Fügen Mit dem richtigen Werkzeug zur optimierten Kunststoffverbindung

Autor / Redakteur: Annedore Munde / Jürgen Schreier

Wenn Kunststoffe miteinander verbunden werden sollen, kommen verschiedene Techniken zum Einsatz. Um eine optimale Verbindungslösung zu gestalten, ist bereits im Vorfeld eine Reihe von Überlegungen mit Blick auf die Bauteilgestaltung und die gewählte Verbindung notwendig.

Anbieter zum Thema

Kunststoffdirektverschraubungen gibt es in verschiedenen Ausführungen. Sie benötigen weder Muttern noch Inserts zur Verbindung der Komponenten.
Kunststoffdirektverschraubungen gibt es in verschiedenen Ausführungen. Sie benötigen weder Muttern noch Inserts zur Verbindung der Komponenten.
(Bild: Arnold Umformtechnik)

Der Markt stellt an Verbindungen und Verbindungselemente hohe Anforderungen. Sie sollen beispielsweise lösbar oder unlösbar sein, oder etwa selbsthemmend. Die Montagezeit soll kurz sein und die Prozesssicherheit hoch. Und natürlich sollen die Kosten einer Verbindungslösung mit Blick auf das Gesamtbauteil möglichst optimal sein. Das sind nur einige der Kriterien, die moderne Verbindungslösungen heute erfüllen müssen.

Geeignete Verbindungslösung rechtzeitig eruieren

Da liegt es nahe, sich rechtzeitig über die Verbindungslösung Gedanken zu machen, aber auch über die Bauteilgestaltung. Für Rudolf Hein, Geschäftsführer der Konstruktionsbüro Hein GmbH, ist bereits das Design der Werkzeuge für die Herstellung der Kunststoffbauteile sehr wichtig. „Über 90 % der Werkzeuge sind falsch ausgelegt“, weiß er aus seiner Praxis. Für den Spritzgießprozess, durch den Kunststoffbauteile beispielsweise hergestellt werden, kann dies unter anderem bedeuten, dass Lufteinschlüsse im Bauteil entstehen, welche dann auch Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit einer Verbindung haben. Gleiches gilt für die gewählte Wandstärke des Bauteils. Vorgeschaltete FEM-Simulationen können unter anderem helfen, diese Lufteinschlüsse zu verringern und zu dokumentieren und so entsprechende Rückschlüsse auf die Gestaltung der Werkzeuge zu ziehen.

Frühes Werkzeugkonzept optimiert Herstellzeit

So wird letztendlich sichergestellt, dass die Kunststoffbauteile in der gewünschten Qualität entstehen können. „Eine Produkt-optimierung mit Werkzeugkonzept reduziert die Herstellzeit für eine Baugruppe oft um 20 % bis 50 % und verbessert so natürlich nicht nur die Qualität, sondern optimiert auch die Kosten“, unterstreicht Hein die Vorteile einer frühzeitigen und komplexen Betrachtungsweise.

Frage der Standardisierung ist ein Kostenfaktor

Karsten Ringelberg ist Leiter der Vertriebsregion Nord der Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG. Er ist direkt bei den Kunden vor Ort und weiß, welche Anforderungen diese an eine Verbindung haben. „Neben den technischen Vorgaben sind es die geringe Montagezeit, eine hohe Prozesssicherheit und natürlich die Gesamtkosten des Bauteils, die im Vordergrund stehen. Aber auch die Bauraumoptimierung wird immer wichtiger, denn Bauraum ist heutzutage eine Rarität“, sagt Ringelberg.

Ebenfalls ein Kostenfaktor ist für ihn die Frage der Standardisierung. „Wie viele lebende Artikel nutzt eine Firma wirklich?“ Oder: „Ist die Bauteilkonstruktion auch mit Blick auf die Vielfalt der Verbindungselemente entstanden?“ Wenn es um die Kostenbetrachtung einer Verbindungslösung geht, sind für Ringelberg auch diese Fragen sehr wichtig.

Grundsätzlich hat der Konstrukteur beim Verbinden von Kunststoffbauteilen die Wahl zwischen Nieten, Gewindeeinsätzen sowie gewindeformenden Schrauben. Gut etabliert hat sich in den letzten Jahren das Verschrauben von Kunststoffen. So hergestellte Verbindungen lassen sich im Vergleich zum Kleben oder Schweißen mehrfach lösen. Darüber hinaus ist ihre Betätigung für das Montieren wie auch für das Demontieren klar definiert, im Gegensatz zum Beispiel zu Schnappverbindungen.

Ein Ansatz sind Direktverschraubungen, die weder Muttern noch Inserts zur Verbindung der Komponenten benötigen. Entsprechend entfällt also ein Fertigungsschritt. Die Schrauben furchen sich selbstständig ihr Gewinde in das vorhandene Kernloch eines Kunststoffbauteils. Kostenintensive Prozesse im Umfeld der Vorbereitung der Schraubstelle sind so nicht mehr nötig.

Potenziale für Kosteneinsparungen über gesamte Systemkostenkette

Sebastian Schlegel ist als Produktmanager bei der Arnold Umformtechnik für den Bereich Kunststoff-Fügetechnik zuständig. Er erläutert das Funktionsprinzip einer Remform-Schraube: „Durch die asymmetrische Gewindegeometrie werden die Kräfte, die beim Einschrauben entstehen, in eine definierte Richtung gelenkt“, erläutert Schlegel. „Um den Materialfluss zu verbessern, wurde die vom Schraubenkopf abgewandte Gewindeflanke mit einem Radius versehen.

Die dem Schraubenkopf zugewandte, steile Seite fängt den verdrängten Kunststoff ab und erhöht die Gewindeflankenüberdeckung. Sie gewährleistet hohe Ausreißkräfte und Drehmomente.“ Ziel sei es, ein möglichst vollständig tragendes Gewinde auf der gesamten Länge des Schraubenschaftes zu erreichen, so Schlegel weiter.

Die Nutzer dieser sogenannten Remform-Schraube profitieren von Kosteneinsparungspotenzialen über die gesamte Systemkostenkette, vom Materialeinsatz bis hin zu den Konstruktionskosten. „Gleichzeitig verbessern sich nachweislich die mechanischen Eigenschaften der Verbindung“, fasst Sebastian Schlegel das Einsparpotenzial dieser Verbindungslösung zusammen.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Anzahl von Kunststoffen wesentlich größer als die von Metallen

Verglichen mit Metallen existiert jedoch eine große Anzahl von Kunststoffen. Hinzu kommt, dass diese Kunststoffe häufig mit Fasermaterial gemischt werden, um entsprechende Eigenschaften zu erzielen. Jedes Material zeigt dabei andere Eigenschaften hinsichtlich Reibung, Gleit- und Fließverhalten. Diese wirken sich unmittelbar auf die Schraubverbindung aus. Generell gilt, dass nur eine große Überdeckung von Flanke und Kunststoff eine sichere Verbindungen ermöglicht.

Letztendlich ist bei der Verbindung von Kunststoffen im Unterschied zu Metallverbindungen jedoch immer ein höherer Vorspannkraftverlust als bei Metallen zu berücksichtigen. Dies resultiert aus dem materialbedingten Kriech- und Relaxationsverhalten der Polymere. Es lässt sich zwar durch belastungsarme Konstruktionen optimieren, aber nicht verhindern.

Für Kunststoffe und Leichtmetalle ist oft auch das Einpressen eine gute Verbindungstechnik. So ist beispielsweise ATP (Arnold Tri-Press) ein Einpressverbinder mit dreieckförmigem Schaft, welcher mit umlaufenden Sperrrillen oder axialem Rändel versehen ist. Ausgelegt als Anschlussverbinder, Kopf- oder Mittelbundvariante ist auch an dieser Stelle eine Kostenoptimierung des Gesamtbauteils möglich.

Einpressvorgang ist bis zu 50 % schneller als das Verschrauben

Die Vorteile dieser Verbindung, die durch Einpressen in gegossene oder gespritzte Kernlöcher entsteht, sind beispielsweise eine hohe Prozesssicherheit, eine hohe Verdrehsicherheit und Auszugskraft, ein axialer Toleranzausgleich oder auch die geringen Kosten bei der Montage. Immerhin ist der Einpressvorgang als Verbindungsprozess laut Arnold Umformtechnik teilweise bis zu 50 % schneller als das Verschrauben. Gerade für geringere Stückzahlen ist dabei auch interessant, dass die Verarbeitung sowohl halb- als auch vollautomatisch umgesetzt werden kann.

Marc Roth ist anwendungstechnischer Berater bei der Schmidt Technology GmbH. Die Pressen des Unternehmens sind vielfältig einsetzbar in der Umform- und Fügetechnik, auch bei Kleinserien. Doch die Auswahl der richtigen Verbindungstechnik ist aus Roths Sicht durchaus ein Kostenfaktor: „Eine wirtschaftliche Fertigung und Verbindung bedeutet auch, angemessene Produktionsmittel einzusetzen.“

Für gehobene Ansprüche beim Fügen ist die Servotechnik Mittel der Wahl

Während bei Kleinserien oft Handhebelpressen die beste Lösung sind, empfiehlt er, im Messkraftbereich bis 60 kN eine pneumatische Presse für das Fügen zu nutzen. Auch in der Fügetechnik ist es die Servotechnik, die für gehobene Ansprüche eingesetzt werden sollte.

„Für Fügeprozesse, bei denen nicht nur eine Prozessüberwachung notwendig ist, sondern auch eine intergrierte Regelung und eine freie Positionierung, sind Servopressen eine gute Wahl“, unterstreicht Roth. Dass diese natürlich in der Anschaffung entsprechend mehr kosten, versteht sich für Marc Roth von selbst.

Um eine kostenoptimierte Kunststoffverbindung zu entwickeln und zu gestalten, ist letztendlich eine Kostenbetrachtung über die gesamte Prozesskette erforderlich, angefangen von Konstruktion und Bauteilgestaltung mit entsprechender Materialbetrachtung über die Werkzeugauslegung, die Auswahl der passfähigen Verbindungselemente und die Definition der richtigen Verarbeitungstechnik.

(ID:39491580)