  äusserst stark  und werden  mit  einem  Konstruktionsklebstoffs an  der Innenwand  des Diffusorsoberflächen verklebt. Diese Klebelösung ist von der "A-Seite" her betrachtet völlig unsichtbar,  da  keine  Nieten,  Bohrlöcher  oder sichtbare  "Schatten" vorhanden  sind.  

Die strukturelle Unversehrtheit der einzelnen Verbundwerkstoffplatte bleibt vollständig erhalten. 
Dank  des  einzigartigen  Designs  des  perforierten „Kopfes“  fliesst  der  Klebstoff  durch  die Löcher und blockiert das Verbindungselement in der Position, wodurch eine hohe Stabilität und Festigkeit erzielt wird. Die direkten OEM-Zulieferer (Tier-1) fixieren das Element in der vorgegebenen Position, sodass der Diffusor zur Endmontage beim OEM-Hersteller bereit ist. 

bigHead® Klebebefestiger  sind  in  zahlreichen Grössen  und  Formen  erhältlich  und  so  für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar: 
 
Je  nach  Anwendung  sind  mehrere  Klebebefestiger-Designs denkbar, die dazu dienen, das Enddesign und die Funktionalität das Verbundteils zu vervollständigen, jedoch  keinesfalls  zu beeinträchtigen. Alternative Verbindungselemente  erfordern  eine Bohrung  zur Verschraubung oder  Vernietung, wodurch  die Platteneigenschaften  beeinträchtigt werden  können. Das Stanzen  einer  verstärkten Kohlefaserplatte schädigt die zur Verstärkung beitragenden Kohlefasern, die gerade dazu dienen, das Bauelement zu verstärken und dessen strukturelle Integrität zu gewährleisten. In Abhängigkeit von der Lage, Grösse und Menge können die Bohrlöcher in den Werkstoffplatten  bei  Belastung Materialverschlechterungen  und  -fehler hervorrufen. Verbundwerkstoffe können mikro- oder makroskopisch erkennbare Fehler aufweisen. Stauchungsfehler können auf breiter Basis auftreten oder bei jeder individuellen Kohlefaserverstärkung, die durch Stauchung gewölbt  wird.  Zugspannungsfehler  können Grenzlastfehler  des  Bauteils oder  Abnutzungen  des Verbundwerkstoffs  auf  mikroskopischer Ebene  sein, bei  der  eine oder  mehrere  Schichten  des Verbundwerkstoffs  bei  Belastung des Trägermaterials oder der  Verbund  zwischen  Trägermaterial  und Fasern  beschädigt  werden.  

Auf  Grund  der Komplexität und unterschiedlichen Zusammensetzungen der Verbundwerkstoffe ist es vor der  Produktion  notwendig,  das  Teil  beim  Stanzen oder  Bohren  von  Löchern einer Festigkeitsprüfung zu unterziehen.  Darüber  hinaus  ist  eine Verhaltensanalyse  einer  so verbauten Verbundwerkstoffplatte durchzuführen. 

Zusammenfassend einige der Schlüsselvorteile, die für die Verwendung von Verbindungselemente  gelten,  die an  der  Oberfläche  von  Verbundwerkstoffen  befestigt werden,  ohne dass dazu Bauteile gestanzt oder gebohrt werden müssen: 
  • Kein Stanzen von Verbundwerkstoffteilen 
  • Diskrete Befestigung ohne „Schatten“ bei Betrachtung von der „A-Oberfläche“ aus
  • Designoptimierungen dank speziell für die Anwendung hergestellten Verbindungselementen 
  • Optimierte Zug- und Torsionsfestigkeit in Abhängigkeit von Kopfdesign und verwendetem Klebstoff. 
  • Kein Lösen oder Klappern des verwendeten Verbindungelements durch Vibrationen 
  • Einfach und ohne Einsatz von Spezialwerkzeugen anwendbar 

Die  Lösung  zur  Oberflächenverklebung  basiert  auf dem  Klebstoff  als  ausschlaggebende Bindung zwischen  Verbundwerkstoffaufbau  und Verbindungselement.  Die  Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Klebstoffen hat stetig zugenommen, sodass diese heute für zahlreiche Anwendungen allgemein gebräuchlich sind und bevorzugt eingesetzt werden. Das Angebot an Klebstoffen ist weit gefächert, doch beinahe jeder Konstruktionsklebstoff ist kompatibel  mit einem  Klebebefestiger  der  bigHead® Produktlinie.  Darüber  hinaus besteht  auch  ein umfangreiches  Angebot  an  verfügbaren  Klebstoff-Härtungsgeschwindigkeiten auf dem Markt, die von mehreren Sekunden bis hin zu Stunden reichen und dazu dienen, die Kompatibilität mit dem Montageverfahren zu gewährleisten. Es werden zudem enorme  Anstrengungen unternommen, die  Effizienz des  Auftragens  des  Klebstoffs  zu steigern, von Handgeräten bis hin zu vollautomatischen Roboterzellen. 

 


ZUSAMMENFASSUNG 

Produktingenieure,  die  mit  Verbundwerkstoffen arbeiten,  sind  nicht  länger  dazu gezwungen, das Design  und  die  Funktionalität  ihrer  Bauteile  den herkömmlichen  Verbindungselementen anzupassen, die  für  Bauteile  aus  traditionellen  Werkstoffen entwickelt wurden.  Das Festhalten  an  traditionellen Produktionsverfahren  kann  die  Produktqualität und Kundenzufriedenheit beeinträchtigen. Hochwertige Verbindungslösungen für Verbundwerkstoffe, die die Flexibilität beim Produktdesign erhöhen und die funktionelle Zuverlässigkeit verbessern, haben sich seit geraumer Zeit  in  zahlreichen  Industriebereichen durchgesetzt  und  bewährt. Die  Qualität  dieser Lösungen  ist  von  den  Marktführern  in  den Bereichen  Automobil, Seefahrt, Bauwesen, Energiewesen und Maschinenbau weltweit erprobt worden. Falls Sie herausfinden wollen, wie  diese weltweit  getesteten  und  bewährten  Lösungen  für Sie anwendbar  sind, kontaktieren Sie Bossard, damit wir Sie umfassend beraten und eine massgeschneiderte Verbindungslösung für Ihre Verbundwerkstoffteile entwerfen können. 

 

VON MATTHEW STEVENS, MANAGING DIRECTOR, BIGHEAD® BONDING FASTENERS LTD


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