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bdtronic09131Bondexpo Halle 7, Stand 7325

Bdtronic hat gemeinsam mit einem namhaften Hersteller von Engineering Plastics und der TU Chemnitz eine Grundlagenuntersuchung zum Heißnietverfahren durchgeführt mit dem Ziel, für die in der Elektronik zum Einsatz kommenden Materialien PBT und PA66 die optimalen Prozesswerte zu Verstemmdruck, Temperaturbereich, Nietdomgeometrie, Stempelform und Heizzeit zu finden. Mit den BHS Verfahren war es aufgrund der exakten Temperaturmessung und -regelung erstmals möglich, den Prozess und die relevanten Daten genau abzubilden und somit reproduzierbare Prozessfenster abzuleiten.



Das Fügen von Kunststoffen ist nicht zuletzt aufgrund der stetig wachsenden Verbrauchszahlen von Kunststoffmaterialien ein Fokusthema für Produktentwicklungsprozesse und Fertigungslösungen. Vor diesem Hintergrund steigt die Anzahl Mischmaterialien-Verbindungen, sodass Fügeprozesse wie Kleben und Kunststoffnieten deutlich an Interesse gewinnen. Als Systemlieferant für die Automobilindustrie und Medizintechnik weiß Bdtronic, welche Anforderungen an Prozessüberwachung, Rückverfolgbarkeit und Dauerbetrieb für alle Produktionsprozesse zu erfüllen sind, um höchsten Qualitäts- und Sicherheitsansprüchen gerecht zu werden. Entsprechend werden für alle Fügeprozesse die Anlagen robust aufgebaut, mit dem kontinuierlichen Monitoring der relevanten Prozessdaten ausgestattet, Regelfunktionen integriert und Werkzeuge kalibriert, um reproduzierbare höchste Fertigungsqualität sicherzustellen.

Für das Heißnietverfahren bedeutet das: Überwachung, Darstellung, Analyse und Speicherbarkeit der Temperatur-, Strom-, Leistungs- und Gasflusswerte sowie die Zeit-Weg-Messung der Stempelposition. Wesentliches Merkmal ist jedoch die aktive dynamische Temperaturregelung im Millisekunden-Bereich, die unabhängig von Ausgangstemperaturen und Umgebungsbedingungen die Prozesswiederholbarkeit und Genauigkeit sicherstellt. Eine intuitive Prozesseinstellung mit der windowsbasierten Steuerungs-Software über Aktionslisten macht den Ablauf für den Bediener transparent und einfach anzupassen.

Das Verfahren

bdtronic09132Das Heißnieten – auch Heißverstemmen oder Warmumformen genannt – ist ein form- oder stoffschlüssiges nicht lösbares Fügeverfahren. Altbekannt und im Grunde recht simpel: Ein thermoplastisches Kunststoffbauteil erhält beim Spritzguss Dome, der Fügepartner wird auf die Dome aufgesteckt, über Energieeinkopplung werden diese geschmolzen und dann mit einem Stempel umgeformt.

Für jede Verbindungstechnologie gibt es relevante Normen zu Maßen und Kräften, die dem Konstrukteur helfen, sein Bauteil zu entwerfen. Sei es die Größe der Schrauben, die Breite der Klebstoffraupe oder die Anzahl der Nietpunkte: Das Bauteil muss bestimmte Kräfte und Umwelteinflüsse überleben. Die bestehende Normenlage zu Kunststoffnietverfahren bietet heute keine ausreichende Grundlage mehr und so kursieren vielfältige eigenentwickelte Richtlinien. Darüber hinaus sagt uns ein Materialdatenblatt nicht, in welchem Temperaturbereich ein Heißvernietung durchzuführen ist.

Das hat den Fügespezialisten veranlasst, gemeinsam mit einem namhaften Hersteller von Engineering Plastics und der Technischen Universität Chemnitz eine Grundlagenuntersuchung durchzuführen. Ziel der Untersuchung war es, beispielhaft an den typisch in der Elektronik zum Einsatz kommenden Materialien PBT und PA66 mit Glasfaseranteilen von 30 % die optimalen Prozesswerte zu Verstemmdruck, Temperaturbereich, Nietdomgeometrie, Stempelform und Heizzeit zu finden. Mit den BHS Verfahren war es aufgrund der exakten Temperaturmessung und -regelung erstmals möglich, den Prozess und die relevanten Daten genau abzubilden, und somit reproduzierbare Prozessfenster abzuleiten, denn diese Materialien gehören zur Gruppe der teilkristallinen Thermoplasten, die über sehr kleine Prozessfenster zwischen fest und flüssig verfügen.

Bemerkenswerte Ergebnisse

Um die bestmöglichen Gefügeeigenschaften und Abzugswerte zu erreichen, zeigten die vergleichenden Versuchsreihen, dass bei optimaler Wahl der Prozessparameter und dem Prozessverlauf das BHS Hot Stamp Verfahren als Kontaktnietverfahren mit über 750 N für einen 3 mm Durchmesser-Vollniet die höchsten Abzugswerte erzielte. Dieses Ergebnis überrascht insofern, dass Kunststoffe als schlecht leitende Materialien erfahrungsgemäß sehr homogen bis zur Umform-Temperatur erhitzt werden sollten, um ein maximales Volumen zu schmelzen und somit die optimale Gefügestruktur erreichen zu können. Hierfür wird üblicherweise das Heißluftverfahren verwendet, mit dem ein homogenes Plastifizieren des gesamten Nietdoms ermöglicht wird. Das Heißstempelverfahren erlaubt hingegen mit gängigen Prozessabläufen lediglich das Aufschmelzen und Verdrängen des Materials über die Kontaktfläche an der Nietspitze. Der entstandene Nietkopf weist so bei nicht-optimalem Ablauf Schwachstellen auf.

Der Prozessablauf und die richtige Wahl der Geometrie kann zu einer mehr als 300 prozentigen Festigkeitsverbesserung führen. Das zeigt, wie wichtig es ist, die Einflüsse der Prozessparameter zu verstehen und bereits in der Konstruktionsphase zu berücksichtigen. Als Fazit konnte eine neue Konstruktionsrichtlinie abgeleitet werden, die einen optimalen Kompromiss zwischen minimaler Taktzeit und maximaler Festigkeit darstellt. Dabei gibt die äußere Optik keine Aussage über die Festigkeit der Nietverbindung.

Die Forschung gemeinsam mit der TU Chemnitz geht bereits weiter, um weitere Materialien und Einflussfaktoren zu untersuchen.


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