Ultraschall(US)-Nieten innovativ

US-Nieten - Höhere Festigkeit durch optimierte Geometrien

Ein Allrounder wird gesucht

Ziel des Forschungsprojektes "US-Nieten innovativ - Ultraschallnieten mit optimierter Kopfform" am KUZ war es, eine neue Nietkopfform für das Ultraschall(US)-Nieten zu entwickeln und diese unter den Gesichtspunkten des US-Nietens zu optimieren. Die neue Kopfform soll im Vergleich zu konventionellen Kopfformen höchste Festigkeiten und eine gute Kopfoptik aufweisen sowie für die gängigen Konstruktionskunststoffe, im Projekt PA und PPS, einsetzbar sein. Grundlage hierfür waren  FEM-Berechnungen unter Berücksichtigung der in Abhängigkeit von der Kopfform beim US-Nieten auftretenden unterschiedlichen Kräfteverhältnisse und Erwärmungsmechanismen. Diese wurden im Anschluss experimentell untersucht.

Dabei sollte die sich bildende Schmelzeschicht gezielt in die Nähe des Nietschaftes verlagert werden. Angestrebt wurde eine gezielte Vergrößerung der festigkeitsbestimmenden tragenden Höhe und eine Reduzierung oder Verhinderung von Bindenähten zwischen umgelegtem Material und Nietschaft. Weiterhin wurden Untersuchungen zur Beeinflussung der Schmelzeschichtdicke in Abhängigkeit von Kopfform und Ultraschallfrequenz (20 und 40 kHz) durchgeführt.

Der Weg zur neuen Form

Für die US-Nietversuche wurde ein repräsentatives Formteilpaar Metall–Kunststoff entwickelt. Bei den Untersuchungen wurde das Nietteil aus Kunststoff mit Radius am Fußpunkt ausgeführt, um ein Reißen durch auftretende Kerbwirkung infolge der Ultraschallschwingungen oder eine Plastifizierung in diesem Bereich zu unterbinden. Die Formteile wurden aus PA66 ungefüllt, PA66 GF30 und PPS GF40 spritzgegossen. Diese Formteilpaare wurden im weiteren Verlauf des Forschungsprojektes mit 20 kHz- sowie 40 kHz-US-Technik genietet.

Unter Zuhilfenahme von Simulationssoftware (Siemens NX) für die FEM Berechnungen wurde der Einfluss der Nietkopfgeometrie auf die Festigkeit untersucht. Es zeigte sich, dass in der FEM-Simulation viele Randbedingungen vorliegen, welche die Nietkopfform beeinflussen. So erfolgte die Entwicklung, Konstruktion und der Bau von Sonotroden mit optimierten Nietkopfgeometrien für die Arbeitsfrequenzen von 20 kHz und 40 kHz aus theoretischen Vorüberlegungen, hypothetischen Betrachtungen sowie Erkenntnissen aus der FEM-Simulation. Die Untersuchungen wurden auf einer US-Fügeanlage (20 und 40 kHz) der Firma Branson (Abbildung 1) sowie einem Versuchsstand des KUZ (Abbildung 2) durchgeführt.

links: Abb. 1: US-Fügeanlage der Fa. Branson - Kombimaschine; rechts: Abb. 2: KUZ Versuchsstand

Dieser Versuchstand wurde auf das Verbindungsverfahren des US-Nietens ausgelegt. Der erforderliche geringe Fügedruck sowie die erforderliche Präzision werden über ein spezielles Antriebs-Ambosskonzept erreicht.

Für die Versuche wurden an den Formteilen mechanische Prüfungen (Zugfestigkeit der Nietköpfe) und optische Prüfungen (Mikroskopie, Makroskopie, Computertomographie) durchgeführt.

Für die experimentellen Versuche wurden die Fügeparameter Amplitude, Fügekraft sowie die Sonotrodentemperatur als die einflussreichsten Größen auf die mechanischen und optischen Eigenschaften der Nietverbindungen identifiziert. Diese Parameter wurden in den Versuchsreihen für die Nietformteile systematisch variiert, um den Bereich der optimalen Fügeparameter zu finden.

Nieten mit einer „Glocke“

Bei konventionellen Kopfformen, wie beispielsweise nach DVS Form B, ergibt sich eine nur sehr geringe tragende Kopfhöhe, die die Festigkeit des gesamten Kopfes bestimmt. Durch die gezielte Geometrieänderung der Kopfform, soll eine höhere Anbindung bewirkt werden. Dazu wurde die sich bildende Schmelze beim Nietvorgang überwiegend in den Bereich des Nietschaftes verlagert. Die optimierten Nietkopfgeometrien ähneln dabei einer Glockenform (Abbildung 3). In der Sonotrodenkavität findet eine höhere Kraftwirkung auf die Schmelze statt, welche dadurch mehr in Richtung Nietpin gelenkt wird, um einen Stoffschluss zu erzeugen.

Abb. 3: Variation verschiedener getesteter Nietkopfgeometrien in Glockenform

Wie in  Abbildung 4 beispielhaft zu sehen, zeigten die Nietversuche mit optimierten Kopfformen, dass sich das Material besser an den Pin anlegt welches im Vergleich zu konventionellen Nietköpfen zu höheren Festigkeiten führt. Mit den optimierten Nietkopfgeometrien und optimierten Fügeparametern wurden Bruchkräfte erzielt, die bei

  • PPS GF40 circa 80 %,
  • PA66 GF30 circa 70 % und bei
  • PA66 ungefüllt circa 80 - 95 %

der Grundbruchkraft entsprachen.

Abb. 4: Vergleich links: optimierte Nietkopfform (Schnittbild) mit rechts: konventioneller Nietkopfform (CT-Aufnahme)

Ein Vergleich zwischen den eingesetzten US-Betriebsfrequenzen (20 und 40 kHz) ergab, dass bei PPS GF40 und PA66 GF30 bessere Ergebnisse mit 40 kHz erzielbar sind. Eine Erklärung hierfür liegt in einer höheren Dissipation des Ultraschalls in Kavitätsnähe und damit verbessertes Aufschmelzen im Nietpin.

„Heiße Glocke“ für Hochleistungskunststoffe

Zudem konnte der positive Einfluss der temperierten Sonotrode in Kombination mit optimierten Nietkopfgeometrien auf die optischen und mechanischen Ergebnisse für den Hochleistungskunststoff PPS GF40 nachgewiesen werden. Durch die temperierte Sonotrode wurde die Wärmeableitung aus der Schmelze in die Sonotrode deutlich verringert. Dies führte zu einem homogeneren Aufschmelzen und zu einer deutlich besseren Plastifizierung des Materials. Dadurch wurden optisch ansprechendere Nietverbindungen und hohe Bruchkräfte (ca. 80 % der Grundbruchkraft) erzielt.

Durch die Nutzung der temperierten Sonotrode bei PPS GF40 konnten die Amplituden reduziert werden. Dadurch wurde eine deutliche Schwingungsreduzierung während des Fügeprozesses für dieses Material erzielt. Aufgrund der niedrigeren Amplituden sowie der temperierten Sonotroden resultierten längere Niet- und Haltezeiten. Des Weiteren war durch die erwärmten Sonotroden eine bessere Nachkristallisation bei PPS GF40 zu beobachten sowie geometrieübergreifend eine optisch ansprechendere Kopfausbildung zu verzeichnen.

Geringe Bindenähte – höhere Festigkeit

Es konnte die These bestätigt werden, dass aufgrund der Glockenform geringere Bindenähte und eine größere festigkeitsbestimmende Schmelzeschicht entstehen. Die erzielten Ergebnisse zum Ultraschallnieten mit optimierter Nietkopfgestaltung bestätigen somit materialübergreifend das hohe Potenzial der optimierten Geometrien. Zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse wurde ein Kurzzeit-Fügefaktor fKF der Nietverbindungen bestimmt. Dieser wird analog zum Kurzzeit-Schweißfaktor nach DVS 2203 ermittelt. Durch ultraschallgerechte Gestaltung konnte in Bezug auf den Fügefaktor eine deutliche Steigerung von 15 Prozent (PA66) bis zu 30 Prozent (PPS GF40) gegenüber konventionellen Kopfformen wie zum Beispiel DVS Form B erzielt werden.

Anwendungsgebiete und Einsatzmöglichkeiten

Die Anwendungsgebiete für Hybridbaugruppen werden immer zahlreicher. Innovative Formteile aus Mischmaterialien erobern für die unterschiedlichsten Bereiche fortwährend neue Anwendungs- und Einsatzgebiete, vor allem im Automobilbereich und in der Elektro- und Elektronikindustrie. Die Entwicklung dieser neuen und innovativen Nietkopfgeometrie besitzt das Potenzial die Produktivität der am Markt befindlichen Unternehmen zu steigern. Dies wird vor allem durch die angestrebten hohen Nietkopffestigkeiten pro Nietung erreicht, da für Anwendungen mit bisherigen Lastfällen weniger Nietungen notwendig sind. Die Formteilhersteller sowie Firmen, die sich auf die Herstellung von Formteilen mit zu befestigenden Zusatzkomponenten spezialisiert haben, können als Anwender der Projektergebnisse einen Vorteil gegenüber ihren Wettbewerbern hinsichtlich der Machbarkeit und der Qualität ihrer Produkte erreichen.

Kontakt

Tino Jahnke
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