Fügen

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Das Fügen ist eine wesentliche Prozessstufe im Produktentstehungsprozess. Erst mit geeigneten Fügeverfahren erhalten mehrteilige Produkte ihre Endform und beabsichtigte Funktionalität. Darüber hinaus sind Fügeprozesse in allen Phasen des Produktlebenszyklus von Bedeutung: sie müssen bei der Produktplanung sowie in Entwicklung und Konstruktion berücksichtigt werden und bestimmen die Qualität sowie die Funktionseigenschaften eines Produktes mit. Die Fügetechnik beeinflusst die Wartungs- und Reparaturmöglichkeiten eines Produktes sowie die Recycling- und Entsorgungswege wesentlich.

Das anspruchsvolle Fügen unterschiedlicher Werkstoffe mit hoher Prozesssicherheit und Langlebigkeit bei gleichzeitig problemloser Trennbarkeit am Ende des Produktlebenszyklus ist eine Aufgabe, die nur mit neuen fügetechnischen Verfahren und Ausrüstungen und mit innovativen lösbaren Verbindungen bewältigt werden kann. Zudem ist eine durchgängige, phasenübergreifende Simulation, Berechnung und Bewertung von gefügten Bauteilen unter konsequenter Berücksichtigung des gesamten Produktlebenszyklus notwendig.

Zu diesem Themenfeld wurde im Jahr 2004 die letzte Bekanntmachung veröffentlicht (12. Bekanntmachung vom 27.09.2004). Die daraus ausgewählten Verbundprojekte wurden bis in das Jahr 2009 durchgeführt. In den Projekten wurde zu folgenden Schwerpunkten geforscht:

Leichtbau und Mischbauweise

Mit einer neuartigen, integralen Lichtbogenfügetechnologie ChopArc können Bleche mit Dicken unterhalb 0,5 Millimeter prozesssicher gefügt werden. Das Verbundprojekt LLS nutzte das induktiv unterstützte Laserstrahlschweißen für verzugsarmes und rissfreies Fügen von bisher nicht schweißbaren Vergütungsstählen und ermöglichte damit neue Leichtbauanwendungen. Im Projekt FÜGEKUNST wurden Techniken für das Fügen von Faserverbundkunststoffen weiterentwickelt, neue Fügeverfahren erprobt und ein Regelwerk für das Fügen im Leichtbau abgeleitet. Umformtechnische Fügeverfahren wie das Clinchen und Stanznieten wurden für das Fügen bei einseitiger Zugänglichkeit optimiert: geschlossene, mit Innenhochdruck umgeformte Profile mit Wanddicken unter zwei Millimeter können gefügt werden.

Das Projekt HYDROFRAME nutzte das Innenhochdruck-Umformverfahren, um in einem einzigen Fertigungsschritt die Formgebung und das Verbinden hohlförmiger Teile zu realisieren. Damit wird das variantenreiche Fügen auch unterschiedlicher Werkstoffkombinationen und geometrischer Formen ohne Nacharbeit möglich. Die verkürzte Fertigungsprozesskette wurde bei der Herstellung von Rahmenstrukturen in der Möbelindustrie und Zweiradproduktion erprobt.

Die Automatisierung und Prozesssicherheit des induktionsthermischen Fügens von Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen stand im Mittelpunkt des Projektes INDUFLEX. Das Induktions-Fügewerkzeug wird automatisiert mit einem Knickarmroboter geführt, so dass dreidimensionale Fügenähte zum Beispiel zur Herstellung von Fahrzeugbaugruppen nun industriell gefertigt werden können. Die Technologie wurde im Jahr 2009 mit dem "JEC Innovation Award" ausgezeichnet.

Fügegerechtes Konstruieren mit Simulationsunterstützung

Eine schweißgerechte Gestaltung von Produkten bringt wirtschaftliche Vorteile und verkürzt die Entwicklungszeit neuer Produkte. Im Projekt Schweiß-Simulationstool wurde ein Softwarewerkzeug zur numerischen Simulation des Laserstrahlschweißens entwickelt, mit dem die beim Schweißen hervorgerufenen Eigenspannungen und Verzüge vorhergesagt und bei der Konstruktion berücksichtigt werden können.

Darauf aufbauend wurde im Projekt INSOFT eine Software entwickelt, mit der die komplexe thermomechanische Wirkung von Schweißprozessen schon bei der Entwicklung von Großbauteilen berechnet werden kann. Damit kann die Effektivität und Sicherheit der Entwicklung komplexer Erzeugnisse zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrtindustrie maßgeblich verbessert werden.

Verfahren und Ausrüstungen zum Fügen mit Lasern

Optische Messmethoden zur Prozesskontrolle verbesserten und optimierten das Laserstrahlschweißen im Verbundprojekt Iness. Das Verbundprojekt ProFi erprobte ein Anlagenkonzept für ein Festkörperstrahl-Remote-Schweißen, welches große Bearbeitungsbereiche von mindestens 440 mal 440 Millimeter zulässt. Dabei wird ein Laserscanner mittels Gelenkarmrobotern geführt und ermöglicht so – auch bei komplizierten Bauteilgeometrien – eine gute Zugänglichkeit. Im Projekt INTLASKLEB wurde ein Lasersystem zur Vorbehandlung von zu klebenden Flächen entwickelt und in die klebtechnische Serienfertigung integriert. Dies trägt zur sicheren, reproduzierbaren und wirtschaftlichen Klebtechnik bei.

Bei LTEX wurde das Laserstrahlschweißen zum prozesssicheren Fügen technischer Textilien qualifiziert. Alle Prozessstufen sollen automatisiert werden. Zudem soll das Fügen von textilen Überlappstößen und zusätzliche sicherheitsrelevante Funktionen der Naht realisiert werden.

Im Projekt FÜLAS wurde die industrielle Anwendbarkeit des Lichtbogenschweißes in Kombination mit einem nahtführenden Laserstrahl zur Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und -präzision beim Fügen von hochfesten Stählen und von Leichtmetallen erreicht. Das Vorhaben LASERPOWERTRAIN konnte nachweisen, dass Welle-Nabe-Verbindungen an hoch legierten und einsatzgehärteten Teilen mit einem integrierten Kombinationsschweißverfahren ohne vorherige Entfernung der Einsatzhärteschicht an den Fügezonen wirtschaftlich hergestellt werden können. Im Projekt FLEXILAS wurden laserbasierte Schweiß- und Lötprozesse in einer flexiblen Fertigungszelle zum dreidimensionalen Fügen und Beschichten komplexer Bauteile integriert. Die Fertigungszelle kann zum Beispiel bei der Bauteil-Herstellung in der Turbinen- und Fahrzeugtechnik eingesetzt werden.

Innovative lösbare Fügeverbindungen für Reparatur, Wartung und Recycling

Das Projekt Nanobond erzielte die bedarfsgerechte Lösbarkeit von Klebverbindungen an lackierten Bauteilen. Durch Zugabe von Nanopartikeln wurden Klebstoffsysteme entwickelt, die induktiv lokal erwärmt und so entfestigt werden können. Induktionstechnik liegt auch dem Reparaturkonzept PETER für das Lösen von Fügeverbindungen zwischen Verbundwerkstoffen an Fahrzeugkarosserien zugrunde.

Ergebnis des Projektes DEBONDING ON DEMAND ist eine einfache und für unterschiedliche Klebstofftypen nutzbare Technologie mit verschiedenen Wirkprinzipien zur gezielten "Wiederlösbarkeit" von Klebverbindungen "auf Knopfdruck".

Im Projekt METAKLETT wurde das aus der Textiltechnik bekannte Klettprinzip erfolgreich auf metallische Verbindungen übertragen, die im Bedarfsfall gezielt gelöst werden können. Die Technologie wurde mit dem Stahl-Innovationspreis 2009 ausgezeichnet. Diese Verbindungstechnik kann auch Schwingungen oder Temperaturschwankungen in der Fahrzeug- und Gebäudetechnik kompensieren.

In PROREMIX wurde eine durchgängige Technologiekette für das Fügen metallischer Material-Mix-Baugruppen und für das Lösen dieser Verbindungen zur Reparatur und Instandsetzung realisiert. Zentrale Aufgaben waren die Entwicklung neuer Löttechnologien für das industrielle und handwerkliche Fügen sowie eines geeigneten thermischen Verfahrens für das Entfügen. Diese Technologien können mit einfacher Anlagen- bzw. Prozesstechnik wirtschaftlich eingesetzt werden.

Lebensdauerverlängerung von Fügeverbindungen

Eine Verlängerung der Lebensdauer von geschweißten Stahlkonstruktionen zum Beispiel im Verkehrswegebau und Transportwesen ist von großer volkswirtschaftlicher Relevanz. Im EUREKA-Projekt REFRESH wurde eine Konzeption für die Anwendung und Qualitätssicherung wirksamer Schweißnaht-Nachbehandlungsverfahren entwickelt, für deren Zertifizierung beste Aussichten bestehen.


Stand: Oktober 2009