Damit sich Kunststoff und Metall stabil verbinden

Beim „Clinchen“ werden Bleche ohne zusätzliche Hilfselemente zusammengefügt – es benötigt weder Nieten noch Klebstoff. Stattdessen presst ein Stempel die beiden Bleche in eine Matrize, das Material formt sich um. Es entsteht eine unebene aber stabile Verbindung, die häufig im Automobilbau eingesetzt wird.

Die Professur Virtuelle Fertigungstechnik der Technischen Universität Chemnitz hat dieses Verfahren weiterentwickelt: Das „Flach-Clinchen“ eignet sich nicht nur für Bleche, auch Kunststoffe können miteinander oder mit Metallen verbunden werden, sogar mit solchen, die sich nur schwer umformen lassen. „Auch das mechanische Fügen von Holz und Kartonage ist schon mit diesem Verfahren erfolgreich praktiziert worden“, berichtet Ulrike Beyer, Wissenschaftliche Mitarbeiterin der Professur Virtuelle Fertigungstechnik.

Die Professur präsentiert ihr Verfahren vom 4. bis zum 8. April 2011 auf der Hannover Messe. Die Wissenschaftler sind vertreten auf dem mitteldeutschen Gemeinschaftsstand „Forschung für die Zukunft“ (Halle 2, Stand C37). Außerdem beteiligen sie sich mit einem Vortrag am Forum „Forschung & Technologie“: Ulrike Beyer stellt das neue mechanische Fügeverfahren am 5. April um 10.20 Uhr vor (Halle 2, Stand C45).

„Das neue Verfahren kann nicht nur für mehr Werkstoffe eingesetzt werden als das bisherige, sondern auch für die entstehenden Verbindungen erweitert sich der Einsatzbereich“, sagt Beyer. Denn die Verbindungen sind zumindest auf einer Seite eben gestaltet – dadurch können sie auch an sichtbaren Stellen verwendet werden. Das liegt daran, dass die beim traditionellen Clinchen genutzte Matrize durch einen ebenen Amboss ersetzt ist. So findet die Umformung in der Werkstoffebene statt und dehnt die zu verbindenden Materialien nicht über deren Dicke aus. „Das Verfahren ist zudem sehr effektiv“, schätzt Beyer ein und erklärt: „Die Anlagentechnik ist günstig, auch die Werkzeuge sind universell einsetzbar. Außerdem können sowohl hydraulische als auch pneumatische oder elektromotorische Antriebe genutzt werden. Da die Feinjustierung von Stempel und Matrize entfällt, verkürzen sich die Rüstzeiten. Es sind keine vorbereitenden Arbeiten nötig und da der Prozess nur einen Arbeitsschritt hat, lassen sich kurze Taktzeiten realisieren.“ Zudem können höhere Scherzugfestigkeiten der Verbindung erreicht werden, als beim traditionellen Clinchen.

„Neuartig ist der Einsatz dieser Technologie für die Herstellung von Kunststoff-Metall-Verbunden“, betont Beyer. Bei dieser mechanischen Verklammerung von Kunststoff und Metall innerhalb der Werkstoffebene spielen viele Faktoren eine Rolle. „Um diese zu quantifizieren und den Werkstofffluss während des Flach-Clinchens darzustellen, war eine numerische Modellierung erforderlich“, beschreibt Beyer die Arbeit der Chemnitzer Forscher und ergänzt: „Unser besonderes Augenmerk lag zunächst auf der exakten Aufnahme und Hinterlegung der Materialkennwerte des Kunststoffes. Mit den anschließend durchgeführten systematischen numerischen Analysen konnten die Parameter identifiziert werden, die die Größe der Hinterschneidung und somit die statische und dynamische Haltekraft der Kunststoff-Metall-Verbindung beeinflussen.“ Inzwischen haben die Wissenschaftler das Verfahren für die Verbindung von Kunststoff und Metall – also von einem organischen und einem anorganischen Stoff – für den Einsatz in der Industrie optimiert. „Diese hybride Flach-Clinch-Verbindung ist eine hervorragende Möglichkeit, mit einer kurzen und effektiven Prozesskette flexibles Multi-Material-Design zu gewährleisten und den intelligenten Leichtbau mit Trend zum Material-Mix weiter zu intensivieren“, fasst die Leiterin der Professur, Prof. Dr. Birgit Awiszus, zusammen.

Auf der Hannover Messe möchte die Professur das Verfahren und seine industriellen Anwendungsmöglichkeiten bekannter machen und Kontakte zu weiteren Kooperationspartner knüpfen. „Wir arbeiten bereits erfolgreich mit der Eckold GmbH & Co. KG zusammen. Mit ihr wurden die entsprechenden Werkzeuge konzipiert. Jetzt suchen wir noch Partner, die das Fügeverfahren im industriellen Maßstab anwenden – diese können beispielsweise aus der Kunststoff- und Metallverarbeitung kommen, aber auch aus Holz- und Kartonageverarbeitung“, so Awiszus abschließend.

Weitere Informationen erteilt Ulrike Beyer,
Telefon 0371 531-35840, E-Mail ulrike.beyer@mb.tu-chemnitz.de