Flexibles Blechverbindungsverfahren Clinchen statt Löten und Schweißen

Um Bleche mechanisch und elektrisch miteinander zu verbinden, gibt es verschiedenste Fügeverfahren, zum Beispiel unterschiedliche Arten von Löt- und Schweißverbindungen. Ein neues Rund-Punkt-Blechverbindungsverfahren namens Durchsetz- oder Druckfügen, manchmal auch Clinchen genannt, hat nach einer Untersuchung der TU Dresden »die mit Abstand beste elektrische Leitfähigkeit«.

Bei dem Projekt »Untersuchen der bekannten Fügeverfahren hinsichtlich elektrotechnischer Anwendungen« ist die TU Dresden zu dem Ergebnis gekommen, dass das Rund-Punkt-Blechverbindungsverfahren von Tox Pressotechnik »die mit Abstand beste elektrische Leitfähigkeit« im Vergleich zu anderen mechanischen Fügeverfahren besitzt (siehe Anlaufbild). Daraus ergeben sich für Hersteller und Zulieferer elektrotechnischer, elektronischer sowie mechatronischer Baugruppen und Geräte wirtschaftliche Alternativen bezüglich Fertigungs- und Montageprozessen für Löt-, Schwalllöt-, Buckel-/Punktschweiß- und Laserlöt- beziehungsweise Laserschweißverbindungen.

Wurden bis dato mit dem Tox-Rund-Punkt durchaus schon Schalt- und Kontaktelemente in elektrischen Bauteilen und Baugruppen verbunden, so sind nun weitere Anwendungen auch in den genannten Bereichen möglich. Damit können die Produzenten und deren Zulieferer neben den reinen Material- und Betriebskosten zusätzlich Effizienz- und Wirtschaftlichkeitspotenziale ausschöpfen, wie man bei Tox Pressotechnik glaubt. Das Unternehmen nennt hier zum Beispiel das Vermeiden von hohen Investitionen in Löt-, Schweiß- und Laserschweißmaschinen und auch der damit verbundenen hohen Betriebs- und Wartungskosten.

Beispiel Lastverteiler

Als es bei einem Automobilzulieferer um die Produktions- und Montagetechnik für einen neuen, in großen Stückzahlen zu fertigenden Lastverteiler (Bild 1) ging, setzten sich die Entwickler und Produktionsingenieure mit einem Lieferanten für Sondermaschinen zusammen, und diese wiederum nahmen mit den Anwendungsingenieuren von Tox Pressotechnik Kontakt auf. Gemeinsam wurde dann ein hochautomatisiertes Montagesystem für Stromschienen in den Lastverteilern konzipiert.

Kern der Prozesslösungen zum Verbinden mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ist das Rund-Punkt-Blechverbindungsverfahren, das hier in den beiden Verfahrensvarianten »TWINpoint« (siehe Anlaufbild) und Einzelpunkt zur Ausführung kommt. Sowohl das TWINpoint- als auch die beiden Einzelpunkt-Werkzeuge sind in sogenannten Roboterzangen (Bild 2) aufgenommen, die inklusive der Presskraft-Antriebstechnik ebenfalls aus dem Hause Tox stammen. Die drei Roboterzangen haben 55 kN Presskraft, eine Ausladung von 150 mm und einen Werkzeugöffnungsweg von 95 mm.

Die eingebauten Rund-Punkt-Werkzeugsätze bestehen jeweils aus Stempel und Matrize. Als Antriebseinheit wurden für alle drei Zangen stempelseitig die elektromechanischen Servoantriebe »Tox-ElectricDrive« vom Typ »EPMR« gewählt. Der stempelseitige Abstreifer ist mit einem »ToolCheck«-System von Tox ausgerüstet, das den Zustand der Clinch-Matrize überwacht und sichergestellt, dass immer mit einer intakten Matrize gefügt wird. Matrizenseitig ist lediglich ein Abstreifer eingebaut.

Durch den Einsatz einheitlicher C-förmiger Roboterzangen und elektromechanischer Antriebe lassen sich die Stationen zum Verbinden unterschiedlicher Stromschienen für mehrere Lastverteiler-Ausführungen laut Hersteller universell und flexibel nutzen. So ist die Roboterzange zum Verbinden von »MFB-E«-Stromschienen mit Midi-Fuse beispielsweise mit einem universell anwendbaren TWINpoint-Werkzeugsatz ausgerüstet. Dieser verbindet Stromschienen aus 1,5 mm dickem Material mit solchem aus wahlweise 0,6 mm oder 0,4 mm dünnem Material elektrisch leitfähig und prozesssicher. Ähnlich verhält es sich bei der Roboterzange zum Einzelpunkt-Verbinden von MFB-E-Stromschienen mit Megafuse- und B+-Stromschienen. Mit demselben Werkzeug werden die Materialkombinationen 2,5 mm beziehungsweise 2,0 mm in 1,5 mm gefügt. Die dritte Pressstation schließlich ist mit einem Einzelpunkt-Werkzeugsystem zum Verbinden von MFB-E-Stromschienen der Materialkombination 2,0 mm in 1,0 mm ausgelegt. Um die Füge- und Abstreifkräfte zu reduzieren, werden alle drei Clinch-Werkzeugsysteme über eine zentrale Sprüheinrichtung mit Öl besprüht.

Komplettlösungen aus einer Hand

Für noch mehr Flexibilität der Gesamtanlage zum Verbinden von Stromschienen für Lastverteiler gibt es außerdem eine weitere Roboterzange mit einem Einzelpunkt-Werkzeug sowie eine Maschinenzange mit einem Rund-Punkt-Werkzeug. Zum weiteren Lieferumfang von Tox gehörten zudem die Schaltschrankanlage mit den Versorgungs-/Controller-Einheiten, die zugehörigen Verbindungskabel, und schließlich eine Einpressüberwachung vom Typ »CEP 400« als einkanalige Prozessüberwachung für die Qualität der Rund-Punkt-Verbindungen. Damit erhielten der Sondermaschinenlieferant und der Endkunde/Anwender die prozesstechnische Ausrüstung für die Clinchverbindungen aus einer verantwortlichen Hand – ausgehend von der Verbindungstechnologie und den Werkzeugen bis 
hin zur Prozessüberwachung.

Vorteile des Clinchens 
Durchsetzfügen oder Clinchen ist ein Verfahren zum Verbinden von Blechen ohne Verwendung eines Zusatzwerkstoffes. Man kann es sowohl zu den Fügeverfahren als auch zu den Umformverfahren rechnen.
Ein Vorteil des Clinchen ist, dass kein Vorlochvorgang durchgeführt wird. Die statischen Festigkeiten liegen im Bereich von etwa 2/3- bis hin zum 1,5-Fachen einer vergleichbaren Punktschweißverbindung. Aufgrund von fehlender Kerbwirkung (bei nicht schneidenden Verbindungen) und nicht vorhandener Wärmeeinflusszone ist die Dauerfestigkeit höher als bei Punktschweißverbindungen.
Besonders wenn unterschiedliche Blechstärken verbunden werden müssen, bietet das Clinchen großes Potenzial. Wenn die Fügerichtung »Dick in Dünn« eingehalten wird, sind statische Festigkeiten möglich, die das Anderthalbfache der Festigkeit einer Punktschweißverbindung übersteigen. Ein weiterer Vorteil ist, dass auch verschiedenartige Materialien und/oder beschichtete Bleche gefügt werden können.