Hinzu kommen weitere Vorteile des mechanischen Fügens: Bei der kraft- und formschlüssigen Verbindung sind anders als bei reinen stoffschlüssigen Verbindungen unterschiedlichste Werkstoffe sicher und reproduzierbar kombinierbar. Dazu zählen neben dünnen und höherfesten Stahlblechen oberflächenbehandelte oder vorlackierte Bleche, Sandwichbleche, Aluminium und faserverstärkte Kunststoffe. Außerdem lässt sich das komplette Spektrum der Blechwerkstoffe mit Zugfestigkeiten von 150 MPa bis 1.500 MPa in einem breiten Dickenbereich problemlos automatisch verarbeiten. Untersuchungen bei der Profil Verbindungstechnik GmbH & Co. KG in Friedrichsdorf haben gezeigt, dass der Einsatz von mechanisch verankerten Verbindungselementen in hoch- und höchstfesten Blechwerkstoffen und sogar Warmumformstählen für den Karosseriebau möglich ist. Automatisch verarbeiten lassen sich praktisch alle Varianten an Stanzbolzen, Nietmuttern, Stanzmuttern und Einpresselementen. Alle mechanischen Fügeverfahren – Stanzen, Nieten, Einpressen – wurden in Presswerkzeugen bereits integriert.
Zu den weiteren Vorteilen der mechanischen Fügetechnik gehören die hohe Prozesssicherheit und die engen Lagetoleranzen der Verbindungselemente im Blechteil. Die im Werkzeugbau realisierbaren Toleranzen erlauben die Halbierung der Toleranzfeldgrenzen wie sie üblicherweise bei stoffschlüssigen Verbindungen zu erreichen sind. Vorteilhaft ist weiterhin, dass bei mechanischen Fügeverfahren keine Funktionsbeeinträchtigungen durch negative Gefügeveränderungen eintreten, was beim Schweißen unvermeidbar ist.

Die Integration der Fügetechnik in den Pressvorgang ist ein komplexes, aber kontrollierbares Unterfangen, das neben dem entsprechenden Know-how auch die enge Zusammenarbeit mit dem Anwender erfordert. Beides kann nur ein Unternehmen leisten, das als Systemlieferant die Verbindungselemente und die dazu gehörende Automatisierungstechnik herstellt sowie Entwicklungs- und Verarbeitungskompetenz zur Verfügung stellt und den notwendigen Service anbietet. Gleichzeitig kommt diese Strategie den Wünschen der Kunden entgegen, die zunehmend den ‚Alles-aus-einer-Hand’-Anbieter favorisieren, also zu Firmen, die neben Beratung, Entwicklung, Fertigung und Service auch eine umfassende Beratung der Produktionsplanung unter Berücksichtigung aller erforderlichen Bausteine für eine prozessoptimierte Automatisierungstechnik anbieten.

Um die Prozesskostenvorteile voll zu erschließen und die Verbindungselemente automatisiert dem Presswerkzeug zuführen zu können, bedarf es einer genauen Planung der Herstellungsmethode und einer möglichst frühzeitigen Zusammenarbeit. Bei der technischen Auslegung ist zum Beispiel zu berücksichtigen, ob es sich um Folgeverbundwerkzeuge, Stufen- oder Transferwerkzeugsätze handelt. Weitere Parameter sind der Blechwerkstoff, die Zuführungsrichtung sowie Anforderungen an die Muttern-/Bolzen-Blechverbindung. Aber auch die Platzverhältnisse und Rüstzeiten in den Presswerken sind zu beachten. Hinzu kommen die Materialfestigkeiten der Blechwerkstoffe, die ebenfalls die Wahl der Verbindungselemente und Werkzeugauslegung beeinflussen.

Die vollautomatische Verarbeitung in Folgeverbundwerkzeugen oder Transferwerkzeugen ist besonders für Groß- und Mittelserien wirtschaftlich. Hier wird das Verbindungselement von einem mehrkanaligen Sortier- und Fördergerät pneumatisch über Schläuche in die Stanzköpfe befördert, die im Blechumformwerkzeug integriert sind. Mit jedem Hub werden ein oder mehrere Verbindungselemente verankert, so dass einbaufertige Teile erzeugen werden, die fertig bestückt mit Muttern oder Bolzen aus der Presse fallen.

Um die Rüstzeiten zu minimieren, sollten allerdings die Sortier- und Fördergerät nicht herkömmlich – also vor der Presse – angeordnet sein. Günstiger ist es, die Zuführtechnik auf dem Werkzeugwechselwagen zu integrieren. Auf diese Weise ist es möglich, außerhalb der Presse vorzurüsten, das heißt das komplette Werkzeug mit den Stanzköpfen einschließlich der Sortier- und Fördergeräte betriebsfertig bereit zu stellen. Außerhalb der Presse zu rüsten ist nicht nur kosteneffizienter, es vermeidet auch Fehler, die beim Rüsten in der Presse unter Zeitdruck auftreten können.

Pionier beim werkzeugintegrierten Fügen von Verbindungselementen war ein süddeutscher Automobilhersteller. Als Pilotprojekt diente die Verstärkung des Radhauses beim aktuellen Mittelklasse-Modell, in die acht Nietmuttern eingenietet werden müssen. Dies geschieht in der letzten Stufe einer mechanischen Transferpresse von Müller-Weingarten, die über eine Presskraft von 2.500 Tonnen verfügt. Zu den Zielsetzungen des Kunden gehörten unter anderem die Erhöhung der Produktivität im Presswerk sowie die Reduzierung des Lagerplatzes und der Zwischenlagerung für Fertig- und Halbfertigteile.

Ziel war auch die Verdopplung der Ausbringung der Teile auf der Transferpresse im Vergleich zur Fertigung auf einer Pressenlinie. In der Vergangenheit wurde dieses Radhaus auf einer Pressenlinie gefertigt, bei der die Pressen über Roboter miteinander verkettet waren. Die Produktivitätssteigerung sollte mit einer Verdoppelung der Hubzahlen auf der Transferpresse erreicht werden. Zudem sollte die maximale Hubgeschwindigkeit der Presse von
25 Hüben je Minute möglich sein.

Weiterhin stand im Lastenheft, dass die Ausfallzeit durch die Integration der mechanischen Fügetechnik vernachlässigbar sein sollte. Ausfälle sind hier meist auf Bedienfehler oder Störungen in der Zuführung zurück zu führen. Sie treten auf, wenn eine Mutter klemmt oder keine Muttern nachgefüllt wurden. Besonderes Augenmerk war dabei auf die Mitarbeitereinweisung und -schulung zu legen, um die Sensibilität der Mitarbeiter für den Prozess zu erhöhen, wie zum Beispiel das Nachfüllen von Muttern, oder verschmutzungsbedingte Fehlfunktionen zu vermeiden.

Eine weitere Vorgabe lautete, dass die Presse selbst nicht verändert werden sollte. Damit waren auch die Platzverhältnisse auf der Presse vorgegebenen. Im Vergleich zum Rüsten außerhalb der Presse wie bei verketteten Pressen oder Pressenlinien sollte die Rüstzeit des Sortier- und Fördergerätes auf dem Werkzeugwechselwagen zudem insgesamt reduziert werden.

Auf der Presse werden jeweils zwei Bauteile – ein linkes und ein rechtes – parallel in einer Stufe gefertigt. Entsprechend dieser doppelten Fertigung müssen auch die Verbindungselemente gleichzeitig in beide Teile eingebracht werden. Im ersten Schritt wurde deshalb eine Machbarkeitsstudie erstellt um zu sehen, ob die Zuführung der Muttern in die Bauteile überhaupt möglich ist. Nach dem positiven Ergebnis wurde dann die Position der Sortier- und Fördergeräte festgelegt.

Zum Fügen der Verbindungselemente ist in der Transferpresse eine zusätzliche Werkzeugstufe – in diesem Fall die letzte Stufe – nötig. Zunächst wurde ein Werkzeug-Layout erstellt, um den Platzbedarf für die Zuführung im Werkzeug zu ermitteln.

Nach dem Festlegen des allgemeinen Konzeptes galt es, das Ganze elektrisch und pneumatisch abzusichern. Dazu gehört, wie die Signale von den Stanzköpfen und dem Sortier- und Fördergerät mit der Pressensteuerung verbunden werden. Dabei muss sichergestellt sein, dass die Presse nur dann eine Freigabe bekommt, wenn eine Mutter form- und lagerichtig im Stanzkopf angekommen ist. Das wird mit Hilfe einer Sensorik und Pneumatik realisiert, die integraler Bestandteil des Werkzeuges und der Stanzköpfe ist.

Bei der beschriebenen Lösung müssen die sehr eng beieinander liegenden Muttern von zwei Seiten zugeführt werden. Entsprechend werden zwei Sortier- und Fördergeräte benötigt, die auf dem Werkzeugwechselwagen neben dem mittig angeordneten Werkzeug jeweils an den Seiten angeordnet sind. Um die elektrischen und pneumatischen Anschlüsse der Sortier- und Fördergeräte auf dem Werkzeugwechselwagen einzurichten, musste man sich mit dem Kunden abstimmen. Luft- und Stromanschlüsse müssen für den Anschluss der Geräte auf jeder Seite des Werkzeugwechselwagens verfügbar sein. Außerdem müssen die Geräte untereinander mit Hilfe einer Datenbus-Leitung verbunden werden, damit sie miteinander und mit der Pressensteuerung kommunizieren können. Die Verbindungen zur Pressensteuerung werden beim Einfahren des Werkzeugs automatisch hergestellt.

Mit Hilfe einer Simulation des Stanzablaufes wurde dem Kunden vorab gezeigt, dass und wie das Sicherungssystem funktioniert. Zum einen muss gesichert sein, dass keine Mutter zugeführt wird, wenn kein Blechteil in der Einnietstation liegt oder ein Bauteil in der Station liegen bleibt. Auch darf kein Bauteil die Presse verlassen, bei dem eine Mutter fehlt. Über Initiatoren im Stanzkopf wird zudem abgefragt, ob eine Mutter form- und lagerichtig vorhanden ist und nur dann wird eine Pressenfreigabe erteilt. Das Sicherungssystem vermeidet damit zuverlässig Ausschuss und Werkzeugbruch.

Weil im vorliegenden Fall nur wenig Platz zur Verfügung stand, mussten die Sortier- und Fördergeräte Basis standardisierter Module maßgeschneidert werden auf. Das Magazin für die Muttern ist in den Sortier- und Fördergeräten integriert. Der Bunkervorrat reicht problemlos für die Abpressung eines Produktionsloses.

In vierjähriger Produktionszeit wurden mit dem System über zwei Millionen Teile gefertigt. Mit dem neuen Konzept konnte die durchschnittliche Hubzahl pro Minute gegenüber der vergleichbaren Fertigung auf Pressenlinien verdoppelt werden. Auch konnte die Presse mit der maximalen Hubzahl von 25 Hüben pro Minute gefahren werden. Die im Lastenheft vorgegebenen Produktivitätsvorgaben wurden voll erfüllt. Pressenausfälle waren im wesentlich auf Bedienfehler zurückzuführen, die mit weiteren Schulungs- und Servicemaßnahmen deutlich reduziert wurden. Der Automobilhersteller konnte mit diesem Konzept die Wirtschaftlichkeit in der Fertigung deutlich steigern. Bei diesem Kunden der Profil Verbindungstechnik ist die Technologie heute Standard und wird inzwischen bei fünf Transferpressen verwendet. Ähnliche Profil-Systeme werden zwischenzeitlich auch bei anderen Automobilherstellern verwendet. Außer bei Transferpressen kommt die Technologie des mechanischen Fügens auch bei anderen Pressenarten und Pressenlinien zum Einsatz.