Nieten und Durchsetzfügen

Verbindungen lassen sich grundsätzlich in zwei Gruppen teilen: lösbare und unlösbare. Eine Schraube kann man wieder herausdrehen, eine Schweißnaht nur zerstörend trennen. Nieten und Durchsetzfügen gehören zur zweiten Gruppe – sie erzeugen unlösbare Verbindungen, die sich nur durch Aufbohren oder Abschleifen wieder trennen lassen.

Das Besondere: Beide Verfahren verbinden die Bauteile durch Umformen. Es wird also kein Werkstoff geschmolzen und kein Klebstoff ausgehärtet, sondern Material kalt verformt, bis ein form- und kraftschlüssiger Verschluss entsteht. Formschlüssig heißt, die Bauteile greifen geometrisch ineinander; kraftschlüssig heißt, sie werden durch Druck zusammengehalten. Bei Niet- und Clinchverbindungen wirken meist beide Effekte zusammen.

Warum nicht einfach schrauben oder schweißen? Schraubverbindungen sind lösbar und brauchen Platz für Kopf und Mutter – das ist ein eigenes Thema. Schweißen bringt Wärme ein, die dünne oder beschichtete Bleche verzieht und die Beschichtung zerstört. Kleben braucht saubere Flächen und Aushärtezeit. Genau dort, wo diese Nachteile stören, spielen die umformenden Verfahren ihre Stärke aus: kein Wärmeeinfluss, beschichtete Bleche bleiben intakt, und auch unterschiedliche Werkstoffe lassen sich kombinieren.

Ein Niet ist im Kern ein metallischer Bolzen, der zwei Bauteile durch eine gemeinsame Bohrung verbindet. Auf der einen Seite sitzt von vornherein der Setzkopf, auf der anderen Seite wird beim Setzen der Schließkopf gebildet. Dazwischen liegt der Nietschaft, und die Dicke des zu verbindenden Materials nennt man Klemmlänge.

Nach Bauform unterscheidet man mehrere Grundtypen:

• Vollniet – ein durchgehend massiver Bolzen. Der Schließkopf entsteht durch Stauchen des überstehenden Schaftendes. Klassisch im Stahl- und Behälterbau.
• Halbhohlniet – am Schaftende ausgehöhlt, lässt sich mit weniger Kraft umformen.
• Hohlniet – durchgehend rohrförmig, für geringe Belastungen, etwa bei Leder, Textil oder dünnen Blechen.

Im praktischen Alltag, vor allem in Montage und Instandhaltung, dominiert jedoch ein anderer Typ: der Blindniet (umgangssprachlich Pop-Niet). Er besteht aus einer Niethülse und einem durchgesteckten Nietdorn. Sein großer Vorteil: Er lässt sich von nur einer Seite setzen. Man braucht also keinen Zugang zur Rückseite des Bauteils – daher der Name „blind“.

Ein eigen Typ ist die Einnietmutter (Blindnietmutter): eine Hülse mit Innengewinde, die wie ein Blindniet gesetzt wird und anschließend ein tragfähiges Gewinde in dünnem Blech bereitstellt. So lässt sich später eine Schraube eindrehen, obwohl das Blech selbst zu dünn für ein eigenes Gewinde wäre.

Als Werkstoffe kommen Stahl, Edelstahl, Aluminium und Kupfer zum Einsatz. Wichtig ist die Werkstoffpaarung: Setzt man einen Stahlniet in ein Aluminiumblech und kommt Feuchtigkeit hinzu, droht Kontaktkorrosion. In solchen Fällen wählt man Niet und Blech aus verträglichen Werkstoffen oder einen Niet aus Aluminium.

Der folgende Querschnitt zeigt einen Blindniet vor und nach dem Setzen.

Eine saubere Nietverbindung beginnt mit der richtigen Bohrung. Der Bohrungsdurchmesser wird geringfügig größer gewählt als der Nietdurchmesser, damit sich der Niet leicht einführen lässt, aber nicht zu viel Spiel hat. Zu großes Spiel führt dazu, dass sich die Bleche unter Last erst verschieben, bevor der Niet trägt.

Genauso wichtig ist die Klemmlänge – die Gesamtdicke der zu verbindenden Bleche. Jeder Blindniet ist für einen bestimmten Klemmbereich ausgelegt. Wählt man den Niet zu lang, bildet sich kein sauberer Schließkopf; zu kurz, und der Niet greift gar nicht durch.

Auch die Lage der Bohrungen folgt Regeln. Der Randabstand (Abstand vom Lochmittelpunkt zur Blechkante) und der Lochabstand (Abstand zwischen zwei Nieten) dürfen nicht zu klein sein. Sonst reißt das Blech zur Kante hin aus oder zwischen den Löchern ein. Als Faustwerte gelten ein Randabstand von etwa dem Zwei- bis Dreifachen und ein Lochabstand von etwa dem Drei- bis Vierfachen des Nietdurchmessers.

Den Blindniet setzt man mit einer Nietzange oder einem akkubetriebenen Setzgerät. Der Dorn wird gegriffen und durch die Hülse gezogen. Dabei staucht sich das hintere Hülsenende zum Schließkopf, bis der Dorn an seiner Sollbruchstelle abreißt. Ein kurzes „Knack“ – fertig.

Auslegung auf Abscherung

Steht eine Nietverbindung unter einer Querkraft, wird der Nietschaft auf Abscherung beansprucht. Die wirkende Scherspannung ergibt sich aus der Kraft und der tragenden Querschnittsfläche aller Niete:

Die Querschnittsfläche eines Niets berechnet man aus seinem Durchmesser:

Die berechnete Scherspannung muss unter der zulässigen Scherspannung des Nietwerkstoffs bleiben.

Auslegung auf Lochleibungsdruck

Die Abscherung ist aber nur die halbe Wahrheit. In der Praxis versagt eine Nietverbindung häufig gar nicht durch das Abscheren des Niets, sondern durch das Blech: Der Niet drückt mit seiner ganzen Kraft auf die Wand der Bohrung. Wird dieser Druck zu groß, fließt das Blech am Bohrungsrand oder reißt auf. Diese Beanspruchung nennt man Lochleibungsdruck (Lochleibungsspannung).

Maßgeblich ist dabei die projizierte Fläche, auf die der Niet drückt – also Nietdurchmesser mal Blechdicke:

Auch dieser Wert muss unter dem zulässigen Lochleibungsdruck des Blechwerkstoffs liegen. Eine Nietverbindung ist erst dann sicher ausgelegt, wenn beide Nachweise – Abscherung des Niets und Lochleibung im Blech – erfüllt sind. Oft ist die Lochleibung der kritischere Fall, vor allem bei dünnen Blechen.

Erforderliche Nietanzahl

Aus dem Abscher-Nachweis lässt sich umgekehrt bestimmen, wie viele Niete eine Verbindung mindestens braucht. Man stellt die Scherspannungsformel nach der Nietzahl um und setzt die zulässige Spannung ein:

Das Ergebnis wird immer auf die nächste ganze Zahl aufgerundet – ein halber Niet existiert nicht.

Beim Durchsetzfügen – auch Clinchen genannt – kommt etwas Erstaunliches zum Tragen: Zwei Bleche werden allein durch Umformen verbunden, ohne Niet, ohne Schraube, ohne Vorlochung und ohne jeden Zusatzwerkstoff.

Das Prinzip: Ein Stempel drückt die übereinanderliegenden Bleche in eine Matrize. Dabei wird der Werkstoff zunächst tief in die Matrize hineingezogen und anschließend seitlich verdrängt. Der Stempel staucht das Material so, dass sich das obere Blech unter das untere „verhakt“ – es entsteht ein hinterschnittener Verschluss, der die Bleche formschlüssig zusammenhält. Man spricht je nach Werkzeugform von runden oder rechteckigen Clinchpunkten.

Weil das gesamte Material kalt verformt wird, bleibt eine vorhandene Beschichtung weitgehend erhalten – ein wesentlicher Vorteil bei verzinkten oder lackierten Blechen. Auch unterschiedliche Werkstoffe wie Aluminium und Stahl lassen sich kombinieren.

Es gibt aber Grenzen. Clinchen eignet sich für duktile, gut umformbare Bleche; spröde oder sehr harte Werkstoffe reißen beim Verformen. Die verbindbaren Blechdicken liegen meist im Bereich weniger Millimeter, und die übertragbaren Kräfte sind geringer als bei einer vergleichbaren Schweiß- oder Schraubverbindung. Entscheidend für die Anwendung ist außerdem: Stempel und Matrize müssen von beiden Seiten an die Fügestelle gelangen. Anders als beim Blindnieten genügt einseitiger Zugang hier nicht.

Der folgende Querschnitt zeigt das Werkzeugprinzip und die fertige Fügestelle.

Welches Verfahren das richtige ist, entscheidet der Anwendungsfall. Die folgende Übersicht stellt die umformenden Verfahren den klassischen Alternativen gegenüber. Schrauben, Schweißen, Löten und Kleben sind dabei jeweils eigene Themengebiete – hier geht es nur um die Einordnung.

Drei Auswahlkriterien stechen heraus:

Erstens die Wärmeempfindlichkeit. Sobald Beschichtungen, dünne Bleche oder hitzeempfindliche Bauteile im Spiel sind, scheidet Schweißen aus – Nieten und Clinchen arbeiten kalt.

Zweitens die Werkstoffpaarung. Aluminium auf Stahl lässt sich kaum verschweißen, aber problemlos nieten oder clinchen.

Drittens die Zugänglichkeit. Kommt man nur von einer Seite an die Fügestelle, ist der Blindniet die naheliegende Lösung – er braucht keinen Zugriff auf die Rückseite. Das Durchsetzfügen scheidet in diesem Fall aus, weil Stempel und Matrize zwingend von beiden Seiten an das Bauteil müssen. Genau dieser Unterschied entscheidet in der Praxis oft zwischen den beiden umformenden Verfahren.