Innovative Form-eingebettete Befestigungselemente für CFK-Komponenten

Auf der JEC Messe in Paris dieses Jahr war einer der Projekt-Displays im Automotive World Showcase ein form-eingebetteter Befestiger, entwickelt von Böllhoff Otalu (La Ravoire, Frankreich), der französischen Tochter des deutschen Befestigungsspezialisten Böllhoff (Bielefeld). Yann Bernard ist Produktmanager für den Böllhoff IMTEC HR, was für In-Molding TEChnology High mechanical Resistance Befestiger steht. Er erklärt, dass IMTEC HR mit den Innovationsabteilungen automobiler OEMs entwickelt wurde. „Man bat uns, an Schwerlaststrukturen zu arbeiten, um ein hohes Performance-Level zu erreichen. Wir können sehr starke Verbundteile machen, aber der Schwachpunkt ist die Montage. Der Bedarf war für Gesamtbaugruppen wie Sitze, die an einen Boden befestigt werden müssen.“ Bernard merkt an, dass bei typischen Metallstrukturen dies mittels Blindniete oder aufgeschweißter Muttern am Boden erreicht wurde. „Aber jetzt können Böden aus Verbund sein. Wie befestigt man also an dieser Art von Verbundstruktur?“

Ziel war ein Befestiger, stark genug, um ein Verbundteil zu befestigen, aber auch kosteneffizient und für Hochvolumenproduktion geeignet. „Befestigung an Metallböden kann leicht vollrobotisch industrialisiert werden“, sagt Bernard. „Also war die Idee für IMTEC HR eine industrialisierte Lösung für Verbunde ohne manuelle Operationen.“ IMTEC HR Befestiger können in die Form für eine Verbundbodenstruktur gelegt und während des Formprozesses integriert werden. Bernard nennt IMTEC HR kompatibel mit Duroplast- und Thermoplastformprozessen, einschließlich Harzinjektion (RTM), Kompressionsformen und Spritzgießen/Überformen.

Prozessintegration

Beim Spritzgießen wird der Befestiger robotisch zuerst auf einen im Werkzeug fixierten Stift platziert. Der Stift positioniert den Befestiger und schützt die Innengewinde davor, mit Harz beschichtet zu werden. Als Nächstes wird das Verbundmaterial robotisch in die Form gelegt. Die Form schließt, der Kunststoff wird eingespritzt und das Teil mit integriertem Befestiger entformt.

Beim Kompressionsformen ist der Prozess im Wesentlichen derselbe, außer dass der Stift eine Kunststoff-Schraubkappe ist und auch dient, das Material für das Einfügen des Befestigers in den Verbund beiseite zu schieben, wodurch das Bohren von Löchern entfällt. Dies spart nicht nur Zeit, es vermeidet das Schneiden der Fasern. Die Stiftkappe schützt die Innengewinde während des Formens erneut und wird nach dem Entformen entfernt.

„Es gibt keine zusätzlichen Operationen, sobald der Boden produziert ist“, merkt Bernard an. „Wir glauben, diese Technologie hilft, Verbundböden oder andere Strukturbauteile mit erschwinglichen Produktionskosten herzustellen. Sie repliziert die Nutzung von Blindnieten mit Metallböden, weil der Befestiger bereits im geformten Verbundteil ist. Man befestigt den Sitz nun mit Standardmethoden. Das gleicht das Spielfeld aus, weil Teile an einen Verbundboden genauso befestigt werden können wie an einen Metallboden.“

Spezielle Form für Energieabsorption

Ich fragte Bernard nach der Form dieser Befestiger, da sie denen ähneln, die ich gesehen hatte, einschließlich Big Head und Spida Fixings. Er sagte, die Form sei erinnernd, aber anders, entwickelt, um die graduelle Energiefreisetzung während Crash-Bedingungen zu ermöglichen. „Er ist stark genug, um hohe mechanische Performance zu bieten, kann aber Energie in Crash-Test-Bedingungen absorbieren, um katastrophales sprödes Versagen zu vermeiden“, erklärt er. „Er ermöglicht elastische dann plastische Deformation ohne Bruch. Ohne dieses Verhalten würde der Verbundboden an der Befestigungsstelle verformen und brechen oder der metallische Befestiger brechen. Dies war ein Problem bei der Anpassung von Befestigern für Verbundstrukturen.“

Ein weiterer Aspekt der Form sind die Blütenblätter. „Diese sind designed, um sich während des Formens in das Verbundmaterial einzubetten“, sagt Bernard. „Man muss diesen Befestiger so designen, dass er im Teil einbettet und nicht in der Form verbleibt.“ Er merkt auch an, dass der Befestigerflansch hinter dem Verbundteil liegt und die Querschnittsstärke des Teils nicht reduziert. „Das ist wichtig, um einen eingebetteten Befestiger zu erreichen, während die Teilquerschnittsstärke erhalten bleibt, was strukturelle Eigenschaften gibt.“

Eine spezielle Version von IMTEC HR wurde mit Cetim entwickelt, die mit der QSP-Produktionslinie kompatibel ist. Cetim ist die französische Forschungsorganisation, die den Quilted Stratum Process (QSP) für hochautomatisierte Produktion von Verbundteilen entwickelt hat.

Laut einem von Cetim veröffentlichten Artikel zeigt der patentangemeldete IMTEC HR Befestiger für QSP eine 30–75 % Steigerung der Durchzugsleistung und 60–75 % Verbesserung der Scherfestigkeit im Vergleich zu konventionellen Befestigern.