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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Löt- und

Löt- und Verbindungstechnik Heißnieten – Vorteile einer neuen Konstruktionsrichtlinie Bild 2: Geometrie nach neuer Konstruktionsrichtlinie, die in einer Forschungskooperation von bdtronic, BASF und der TU Chemnitz erarbeitet wurde. Bild 1: Für die Nietgeometrie erfolgte eine Anlehnung an die DVS- Richtlinie 2216-3. Bilder von oben nach unten: DVS lang, DVS kurz und DVS hohl. Erste Ergebnisse einer Grundlagenuntersuchungen von bdtronic, BASF und der Professur für Kunststoffe an der TU Chemnitz zum Thema Heißnieten führten zu einer neuen Konstruktionsrichtlinie. Was sind die Vorteile? Durch die hochgenaue Temperaturmessung und -regelung (+/-5 K) im Millisekundenbereich und die kontinuierliche Prozessüberwachung war es mit den bdtronic Heißniettechnologien BHS Hot Stamp (Kontaktnietverfahren zum Warmumformen und Heizstempelnieten) und BHS Hot Jet (Heißluftverfahren) erstmals möglich, exakte Untersuchungen für dieses Fügeverfahren durchzuführen. Die erste Untersuchungsreihe hatte das Ziel, zuverlässige Daten zu Festigkeiten und Nietqualität zu generieren, um Aussage über optimale Parameter und Taktzeiten treffen zu können. Für die Nietgeometrie lehnte man sich bislang an die DVS-Richtlinie 2216-3 an, die eine Vollnietgeometrie für die höchste Festigkeit (DVS lang), eine für geringe Bauhöhe (DVS kurz) sowie eine Hohlnietgeometrie für dünnwandige Bauteile (DVS hohl) vorschlägt (s. Bild 1). Für die Versuche wurden Prüfkörper erstellt, die sehr typische Anwendungen im Elektronikbereich abbilden: erstens mit einem Durchmesser von 3 mm, zweitens aus den teilkristallinen Materialien mit 30% Glasfaseranteil. Die verwendeten thermischen Verfahren Bild 3: links ein typischer Nietkopf (DVS lang) erzeugt mit dem Warmumformverfahren, rechts ein Nietkopf (bdtronic Geometrie) ebenfalls erzeugt mit dem BHS Hot Stamp Verfahren. waren das Warmumformen (ein isothermer Stempel wird auf den Pin aufgesetzt und formt ihn gleichzeitig bis in Endlage mit voreingestellter Kraft um), das Heizstempelnieten (ein isothermer Stempel wird erst drucklos zur Schmelzebildung auf den Pin aufgesetzt und formt dann mit voreingestellter Kraft um) und das Heißluftnieten. Die Versuche mit den Prüfkörpern bestätigten die Vermutung, dass die genannten Normen nicht immer zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen. Die DVS lang ergab zwar die höchsten Festigkeiten, was sich an den häufigen Pinbrüchen ge- 20 4/2013

Löt- und Verbindungstechnik genüber Nietkopfbrüchen zeigte, aber die Prozesszeiten überstiegen typische Taktzeitanforderungen der Automobilzuliefererindustrie deutlich und der benötigte Bauraum für die hohe Kugelgeometrie ist für eine Vielzahl der Anwendungen zu groß. Beim Warmumformen zeigt sich zudem eine sehr schlechte Anbindung des geschmolzenen Materials an den Pinschaft, resultierend in extrem schlechten Festigkeitswerten, woraus wir ableiten können, dass für dieses Verfahren die DVS lang bei den getesteten Materialien nicht geeignet ist. Vor allem aber erschwert die tiefe Stempelgeometrie mechanisch deutlich das Ablösen des vernieteten Materials aus der Kalotte, was zur Schwächung der Nietverbindung führen kann. Gleichzeitig sind die Abzugskräfte bei der DVS kurz häufig nur ungenügend. Die Lösung liegt dazwischen: Die bdtronic-Richtlinie ist ein Kompromiss zwischen höchstmöglicher Festigkeit und geringstmöglicher Prozesszeit. Bild 2 zeigt die Geometrie nach der neuen Konstruktionsrichtlinie. Am Beispiel von Vollnieten aus PA66-GF30 mit 3 mm Durchmesser konnte bei dem Heizstempelverfahren mit der bdtronic-Geometrie gezeigt werden, dass geringere Pinlänge (gegenüber DVS lang) die Schmelzebildung über die gesamte Pinlänge begünstigt und somit bessere Ergebnisse liefert. B2000-H Heißnietmaschine im Einsatz Beim Warmumformen erreichen Vollnieten nach bdtronic- Richtlinie aber deutlich höhere Festigkeiten als beim Heizstempelverfahren, was bedeutet, dass ein druckloser Schmelzeaufbau vor dem Vernietvorgang auch hier keine Prozessverbesserung bedeutet, wie häufig angenommen. Absolut betrachtet konnte im Rahmen der Versuchsreihen bei der Vernietung dieser Vollnieten nach bdtronic Standard mit dem Warmumformverfahren eine um durchschnittlich etwa 20% geringere Bild 4: Schliffbild der Vernietung eines Nietdoms „DVS lang“ mit dem Heißluftverfahren. Abzugskraft (max. ca. 600 N) gegenüber Vollnieten DVS lang gemessen werden. Gleichzeitig benötigt dieser Vollniet nach bdtronic Geometrie minimal aber eine 50% geringere Heizzeit bis zum Erreichen der Endlage gegenüber DVS lang! Bezieht man die Taktzeit in die Betrachtung also mit ein, so können je nach Prozessparametersatz mit beiden Geometrien vergleichbare Festigkeiten in gleicher Taktzeit erreicht werden. Fazit: mit der bdtronic-Geometrie lassen sich je nach Anforderungsprofil sehr kurze Taktzeiten von wenigen Sekunden oder sehr hohe Festigkeiten von an die 600 N (für PA66-GF30) erzielen. Wichtig, wenn man hohe Festigkeiten wünscht: Die optimale Prozesstemperatur und ausreichende Taktzeit entscheiden über die Bruchkraft! Bild 3 zeigt einen typischen Nietkopf (DVS lang), erzeugt mit dem Warmumformverfahren. Die Anbindung des geschmolzenen Materials zum Schaft ist unvollständig. Ein Nietkopf (bdtronic-Geometrie), ebenfalls erzeugt mit dem BHS-Hot- Stamp-Verfahren, ist daneben zu sehen. Die Anbindung des geschmolzenen Materials an den Schaft ist sehr gut und nahezu vollständig erfolgt. Die überlagen Heizzeit und sehr hohe Prozesstemperatur erzeugen allerdings bereits Zersetzungen des Materials, erkennbar an der Lunkerbildung durch Vergasung von Materialbestandteilen. Dennoch erreicht die kürzere bdtronic Geometrie im Vergleich der beiden abgebildeten Vernietungen eine deutlich höhere Abzugskraft von um die 600 N. Die Gegenüberstellung von Schliffbildern, optischer Analyse und Abzugsprüfergebnissen zeigt, dass eine „schöne“ Vernietung nicht immer die höchste Festigkeit verbirgt. Eine wichtige Erkenntnis: Die Optik gibt leider keine Aussage über die Gefügestruktur und somit Haltekraft einer Nietverbindung. Über alle Versuchsreihen in Summe die höchsten Festigkeiten für beide Geometrien konnte mit dem Heißluftnieten erreicht werden. Auch hier ist die Definition der Prozessparameter entscheidend für die Bruchkraft. Durch das homogene Erwärmen des Nietpins können zwar auch groß dimensionierte Pins gut vernietet werden, aber auch hier ist die Wahl der geeigneten Prozesstemperatur relevant. Je nach gewähl- 4/2013 21

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