In der Automobilbranche ist ein heißer Wettbewerb entbrannt. Wer baut das leichteste Auto? Je weniger Gewicht ein Fahrzeug auf die Waage bringt, desto eher er-füllt es die Forderung nach maxi-maler Energieeffizienz.
Das Automobil der Zukunft wird an seinem Energieverbrauch und CO2 Ausstoß gemessen. Ob Elektroauto, Fahrzeug mit Hybrid-antrieb oder konventionellem Ver-brennungsmotor – Leichtbau hat Vorfahrt!
Dabei darf aber die nötige Steifig-keit der Karosserie nicht verloren gehen. Der moderne Karosserie-bau experimentiert dazu mit geeig-neten Werkstoffverbunden, kombi-niert verschiedene Metalle wie beispielsweise Stahl und Alu-minium. Für die Montagevorgänge bedeutet das ein Umdenken.
Materialpaarungen benötigen neue Fügeverfahren
Herkömmliche Verbindungstechniken wie das Widerstandsschweißen sind bei diesen Materialpaarungen schwer praktizierbar und werden durch andere Fügeverfahren abgelöst. Verbindungselemente wie Niete erleben eine Renaissance, wo beidseitige Zugänglichkeit an die Verbindungsstelle möglich ist. Wo nicht, bedarf es alternativer Verbindungsver-fahren. Verschraubungen mit Fließformschrauben bieten sich hier als Problemlöser an. Fließformschrauben schaffen eine hochfeste Verbindung und verschrauben Bleche unterschiedlicher Materialien prozesssicher. In der Roboter gestützten Fertigung werden diese modernen Verbindungselemente mit automatischen Schraubsystemen gesetzt. Ein Markt, der nun auch vom renommierten Schraubtechnikanbieter DEPRAG mit aktuellen Neuentwicklungen versorgt wird.
Das neue DEPRAG System empfiehlt sich vor allem durch seine flexible Anpassung an beengte Schraubstellen. Vertriebsleiter Jürgen Hierold hebt hervor: „Der Schraubautomat ist besonders für enge Platzverhältnisse konzipiert. Durch den seitlichen Versatz von Antriebsmotor und Schraubachse mit Hilfe eines Seitenversatzgetriebes in der Über-setzung 1:1 gelangt der Schrauber auch an Schraubstellen, die nur minimale 14 Millimeter von einer Störkante entfernt liegen.“ Dazu lässt sich das Schraubmodul in alle Richtungen schwenken, ist also flexibel in jeder Position einsetzbar.
Ausgereifte Produktlinien wie die bewährten Einbauschrauber sowie Schraubstationen und Montageanlagen bilden die Grundlage des neu entwickelten Schraubsystems für die Fließ-formverschraubung.
Was geschieht bei der Fließformverschraubung?
Das Setzen der von mehreren bekannten Herstellern angebotenen Spezialschrauben erfolgt in sechs Schritten. Eine Fließform-schraube wird auf das nicht vorgebohrte Alu- oder Stahlblech aufgesetzt, der Schraubvor-gang beginnt. Die mit hohem Druck angepresste und mit großer Drehzahl rotierende Schraube entwickelt starke Reibungswärme und bildet zunächst einen „Krater“, in den nach Durchtritt der Schraube und Formung eines „Durchzug-trichters“ anschließend mit redu-ziertem Anpressdruck das mehrgängige Gewinde gefurcht wird. Ein Maschinengewinde entsteht, das im Reparaturfall auch eine „normale“ Schraube aufnehmen kann. Nach dem Ausformen dieses Fließlochs wird die Drehzahl herabgesetzt, es folgen der Voranzug der Schraube bis zur Kopfauflage und der Endanzug des Verbin-dungselements auf die zuvor festgelegten Parameter Drehmoment und Drehwinkel. Der komplette Vorgang dauert in der Regel weniger als 2 Sekunden. Zusätzliche Sicherungs-elemente wie Muttern oder Bolzen sind nicht erforderlich, da sich bei der Montage Durchzug und Gewinde der Schraube optimal anpassen. Die Schraube „sitzt“. Vorbereitendes Bohren oder Stanzen der Bauteile entfällt.
Im Karosseriebau der Automobilindustrie ist die Fließformverschraubung mittlerweile eine etablierte Technik. Roboter geführte Schraubautomaten bearbeiten dort Bauteil nach Bau-teil. In größeren Fahrzeugen werden je nach Konstruktion mehrere hundert Schrauben gesetzt. In weitläufigen Roboter-Montageanlagen sind die Wege vom Schraubenzuführgerät zum Schrauber oftmals ein Hinderungsgrund für schnelle Taktzeiten. Vertriebsleiter Jürgen Hierold nennt einen weiteren Vorteil der aktuellen DEPRAG Neuentwicklung: „Es befinden sich stets zwei Fließformschrauben im Schraubsystem. Während die erste verschraubt wird, wird die nächste Schraube schon zugeführt und in Warteposition im Bunker bereitge-halten. Das reduziert die Nachfüllzeit des Systems und trägt zur Optimierung der Taktzeit bei“. Das zu verschraubende Verbindungselement wird durch eine sich pneumatisch aktiv öffnende Halte- und Positioniervorrichtung festgehalten. Ein Sensor überwacht das „Finden“, um den Kraftschluss zwischen Antriebswerkzeug und Schraube sicherzustellen. Die Haltevorrichtung öffnet sich, sobald die Schraube durch das Blech durchgetreten ist. Somit lässt sich das DEPRAG Schraubsystem flexibel schwenken und in jeder Position optimal einsetzen.
Das neue DEPRAG Schraubsystem kann an die Fließformschrauben aller bekannter An-bieter angepaßt werden. Als Antriebsmotor für die Schraubspindel haben die Konstrukteure auf einen bewährten EC-Motor aus der MINIMAT® und MICROMAT® Reihe mit 6.000 U/min und 15 Nm Drehmoment zurückgegriffen. Den Vorschub für den Kraftschluss des Verbin-dungselements mit dem Schraubwerkzeug leistet ein Druckluftzylinder, der durch ein Proportionalventil gesteuert wird. Auch der Anpressdruck für den Schraubvorgang (max. 2.500 N) wird durch einen Druckluftzylinder mit Proportionalventil reguliert. Der Seitenver-satz des EC-Motorgetriebes mit einer Übersetzung von 1:1 ermöglicht die schlanke Bauform des Schraubautomaten, der so auch bei beengten Schraubverhältnissen zum Einsatz kommen kann. Das vorliegende Drehmoment wird per Messwertaufnehmer auf DMS-Basis an der Motorspindel kontrolliert.
Digitales Weg-Messsystem überwacht die Prozessschritte
Ein digitales Weg-Messsystem überwacht die Prozessschritte des Fügeverfahrens. Die entsprechende Sensorik im Mundstück und Schrauberhub des DEPRAG-Automaten vergleicht beim Anfahren und Aufsetzen auf dem Bauteil den IST-Zustand mit einem hinterlegten Referenzwert. Stimmt die Teilegeometrie nicht mit dem SOLL-Wert überein, weil sich beispielsweise das Bauteil durchbiegt, wird der Schraubvorgang und die dafür gewählten Anzugsparameter automatisch an die individuelle Schraubumgebung angepaßt. Es erfolgt die Startfreigabe für den Schraubprozess. In der Endphase wird schließlich der Zustand des Fügeprozesses ermittelt. Die mit einer Verschraubung verbundenen Parameter, Drehzahl, Anpreßdruck, Drehmoment, Drehwinkel werden individuell ausgewertet, mit den vorgegebenen Werten verglichen und, falls innerhalb deren Toleranzfelder, mit „i.O.-Meldung“ bestätigt.
Besonders knifflig ist die Parametrierung der verschiedenen Prozessschritte beim Fließ-formschrauben. Während in den Phasen Erwärmen und Fließen mit maximalem Anpress-druck und hoher Drehzahl gearbeitet wird, wird dann für das Gewindeformen weniger Drehzahl und Anpresskraft benötigt. Bei den Schraubschritten Vor- und Endanzug schließlich sind Drehzahl und Anpressdruck nochmals reduziert. Die zur Steuerung dieser heiklen Ablaufschritte verwendete Software der Ablaufsteuerung AST32 basiert auf den vielfach bewährten Standards der Sensor gesteuerten DEPRAG EC-Servoschrauber. Jürgen Hierold hebt hervor: „Diese Software ist vertraut und etabliert. Sie ist bei den Bedienern als besonders benutzerfreundlich anerkannt und ermöglicht so ein einfaches Parametrieren des komplexen Fließformschraubprozesses.“ Als zusätzliche Komponenten bietet der Automationsspezialist eine hochwertige Anlagensteuerung DPU (DEPRAG PROCESS UNIT) mit bedienerfreundlicher Standardsoftware an, sowie geeignete Schraubenzuführgeräte.
BILD: DEPRAG-Montagesystem für Fließformverschraubungen schraubt auch an Engstellen, Foto: DEPRAG