Flexibles Fügen und wandlungsfähige Prozessketten: der Schlüssel für effiziente Produktion

Werkstoffe 04. 04. 2020
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Schrauben, Nieten, Clinchen – überall, wo Produkte gefertigt werden, ob im Fahrzeugbau, der Medizin- oder Haushaltsgerätetechnik, werden Konstruktionen aus einzelnen Bauteilen zu mehr oder weniger komplexen Strukturen mit zahlreichen Verbindungsstellen zusammengesetzt. Zunehmende Produktvielfalt, immer kürzere Modellzyklen und ökologische Rahmenbedingungen stellen die Fügbarkeit in modernen Produktionsprozessen allerdings vor große Herausforderungen. Hier setzen Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs Methodenentwicklung zur mechanischen Fügbarkeit in wandlungsfähigen Prozessketten der Universität Paderborn an: Ihr Ziel ist es, Produktionsbedingungen zu verbessern, indem sie wandlungsfähige Fügetechnologien entwickeln, die bisherige starre Verfahren aufbrechen und eine flexible Prozesskette ermöglichen sollen.

Wachsende ­Anforderungen an die Fügetechnik

Fügestellen prägen die Eigenschaften von Produkten. Während etwa eine Waschmaschine schon mit wenigen Clinchpunkten zusammengehalten werden kann, muss eine Autokarosserie mit bis zu 3500 Stanznietverbindungen gefügt werden. Durch den steigenden Wunsch nach leichten, aber stabilen Strukturen von Produkten wachsen die Anforderungen an die Fügetechnik stetig.

Wie wichtig deshalb wandlungsfähige Prozessketten und flexible Fügeverfahren heute sind, weiß Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Sprecher des Sonderforschungsbereichs und Leiter des Laboratoriums für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) an der Universität Paderborn. Die Fügbarkeit von Bauteilen ist nach seinen Worten häufig der Schlüssel für effiziente Produktionsprozesse und wird für den Entwicklungs- und Produktionsstandort Deutschland bei der Serienfertigung variantenreicher Produkte zunehmend zum strategischen Wettbewerbsfaktor.

Bisher seien mechanische Fügeverfahren jedoch starr für das entsprechende Produkt konfiguriert. Das limitiere sowohl die Konstruktionsfreiheit bei der Werkstoffauswahl als auch die Gestaltungsmöglichkeiten von Fabrikaten. Wenn es zu Änderungen in der Produktion komme, beispielsweise zur Veränderung der Blechdicke einer Autokarosserie, müssten derzeit sämtliche Anpassungen der Verfahren durch
Trial-and-Error-Methoden durchprobiert werden. Das kann sehr hohe Kosten verursachen und ist mit Blick auf Ressourceneinsatz und Umweltbelastung unbedingt zu ändern, so Meschut.

Wandlungs- und ­Prognosefähigkeit mechanischer Fügeverfahren

Im SFB nehmen die Wissenschaftler die gesamte Prozesskette – vom Werkstoff (Fügeeignung) über die Konstruktion (Fügesicherheit) bis hin zur Fertigung (Fügemöglichkeit) – unter die Lupe. Seit 2019 erforschen sie, wie in wandlungsfähigen Prozessketten zielgerichtete Änderungen in der Produktentstehung ermöglicht werden können. Dadurch sollen bei den einzelnen Prozessschritten, zum Beispiel am Halbzeug, der Fügestelle, dem Bauteil oder dem Fügeverfahren passgenaue Überarbeitungen vorgenommen werden können. Ergebnis ist eine unikale, das heißt einzigartige Fügestelle mit einem eigenen mechanischen Eigenschaftsprofil hinsichtlich verschiedener Beanspruchungsarten.

Dabei spielt insbesondere die ­Prognosegüte eine große Rolle: Die bisherige experimentell geprägte Herangehensweise bei Änderungen im Produktionsprozess ist nach Aussage von Dr.-Ing. Mathias Bobbert, Geschäftsführer des SFB/Transregio 285, vor dem Hintergrund einer wachsenden Anzahl an Werkstoff-Geometrie-Kombinationen nicht effizient. Vielmehr sind hier abgesicherte Prognosen der Fügbarkeit Voraussetzung für robuste Fügeprozesse: Die ganzheitliche Prognose entlang der gesamten Prozesskette ist entscheidend für die Eigenschaften des späteren Endprodukts, sagt Meschut.

Die Wissenschaftler arbeiten dafür unter anderem mit Computersimulationen und experimentellen Prüfmethoden. ­Betrachtet werden die gesamten Eigenschaften der verschiedenen Verbindungen: von den einzelnen Fügeteilwerkstoffen (Fügeeignung), beispielsweise Aluminium, Stahl oder Kunststoff, über die darauf angepassten Fügeprozesse (Fügemöglichkeit) bis zur schlussendlichen Belastbarkeit (Fügesicherheit), zum Beispiel schlagartig wie im Fahrzeugcrash oder schwingend wie im Fahrbetrieb.

Universelle Lösungen

Im Zentrum der Forschungsarbeit stehen die Wechselwirkungen zwischen den jeweils ­vorausgegangenen Fertigungsschritten und der Fügestellenbelastbarkeit. Darauf aufbauend sollen Grundlagen geschaffen werden, die auch mit neuartigen Verfahrensansätzen eine Wandlungsfähigkeit der mechanischen Fügeverfahren ermöglichen. Langfristiges Ziel der Wissenschaftler ist es, eine ­flexible, übertragbare und branchenübergreifend anwendbare Auslegungsmethodik zu schaffen, welche Eigenschaften und Anforderungen bei neuen Fügeaufgaben genauestens prognostiziert. Durch die Erarbeitung fachübergreifender Methoden sollen nicht nur sicherere Prognosen der Fügbarkeit ermöglicht und Verbindungseigenschaften verbessert, sondern auch wirtschaftliche Vorteile erzielt werden.

Interdisziplinäres Forscherteam

Die Paderborner Wissenschaftler ­arbeiten dafür gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Technischen Universität Dresden und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in einem interdisziplinären Forschungsverbund, aufgeteilt in 16 Teilprojekten, zusammen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Transregio-Initiative TRR 285 bis 2023 mit rund zehn Millionen Euro. Eine wesentliche Stärke des Sonderforschungsbereichs ist die interdisziplinäre Forschung, die wir in den verschiedenen Fachbereichen an drei Standorten betreiben, sagt Prof. Gerson Meschut. Rund 60 Wissenschaftler aus den Bereichen Werkstofftechnik, Konstruktion, Mechanik, Messtechnik und Leichtbau kooperieren hier, um das Thema Fügbarkeit von allen Seiten zu durchdringen.Jennifer Strube


Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut (Foto: Universität Paderborn)

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