Verbindungstechnik: Günstig, multifunktional und im Miniaturformat

Besondere Herausforderungen stellen derzeit die E-Fahrzeuge und dort vor allem deren Hauptkomponente, die Batterie. Doch es gibt auch ganz aktuelle Aufgaben und Chancen.

Nicht nur bei den Internetkonzernen wie Amazon, Google oder Netflix sorgt die Corona-Pandemie für eine Belebung ihres Kerngeschäfts, auch die Hersteller von Verbindungselementen dürfen sich, wenn auch im wesentlich kleineren Ausmaß, über Zusatzgeschäfte freuen. Darüber weiß der Hersteller klemmbarer Rohrverbinder, RK Rose+Krieger, zu berichten. Der Geschäftsführer Hartmut Hoffmann beschreibt die Situation so: „Der Wunsch nach der Befestigung von Hygiene-Schutzabtrennungen ist praktisch über Nacht entstanden und erfasst mit Ausnahme der privaten häuslichen Umgebung praktisch das gesamte öffentliche Leben.“

Hier hat er insbesondere die Bereiche Logistik, Pharmazie und Medizin im Blick. Diese erlebten derzeit eine kräftige Wachstumsphase und benötigten zunehmend Verbindungs- beziehungsweise Befestigungselemente für Monitore, Bedienterminals, Scanner und Sensoren.

Dabei verstärkt und beschleunigt die aktuelle Pandemiesituation nach Hoffmanns Beobachtung einen sowieso schon länger vorhandenen Trend. Für die Befestigung dieser Geräte sei, neben dem immer vorhandenen Wunsch nach geringen Kosten, die Flexibilität und die Verfügbarkeit entscheidend. „Der Kunde möchte die Elemente oder Baugruppen möglichst kurzfristig einbaufertig erhalten und bei Bedarf durch vielfältige Kombinatorik variabel einsetzen“, sagt der Geschäftsführer. Grundsätzlich sieht er sein Unternehmen mit dem Produktspektrum rund um klemmbare Rohrverbinder gut aufgestellt. Sie seien eine wirtschaftliche Lösung für die kraftschlüssige und dabei wieder lös­bare Verbindung selbst unterschiedlicher Systeme – und das ganz ohne Bohren und Schweißen.

Von ähnlichen Erfahrungen berichtet Axel Mohr, Produktmanager MB Systembaukasten bei Item Industrietechnik: „Dort, wo der zeitliche Aufwand weniger fokussiert wird als die Schnelligkeit zur Herstellung von Verbindungen, wird eine kostengünstige Verbindungstechnik erwartet.“ Dagegen werde in Ländern, in denen es um die Optimierung von Produktionskosten geht, häufig solche Techniken bevorzugt, die ein schnelles und dennoch zuverlässiges Ergebnis liefern. Der Solinger Hersteller von Systembaukästen für industrielle Anwendungen adressiert mit dem Portfoliobereich der Verbindungstechniken ohne mechanische Profilbearbeitung speziell den zuletzt genannten Kundenkreis. Dazu zählen neben Automatikverbindern, Automatiklaschen und -winkeln, Direkt- oder Klick-Verbindungssätze sowie Gelenk- und Klemmwinkel oder Winkel- und Eck-Verbindungssätze.

Ein deutlich längerfristiger Trend und auch mit wesentlich größeren Auswirkungen auf das Geschäftsfeld der Verbindungstechnik als Corona ist sicherlich der Wechsel vom Verbrennungsmotor zum elektrischen Antrieb. „Dadurch werden zum einen bestimmte Verbindungselemente nicht mehr benötigt, dafür andere mit neuem Anforderungsprofil“, hat Dr. Hans-Jürgen Wißmeier ausgemacht. Für den Mitarbeiter aus dem Bereich Engineering beim Spezialisten für Verbindungs- & Befestigungstechnik Keller & Kalmbach ist damit auch die Anforderung verbunden, die zahlreichen neuen Startups im Bereich E-Mobility als Kunden zu gewinnen. „Hier sind viele junge Leute tätig, die oft erstmalig mit Verbindungselementen arbeiten und am Markt keine passenden Lösungen vorfinden“, erläutert Wißmeier.

Die Unterschiede zwischen den Antriebstechnologien sind erheblich. In einem Pkw sind durchschnittlich 3.000 bis 4.000 Schrauben verbaut. Davon alleine 400 bis 600 Schrauben im Verbrennungsmotor. Bei einer durchschnittlichen Produktionszeit pro Auto von etwa 36 Stunden entfallen davon allein drei Stunden auf die Schraubenmontage. In einem Elektrofahrzeug werden etwa 25 Prozent weniger Schrauben benötigt, davon etwa 12 Prozent Spezialschrauben. Dem Aussterben des Ver­brenners fallen dabei höchstfeste Motorschrauben, hochwarmfeste Schrauben oder Pleuelschrauben zum Opfer.

Doch das Unternehmen aus Unterschleißheim bei München, das über eine Produktpalette mit über 100.000 Standardartikeln verfügt, darunter neben Schrauben auch Stifte, Muttern oder Nieten, weiß sich auf die künftigen Herausforderungen einzustellen: „Wir wenden uns sowohl an OEMs als auch an Zulieferer in den Bereichen Batterie-fertigung, Kühl- und Heizsysteme für Batterien, E-Getriebe und E-Motoren“, berichtet Wißmeier. Dabei kommt es bei den Verschraubungen insbesondere auf Dichtigkeit an. Schließlich kann in den Akku eingedrungenes Wasser einen Kurzschluss oder ein thermisches Ereignis verursachen. Ein weiterer Punkt ist die gute Isolation der Schrauben. Hier ist der Montageschritt von besonderer Bedeutung, da in den Hochvoltsystemen der E-Autos das Berühren stromführender Teile schnell tödlich enden kann.

Mit der Miniaturisierung von Bauteilen adressiert Ejot, Produzent innovativer Verbindungselemente, insbesondere gewindefurchender Schrauben sowie tech­nischer Umformteile aus Kunststoff und Metall, einen weiteren Trend. Laut Michael Schmidt, Produktmanager Mikroschrauben, werden Anwendungen branchenübergreifend kleiner – und auch smarter. Dies gelte sowohl für die Industrie, beispielweise bei Maschinensteuerungen (Stichwort: Industrie 4.0) als auch für Konsumentenmärkte, etwa bei Smart-Home-Anwendungen. Außerdem werden an das Unternehmen aus Bad Berleburg auch sehr spezielle verbindungstechnische Herausforderungen herangetragen, die eine besondere Expertise verlangen. Aber auch Schmidt nennt hier neben würfelförmigen Gehäusen, die besonders kleine, aber lange Schrauben erforderlich machen, das Thema E-Mobilität. In diesem neuen Anwendungsbereich seien unter anderem speziell gefertigte Sonderbolzen gefragt, die eine elek­trische Kontaktierung in verschiedenen Anwendungen ermöglichen.

Bei den Klebstoffherstellern ist man sich sicher, dass dieser Verbindungstechnik ein immer größerer Stellenwert zukommt. „Kleben ist die Fügetechnik für Multi-Material-Verbindungen“, sagt Marcus Sauerborn. Der Anwendungstechniker Klebebänder und Klebstoffe bei 3M Deutschland verweist darauf, dass Klebetechnik auch solche Werkstoffe zuverlässig fügen kann, die für klassische Methoden wie Schweißen, Nieten oder Schrauben per se weniger geeignet sind, zum Beispiel pressgehärtete Stähle, die beim Schweißen durch den Wärmeeintrag ihre Festigkeit verlieren. Diese kommen zum Beispiel in der Automobilindustrie als B-Säule zum Einsatz.

Ein anderes Beispiel sind faserverstärkte Kunststoffe, die beim Schrauben oder Nieten durch lokale Last­einwirkung geschwächt werden – etwa beim Einsatz von GFK-Bodenplatten im Schienenfahrzeugbau. Wichtig ist Sauerborn die gemeinsame Entwicklung von Klebstoffsystemen mit Kunden. Als Zielfaktoren nennt der Klebetechnikexperte neben der unkomplizierten Vorbereitung, Automatisierung und der schnellen Verarbeitung auch die Themen Nachhaltigkeit und bessere Verträglichkeit. Hier hat 3M jüngst in das Global Adhesive Solutions Lab in Neuss investiert, der „neuer Dreh- und Angelpunkt“ des Unternehmens für Innovationen in diesem Bereich ist.

Sauerborn registriert zudem die Themen Prozesssicherheit sowie Kosten- und Energiereduktion als wichtige Anliegen seiner Kunden. Ein weiterer treibender Faktor sei das Ziel, CO2-Emissionen zu verringern. Hier kommen wieder die Themen E-Mobilität und Leichtbau ins Spiel. „Im Bereich E-Mobilität tragen unsere Klebstoff-Innovationen zu mehr Batteriesicherheit bei, etwa um einen Thermal Runaway einzudämmen“, berichtet Sauerborn. Diese kommen beim Verbinden von Batteriezellen und -Komponenten sowie als thermisch leitfähige Ausgleichs- und Fixierungsmasse zum Einsatz. Und im Leichtbau können viele Werkstoffe wie faserverstärkte Kunststoffe oft nur mit modernen Klebstoffsystemen dauerhaft zuverlässig gefügt werden. Zu den aktuellen Neuentwicklungen von 3M zählen etwa VHB-Klebebänder mit Acrylatschaumkern, die Verbindungen mit hoher Belastbarkeit ermöglichen, oder Scotch-Weld-Konstruktionsklebstoffe für hochfeste Verbindungen.

Beim Wettbewerber Delo beobachtet man als grundsätzlichen Trend die steigenden Anforderungen der Anwender in Bezug auf Miniaturisierung und Designfreiheit. Kleben ist hier nach Auskunft von Dr. Karl Bitzer ideal. Laut dem Leiter Produktmanagement beim Industrieklebstoffspezialisten mit Sitz in Windach bei München eröffne sich damit Anwendern neue Möglichkeiten für die Gestaltung ihrer Geräte und gleichzeitig ließen sich selbst winzige Bauteile in schnellen Prozessschritten fertigen.

Eine immer wichtigere Eigenschaft von Klebstoffen ist laut Bitzer die Multifunktionalität der Materialien. „Früher war der Hauptzweck von Klebstoffen, zwei Teile zuverlässig und dauerhaft miteinander zu verbinden. Heute kommt es stark auf die Zusatzfunktionen an, die Klebstoffe mitbringen“, erläutert der Klebstoffexperte. Diese können isotrop/anisotrop elektrisch beziehungsweise thermisch leitfähig sein, elektrisch isolierend wirken oder optische Funktionen erfüllen. Ein weiterer wichtiger Trend ist laut Bitzer die Dosierbarkeit von Klebstoffen. Hier hat sich in den vergangenen Jahren einiges getan. Der Produktmanager berichtet von Materialien, die über Sieb- und Schablonendruckverfahren aufgetragen werden oder im Imprint-Prozess. Bei letztgenanntem werden durch nanostrukturierte Stempel optoelektronische oder optische Bauteile gefertigt. „Imprint-Lithographie ist eine Schlüsseltechnologie für viele aktuell boomende Anwendungen wie Gesichtserkennung, Lichtteppiche und Augmented Reality“, sagt der Leiter des Delo-Produktmanagements.

Aber auch in Windach bei München hat man die Zukunftsthemen E-Mobility und automatisiertes Fahren fest im Blick. Hier profitiert man besonders davon, dass Klebstoffe das Gesamtgewicht von Baugruppen faktisch nicht erhöhen. In Batteriezellen sorgen diese zudem für eine verbesserte Wärmeabfuhr. So kombiniert ein von Delo entwickelter Klebstoff strukturelle Befestigung und Anbindung des Wärmemanagementsystems in einem Schritt, anstatt die Batteriezellen mechanisch zu verbinden und anschließend sogenannte Gap Filler für die Wärmeableitung einzusetzen. Das spart einen Prozessschritt und vereinfacht die Fertigung.

Die häufig genannte Miniaturisierung ist ein Trend, der sich auch in der elektrischen Verbindungstechnik niederschlägt. „Maschinen werden immer kompakter und brauchen mehr Datenverbindungen“, beschreibt Georg Stawowy, Vorstand Innovation & Technik bei der Lapp Holding, die Situation. Eine Option diesen Herausforderungen zu begegnen, sind Hybridleitungen, die in einem Mantel leistungsführende Kabel, Datenleitungen und Schläuche für Pneumatik oder Hydraulik bündeln.