Bolzen verbinden das Auto von morgen

von Günter Kögel Zur Herstellung von innovativen Verbindungen für das Automobil von Morgen hat Böllhoff unter dem Namen Rivtac ein Fügeverfahren entwickelt, das bereits heute auf die künftigen Anforderungen der Automotive-Branche zugeschnitten ist. Seine Feuertaufe hat das Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen bei der vieldiskutierten Light Car-Studie bestanden, die auf dem Genfer Autosalon zu sehen war. Spätestens in zwei Jahren soll Rivtac Einzug in die Serienfertigung halten.

Für das Auto der Zukunft existieren unterschiedliche Denkansätze. Ein Konzept stammt aus der Feder der EDAG Gruppe, ein renommierter Entwicklungspartner der Automobilindustrie. Mit an Bord des elektrogetriebenen ‚Light Car – Open Source’ ist auch die Bielefelder Böllhoff Gruppe als einer von insgesamt acht Technologieträgern des zukunftsgerichteten Projektes. Mit der Studie sollte ein automobiler Blick in die Zukunft geworfen werden: auf neue Werkstoffe, auf neue Antriebs-, Innenraum- und Lichtkonzepte – aber eben auch auf zukunftsorientierte Verbindungstechnologien. Denn neue Werkstoff- und Konstruktionsprinzipien erfordern entsprechend innovative Verbindungen. Eine He­rausforderung, auf die das Bielefelder Familienunternehmen Böllhoff traditionell kompetente Antworten gibt. Dass Rivtac beim ‚Light Car – Open Source’ zum Einsatz gekommen ist, hat gute Gründe. „Das Automobil der Zukunft wird wesentlich durch den Einsatz einer Vielzahl von Werkstoffen und Materialkombinationen oftmals in flexibler Profilbauweise geprägt sein“, meint Dr. Torsten Draht, Projektmanager Forschung und Entwicklung der Böllhoff Gruppe. Und dabei „stoßen traditionelle Verbindungsverfahren schnell an technische oder auch an wirtschaftliche Grenzen.“

Völlig neues mechanisches Fügeverfahren

Vor diesem Hintergrund hat Böllhoff mit Rivtac ein völlig neues mechanisches Fügeverfahren entwickelt, bei dem ein nagelähnliches Hilfsfügeteil auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und in die nicht vorgelochten Fügeteile eingetrieben wird. Dabei verdrängt der spitze Setzbolzen den Werkstoff, ohne dass ein Butzen entsteht. Wichtige Voraussetzung für das Hochgeschwindigkeitsfügen: Die Fügeteile müssen über eine ausreichende Steifigkeit verfügen, damit sie den Eindringimpuls des Bolzens ohne große Verformungen aufnehmen können. Weil im Karosseriebau der Anteil geschlossener Profile kontinuierlich steigt, wächst auch das Interesse an Rivtac. So sind beim Light Car insgesamt rund 400 Rivtac Bolzen eingesetzt worden. Schließlich basiert das Zukunftsauto auf einem Profilrohrrahmen aus Stahl und Aluminium, der mit Bauteilen aus Aluminium und faserverstärkten Kunststoffen beplankt ist. Besondere Herausforderung dabei: Zum einen sollen die häufig wärmebehandelten Profile wärmearm gefügt werden, damit die Werkstoffeigenschaften erhalten bleiben. Zum anderen sind die Teile in der Regel nur einseitig zugänglich. Und – last but not least – wollen die Konstrukteure mit Blick auf die Kosten möglichst mit nur einem Arbeitsgang ohne Vorlochen auskommen. Angenehmer Zusatznutzen für die Logistik beim Anwender: Das Verbindungselement ist nahezu universell einsetzbar. Das heißt weitgehend unabhängig von den zu fügenden Werkstoffen bleibt die Geometrie des nagelähnlichen Hilfsfügeteils identisch. „Innovationsfähigkeit und Kundennähe sind zu entscheidenden Wettbewerbsfaktoren geworden“, sagt Dr. Torsten Draht. Fortschritt und enge Dialoge mit dem Kunden versteht Böllhoff als Antrieb in der gemeinsamen Wertschöpfungskette. So gelingt es der Ideenschmiede immer wieder, neue Werkstoff- und Konstruktionsprinzipien auf Anwenderseite frühzeitig in neue Produkte und Lösungen umzusetzen. So auch mit dem innovativen Hochgeschwindigkeitsfügen. In der Automobilindustrie kommt die Profilbauweise wegen ihrer hohen Flexibilität zunehmend zum Einsatz. Traditionelle Verfahren stoßen aufgrund der damit häufig verbundenen einseitigen Zugänglichkeit nach Stand der Technik schnell an ihre Grenzen. Als Alternativen bleiben das Direktverschrauben und das Blindnieten. Gemeinsamer Nachteil: Beide Technologien erfordern in der Regel ein Vorlochen von zumindest einem der Fügepartner und einen hohen Positionieraufwand für das Einbringen der Elemente. Das ist teuer und wird daher bei größeren Serien möglichst vermieden. Rivtac kann im direkten Vergleich ohne Vorlochoperation und ohne hohen Positionieraufwand eingesetzt werden. Beim Hochgeschwindigkeitsfügen lassen sich sogar hochfeste Teile und Profile von über 1.000 MPa Festigkeit oder auch Mehrlagenverbindungen prozesssicher verbinden, und zwar mit ausgesprochen guten Festigkeitseigenschaften. Dies zeigt der Vergleich mit dem weit verbreiteten Widerstandspunktschweißen, der im Rahmen des Einsatzes des Bolzensetzens in der Karosseriestudie ‚ScaLight‘ durchgeführt wurde, dem Stahlleichtbaukonzept der Salzgitter AG und der Wilhelm Karmann GmbH. Dabei stellte sich heraus, dass der Einfluss der Belastungsrichtung auf die Verbindungsfestigkeit gegenüber dem Widerstandspunktschweißen geringer ist und dass die Festigkeitseigenschaften in der Summe auf gleichem Niveau liegen. Die hohe Schwingfestigkeit zeigt sich auch im Verlauf der Wöhlerlinien. Unter identischen Werkstoffbedingungen weist das Bolzensetzen einen k-Wert von 4,96 aus, beim Widerstandspunktschweißen liegt der Wert nur bei 3,23. Damit erfüllt das Verfahren die hohen Anforderungen sicherheitsrelevanter Verbindungen. Zusätzlicher Vorteil: Das Bolzensetzen lässt sich ideal mit der Klebetechnik verbinden. So verhindert die hohe Geschwindigkeit, mit der der Setzbolzen die Werkstoffe durchdringt, dass sich der Klebstoff unkontrolliert verteilen kann. Dafür sorgt die kurze Fügezeit, die nach Angaben von Dr. Torsten Draht deutlich unter einer Sekunde liegt. Damit ist das Verfahren um ein vielfaches schneller als beispielsweise das Direktverschrauben. Böllhoff arbeitet zielgerichtet weiter für diesen Trend des Hochgeschwindigkeitsfügens und sieht sich für einen breiten Einsatz bestens gerüstet. Bereits heute hat das Unternehmen die notwendigen Werkzeuge für robotergeführte Automationsanlagen entwickelt und ist bereit für den zukünftigen Serieneinsatz bei innovativen Karosseriebauweisen. Zwar ist der Weg der neuen Technologie in die Serienfertigung noch weit, gleichwohl besteht bereits heute nicht nur aus der Automobilindustrie großes Interesse an dem Verfahren. „Wir haben uns mit dem Bolzensetzen weit nach vorn gewagt und die hohe Innovationskraft unseres Unternehmens nachhaltig unterstrichen“, resümiert Dr. Torsten Draht. Schließlich verbirgt sich hinter dem Verfahren High-Tech in höchster Vollendung. Als besondere Herausforderungen erwiesen sich einerseits die Setzbolzengeometrie und die Werkstoffzusammensetzung des Verbindungselements. Andererseits galt es, den Setzbolzen auf die benötigten Beschleunigungsgeschwindigkeiten zu bringen. Das mit intensiver Forschungsanstrengung verbundene Ergebnis „wird den kommenden Anforderungen insbesondere im Karosseriebau gerecht werden“, ist Dr. Torsten Draht überzeugt. Wichtigste Station auf dem Weg in die Praxis ist das Böllhoff eigene akkreditierte Labor. Die zentrale Einrichtung für ein kompromissloses Qualitätsmanagement ist bereits seit 1999 nach DIN EN ISO EIC 17025:2000 zertifiziert. Zum Einsatz kommen dort modernste Verfahren für mechanische und physikalische Prüfungen sowie chemische Materialanalysen. „Wir wollen immer einen Schritt voraus sein“, sagt Dr. Torsten Draht. Somit sei Rivtac eine Investition in die Zukunft des Unternehmens und in die Partnerschaft mit der Automobilindustrie als großer Böllhoff Umsatzträger. Bei den demnächst verfügbaren Handwerkzeugen unter dem Namen Rivtac Portable wird ein über Druckluft mit 4 bis 8 bar beschleunigter Kolben dazu verwendet, den Setzbolzen in die zu fügenden Bauteile einzutreiben. Parallel dazu wird im eigenen Entwicklungslabor bereits an vollautomatischen Bolzensetzsystemen gearbeitet. Dort sind die Ingenieure auch bei den Fügeelementen kreativ unterwegs. Denn Leichtbau und neue Werkstoffe stellen auch an die Fügetechnik immer höhere Anforderungen. „Mit der Erfindung Rivtac erschließen wir uns neue Anwendungsgebiete, bei denen herkömmliche Verfahren an technische und auch wirtschaftliche Grenzen stoßen“, ist Dr. Torsten Draht überzeugt. Befürchtungen, mit der neuen Technik mache Böllhoff sich im eigenen Haus selbst Konkurrenz, lässt er daher nicht gelten: „Wir verbreitern unsere Kompetenz, schließen eine Lücke im Portfolio und stärken unsere Wettbewerbsposition.“ Beste Voraussetzungen, sich auch künftig als zukunftssicherer Lösungsspezialist für innovative Branchen zu profilieren. Gut zu wissen ist für die potenziellen Anwender auch, dass bei Rivtac das Fügeelement und die Fügewerkzeuge von Böllhoff kommen. Dies gibt dem Anwender die Sicherheit von Lösungen aus einer Hand – in gewohnter hoher Qualität. Für die Märkte von heute und morgen.W

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