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Kunststoff-Direktverschraubung

So gelingt die Verschraubung von Kunststoffen prozesssicher

| Autor/ Redakteur: Stefanie Heß / Peter Königsreuther

Wer Kunststoffe sicher verschrauben will, muss an viele Parameter denken: etwa an die Werkstoffeigenschaften, die Arten der Kunststoffverarbeitung sowie den Montageprozess samt Werker, Werkzeug und auch Schraube.

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Die Montage von Kunststoffteilen per Schrauben erfordert durchaus eine ausgeklügelte Schraubstrategie, um Ausschuss zu vermeiden...
Die Montage von Kunststoffteilen per Schrauben erfordert durchaus eine ausgeklügelte Schraubstrategie, um Ausschuss zu vermeiden...
(Bild: Desoutte)

Die Kunststoff-Direktverschraubung hat sich im Bereich der mechanischen Verbindungstechnik bewährt und wird seit über 30 Jahren erfolgreich eingesetzt. Mittlerweile gibt es viele Veröffentlichungen, Richtlinien und Schriften, in denen Anwender sich zu diesem Thema informieren können. Die Auslegung ist demnach einfach, sollte man meinen. Dennoch findet man in der Praxis immer wieder drei- oder mehreckige Kernlöcher vor, Einschraublängen im Bereich 1 × d, viel zu hohe Anziehdrehmomente und zerberstende Einschraubdome. Drehzahlvorschriften lassen den eingesetzten Werkstoff außer Acht, es werden falsche Erwartungen auf die Höhe und Haltbarkeit der Vorspann- und Restklemmkraft gesetzt, und Bauteile versagen unter Lastangriff. Diese Reihe ließe sich fortsetzen. Wieso aber häufen sich bei dieser scheinbar einfachen Technik Fehler – und wie kann man sie vermeiden?

Welche Werkstoffeigenschaften Kunststoffe erreichen, hängt sehr stark vom anschließenden Verarbeitungsverfahren ab. Das ist mit kaum einem anderen Material vergleichbar. Denn die Vorspannkraft entsteht bei Thermoplasten im Wesentlichen durch die Deformation des Kunststoffes – und kaum durch die Längung der Schraube, wie es etwa bei der Metallverschraubung der Fall ist. Es ist daher sinnvoll, sich mit Verarbeitung, Konstruktionsvorgaben und den Eigenschaften des zu verschraubenden Materials zu befassen.

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Grundlegendes zu den Werkstoffeigenschaften

Ebenso lohnt ein Blick auf die Verschraubung selbst. In ihrem Fokus steht einerseits die erreichbare Vorspannkraft beziehungsweise die Klemmkraft, andererseits die Aufrechterhaltung der höchstmöglichen Restklemmkraft, bestenfalls über die gesamte Lebensdauer. Die Schraube darf sich nicht selbst lockern oder schlimmstenfalls gar losdrehen. Die Herstellung der Verbindung an sich ist nach heutigem Stand der Technik unkritisch. Allerdings erfordert das viskoelastische Verhalten thermoplastischer Kunststoffe im Vergleich zur Metallverschraubung ein Umdenken, was die Höhe der zu wählenden Vorspannkraft und die resultierende Restklemmkraft betrifft (Vorspannkraft-Verlust bedingt durch Retardation und Relaxation). „So hoch wie möglich“ kann durchaus mit „kurz oberhalb der Kopfauflage“ gleichgesetzt werden. Die Faustformel „Anziehdrehmoment = Überdrehmoment multipliziert mit 0,7 bis 0,8“ bedeutet in diesem Kontext mindestens, dass die Klemmkraft sehr schnell innerhalb weniger Minuten abfällt.

Die Auslegung der Verbindungsstellen am Bauteil (Einschraubdome) erfolgt in der Regel nach Vorgaben der Schraubenhersteller oder internen Werknormen. Validiert wird vielerorts an einem Prüfkörper oder einem Bauteil der Vorserie. Allerdings unterscheidet sich etwa der Einschraubkanal eines im ungekühlten Aluminiumdruckguss-Werkzeug hergestellten Prototyps deutlich vom Serienteil: in puncto Anbindung, Bindenahtfestigkeit, Fasergehalt und -verteilung. Der Unterschied in puncto Schraubergebnis – Prototyp zu Serienteil – ist naheliegend, die Fehlerbehebung in diesem Fall oft sehr kostenintensiv, wenn das Werkzeug geändert werden muss.

Nichts geht über ein solides Wissen zum Schraubprozess

Als „Todfeind der Verschraubung“ gelten Bindenähte, die sich oft nicht vermeiden lassen. Die Konstruktion muss hier für ausreichende Festigkeit dieser „Sollbruchstelle“ sorgen – etwa durch Wahl des richtigen Anspritzpunktes und die Form des Angusses. Die Fertigungsumgebung ist ebenso wesentlich für die Verbindungsqualität, da etwa mehrstufige Schraubverfahren und niedrige Drehzahlen in Konkurrenz zur Taktzeit stehen. Auch muss im Ablauf überlegt werden, wann die Montage erfolgt: Die Auslegung eines konditionierten hydrophilen Kunststoffes bedarf eines bestimmten Feuchtegrades, um die Dehnung des Domes zu ermöglichen. Die Verschraubung spritzfrischer Bauteile sollte man vermeiden.

Ein einsatzfähiges Bauteil verlangt das richtige Zusammenspiel von Konstruktion, Werkstoffauswahl und geeignetem Herstellverfahren. Daher steht die Verbindungstechnik von Kunststoffen in enger Beziehung zur gesamten Produktentwicklung. Und die Vorgaben müssen natürlich auch umsetzbar sein: Schraubstellen sollen einfach zugänglich sein, um die Schraubqualität nicht zu gefährden. Schraubengewinde zur Kunststoffdirektverschraubung sind in der Regel so geformt, dass genügend Kunststoff im gefurchten Mutterngewinde verbleibt, um die entsprechende Verankerungsfestigkeit zu gewährleisten. Drehzahl und Schraubzyklus richten sich nach den thermischen und mechanischen Eigenschaften des Kunststoffes. Die werkstoffgerechte Konstruktion der Bauteile ist Voraussetzung für gleichbleibende Schraubergebnisse an allen Domen des Formteils. Monteure sollen über ein solides Verständnis der Schraubtechnik verfügen und die Werkzeuge beherrschen. Die Schraubanlagen müssen den Mindestanforderungen der Verbindung nach ausgelegt sein.

Werkzeugauslegung und Arbeitsplatzgestaltung

Prozesssicheres Verschrauben ist grundsätzlich an die Reproduzierbarkeit der Schraubergebnisse und die Präzision der Schrauber gekoppelt. Dies setzt eine geeignete Wahl des Werkzeuges und des Montageplatzes voraus.

Die Auswahl der Schraubanlage richtet sich vor allem nach den Anforderungen der Verbindung. Jeder Schraubfall sollte einer Gefährdungsbeurteilung nach eingeteilt werden, beispielsweise durch eine Schraubfallklassifizierung nach VDI/VDE 2862 in die Klassen A, B oder C (A = sicherheitskritisch, B = funktionskritisch, C = unkritisch). Zur Entscheidungsfindung ist die Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEA) hilfreich. Zu unterscheiden ist zusätzlich, ob manuell oder gar vollautomatisiert verschraubt wird.

Bei der Direktverschraubung werden die thermischen Eigenschaften thermoplastischer Kunststoffe genutzt, um das Mutterngewinde spannungsarm und rissfrei auszuformen. Die Handverschraubung ist hierfür zu wenig kontinuierlich, die Drehzahl zu niedrig. Je nach Schraubfallklasse und Anziehstrategie müssen die Werkzeuge in der Lage sein, Kontroll- und/oder Steuergrößen direkt oder indirekt zu messen. Je höher die Schraubfallklasse und der Automatisierungsgrad, desto höher sind auch die Anforderungen an das eingesetzte Werkzeug und die Dokumentationsfähigkeit.

Nach DSV RL 2241-1, der Richtlinie zur Direktverschraubung von Formteilen aus Kunststoffen, soll das Anziehdrehmoment aus niedriger Drehzahl angefahren werden, um ein Überschießen zu vermeiden. Infolge der niedrigen Festigkeit und der Temperaturempfindlichkeit vieler Kunststoffe spielen die Abschaltgenauigkeit und die Größe des Werkzeuges zusätzlich eine große Rolle.

Dabei darf der Werker nicht unberücksichtigt bleiben. Der Arbeitgeber muss grundsätzlich eine Gefährdungsbeurteilung der Arbeitsplätze durchführen.

Bei Handarbeitsplätzen heißt das automatisch, dass die eingesetzten Werkzeuge hinsichtlich ihres Gefährdungspotenzials für die Gesundheit der Mitarbeiter beurteilt werden. Den Werkern muss einerseits die Werkzeugtechnik vertraut sein, andererseits müssen die Arbeitsplätze nach ergonomischen Gesichtspunkten betrachtet werden: Hohe Reaktionsmomente bei handgehaltenen Schraubern etwa sind durch geeignete mechanische Hilfsmittel so abzufangen, dass die Gesundheit des Werkers langfristig nicht gefährdet wird. Dabei werden die Höhe des Drehmoments und die Werkzeugform einbezogen. Nach DIN EN ISO 11148-6 beispielsweise liegt der absolut einmalige Grenzwert für handgehaltene, nicht elektrisch betriebene Schraubwerkzeuge in gerader Bauform bei 4 Nm. Die Dauerbelastung soll 3 Nm nicht überschreiten. Das hört sich zunächst gering an, doch ist zu bedenken, dass Monteure auch acht Stunden so arbeiten müssen. Ein sicherer Arbeitsplatz ist also an die Verbindungsqualität und bei Handarbeitsplätzen auch stets an die Vorgaben zur Mitarbeitergesundheit gebunden.

Die Zahl der Veröffentlichungen lässt vermuten, dass die Direktverschraubung von Kunststoffen hinreichend erforscht ist. Doch die Anforderungen an die Schraubtechnik wachsen weiter, das Potenzial der Leichtbauweise wird vermehrt ausgeschöpft, duromere Werkstoffe erleben eine Renaissance. Die Entwicklung im Bereich der Kunststoff-Direktverschraubung ist noch nicht ausgereizt. So wird derzeit etwa der Vorspannkraft-Verlust beim Verschrauben von Duroplasten genauer untersucht. Ein weiteres Hochschulprojekt befasst sich mit Langzeituntersuchungen thermoplastischer Werkstoffe und der Analyse bestehender Vorgaben. Aber auch die Kombination unterschiedlicher Verbindungssysteme (Schraube und eine Art Blindnietmutter aus Kunststoff) steht im Fokus einer Forschungseinrichtung. In einer Konstruktionsempfehlung eines führenden Polymerwerkstoff-Herstellers werden unter Einbeziehung des Schraubendurchmessers keine Drehzahlen beschrieben, sondern die Umfangsgeschwindigkeit zwischen 2 und 6 m/s gefordert. Das wirkt mit Blick auf die übliche Empfehlung (Drehzahl = 500 min-1) – ohne Berücksichtigung des Schraubendurchmessers – plausibel und ruft nach einer Parameterstudie.

Rechtzeitig die Schraubexperten fragen

Die Kunststoff-Direktverschraubung ist ein gängiges Verfahren zum adaptiven Verbinden von Formteilen aus Kunststoff. Der zu klemmende Fügepartner darf auch ein anderer Werkstoff sein. Die praktische Erfahrung zeigt jedoch, dass dieser Technik nicht immer die notwendige Aufmerksamkeit zukommt. Konstruktion und Entwicklung stehen sicherlich anderen Herausforderungen gegenüber und nicht jedes Unternehmen kann sich eigene Schraubexperten leisten. Dennoch lohnt ein Blick auf den gesamten Prozess und über die VDI 2230 hinaus. Dabei ist es nicht zwingend nötig, jedes Detail der Schraubtechnik zu kennen. Wichtig ist „lediglich“, die internen und/oder externen Schraubexperten zu kennen und sie rechtzeitig in die Entwicklung einzubeziehen. MM

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