Maintal, Mai 2018. Dieser Beitrag soll am Beispiel der Kunststoffdirektverschraubung dafür sensibilisieren, den Blick auf das Gesamtsystem „Verbinden von Kunststoffen“ zu schärfen. Dafür betrachtet er den gesamten Prozess näher – von der Herstellung und Verarbeitung von Kunststoffen und deren Werkstoffeigenschaften über den Einfluss der Schraube und die Wahl der richtigen Schraubstrategie bis zur Montage (samt Werker und Werkzeug).
Die Kunststoffdirektverschraubung hat sich im Bereich der mechanischen Verbindungstechnik bewährt und wird seit mehr als 30 Jahren erfolgreich eingesetzt. Mittlerweile gibt es eine nahezu unüberschaubare Anzahl an Veröffentlichungen, Richtlinien und Schriften unterschiedlicher Organisationen zu diesem Thema. 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 x d, viel zu hohe Anziehdrehmomente und zerberstende Einschraubdome. Ebenso treffen wir auf Drehzahlvorschriften, die den eingesetzten Werkstoff außer Acht lassen, sowie auf unzugängliche Schraubstellen. Es werden falsche Erwartungen in die Höhe und Haltbarkeit der Vorspann- und Restklemmkraft gesetzt, Arbeitsplätze sind schlecht eingerichtet, und Bauteile versagen unter Lastangriff. Diese Reihe ließe sich fortsetzen. Daher fragt man sich, weshalb sich bei dieser scheinbar einfachen Technik Fehler häufen und wie man dem begegnen kann.
Besondere Eigenschaften von Kunststoffen
Welche Werkstoffeigenschaften Kunststoffe erreichen, hängt extrem vom anschließenden Verarbeitungsverfahren ab. Das ist mit kaum einem anderen Material vergleichbar. Im Vergleich zur Metallverschraubung entsteht die Vorspannkraft bei Thermoplasten im Wesentlichen nicht durch die Längung der Schraube, sondern durch die Deformation des Kunststoffes. Das bedeutet: Es ist sinnvoll, sich mit Verarbeitung, Konstruktionsvorgaben und den Eigenschaften des zu verschraubenden Materials anzufreunden.
Elastomere werden in diesem Beitrag nicht behandelt, Duroplaste nur am Rande. Nachdem die Verschraubung an sich ebenfalls zu den Verarbeitungsverfahren von Kunststoffen zählt, lohnt auch der Blick auf die Auswahl des Montageverfahrens.
Einflüsse auf den Wunschparameter Vorspannkraft
Im Fokus der Verschraubung steht einerseits die erreichbare Vorspannkraft beziehungsweise die Klemmkraft, andererseits die Aufrechterhaltung der höchstmöglichen Restklemmkraft, bestenfalls über die gesamte Lebensdauer. Das impliziert natürlich, dass sich die Schraube nach Möglichkeit nicht selbst lockert und schlimmstenfalls losdreht. Die Herstellung der Verbindung an sich ist nach heutigem Stand der Technik unkritisch. Dennoch gilt zu beachten, dass die Montage allein nicht der maßgebende Faktor ist. Nachfolgend einige Beispiele unterschiedlicher Einflüsse auf die Zielgröße Vorspannkraft: Das viskoelastische Verhalten thermoplastischer Kunststoffe erfordert im Vergleich zur Metallverschraubung ein Umdenken, was die Höhe der zu wählenden Vorspannkraft und die resultierende Restklemmkraft betrifft (Vorspannkraftverlust bedingt durch Retardation und Relaxation). „So hoch wie möglich“ kann durchaus mit „kurz oberhalb der Kopfauflage“ gleichgesetzt werden. Die Faustformel „Anziehdrehmoment = Überdrehmoment multipliziert mit 0,7/0,8“ bedeutet in diesem Kontext gegebenenfalls ein sehr schnelles Versagen der Verbindung, mindestens jedoch, dass die Klemmkraft sehr schnell innerhalb weniger Minuten abfällt.
Die Auslegung der Verbindungsstellen am Bauteil (Einschraubdome) erfolgt in der Regel nach Vorgaben der Schraubenhersteller, internen Werknormen oder den bereits angesprochenen Schriftsätzen. Validiert wird vielerorts an einem Prüfkörper oder einem Bauteil der Vorserie. Wie bereits erwähnt, haben unterschiedliche Verarbeitungsverfahren immensen Einfluss auf die erzielbaren Werkstoffeigenschaften. So unterscheidet sich beispielsweise der Einschraubkanal eines im ungekühlten Aluminiumdruckguss-Werkzeug hergestellten Prototyps deutlich vom Serienteil: in puncto Anbindung, Bindenahtfestigkeit, Fasergehalt und -verteilung. Der Unterschied im Schraubergebnis – Prototyp zu Serienteil – ist naheliegend, die Fehlerbehebung in diesem Fall oftmals sehr kostenintensiv, wenn das Werkzeug geändert werden muss.
Stichwort „Bindenaht“ – Todfeind der Verschraubung: Bindenähte lassen sich nicht vermeiden, möchte man die Konstruktionsvielfalt und -freiheit der Kunststoffe vollständig nutzen. Die Konstruktion muss dann für ausreichende Festigkeit dieser „Sollbruchstelle“ sorgen. Das beginnt bereits bei der Wahl des richtigen Anspritzpunktes und der Form des Angusses. Einen wesentlichen Einfluss auf die Verbindung hat die Fertigungsumgebung. In Konkurrenz zur Taktzeit stehen beispielsweise niedrige Drehzahlen und mehrstufige Schraubverfahren.
Weiterhin muss im Fertigungsablauf deutlich unterschieden werden, an welcher Stelle die Montage platziert wird: Die Auslegung eines konditionierten hydrophilen Kunststoffes setzt einen bestimmten Feuchtegrad voraus, um die Dehnung des Domes zu ermöglichen. Eine spritzfrische Verschraubung sollte in diesem Fall ausgeschlossen werden.
Perfektes Zusammenspiel von Werker, Schraube, Bauteil und Schraubwerkzeug
Ein erfolgreiches Bauteil entsteht aus dem richtigen Zusammenspiel von durchdachter Konstruktion, sorgfältiger Werkstoffauswahl und geeignetem Herstellverfahren. Daher steht die Verbindungstechnik von Kunststoffen in enger Beziehung zur gesamten Produktentwicklung. Alle notwendigen Prozessschritte müssen bereits in der Entwurfsphase auf die Werkstoffeigenschaften, die Formgebung und die Montage abgestimmt werden. Im Bereich der Formgebung und Montage müssen die Konstruktionsvorgaben allerdings auch umgesetzt werden können.
Schraubstellen sollen einfach zugänglich sein, Werker keine unnötigen Bewegungsabläufe ausführen müssen – denn das kann zur Demotivation der Mitarbeiter und somit zu schlechteren Schraubergebnissen führen. Schraubengewinde zur Kunststoffdirektverschraubung sind in der Regel so geformt, dass genügend Kunststoff im gefurchten Mutterngewinde verbleibt, um die entsprechende Verankerungsfestigkeit zu gewährleisten. Die Einstellung der Drehzahl und des Schraubzyklus ist hierbei mindestens auf die thermischen und mechanischen Eigenschaften des gewählten Kunststoffes abgestimmt. Bauteile sollen werkstoffgerecht konstruiert sein, um gleichbleibende Schraubergebnisse an allen Domen des Formteils zu gewährleisten. Monteure sollen über ein solides Verständnis der Schraubtechnik verfügen und die Werkzeuge beherrschen. Die Schraubanlagen müssen den Mindestanforderungen der Verbindung nach ausgelegt sein.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das erfolgreiche Verbinden von Kunststoffen ein solides Grundverständnis aller am Prozess beteiligten Schritte voraussetzt. Die Einzelbetrachtung von beispielsweise nur einer Schraube oder der Schraubanlage führt nicht immer zum gewünschten Ergebnis.
Sicher verschrauben: Werkzeugauswahl 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 in erster Linie nach den Anforderungen der Verbindung. Sprich: Unter Berücksichtigung der Frage „Was passiert, wenn die Schraubverbindung versagt?“ sollte jeder Schraubfall 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) ein hilfreiches Werkzeug. Zu unterscheiden ist zusätzlich nach dem Grad der Automatisierung – vom manuellen Anzug bis hin zur vollautomatisierten Mehrspindelanlage.
Bei der Direktverschraubung werden die thermischen Eigenschaften thermoplastischer Kunststoffe genutzt, um das Mutterngewinde spannungsarm und rissfrei auszuformen. Von der Handverschraubung ist hier abzuraten, weil diese nicht kontinuierlich und mit viel zu niedriger Drehzahl erfolgt. Je nach Schraubfallklasse und Anzugform 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 (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 gewählten Werkzeuges zusätzlich eine große Rolle.
In diesem Zusammenhang darf der Werker nicht unberücksichtigt bleiben. Der Arbeitgeber muss grundsätzlich eine Gefährdungsbeurteilung der Arbeitsplätze durchführen. Bei Handarbeitsplätzen bedeutet das automatisch auch, dass die eingesetzten Werkzeuge hinsichtlich ihres Gefährdungspotenzials für die Gesundheit der Mitarbeiter beurteilt werden. Die Werker müssen einerseits in die Werkzeugtechnik unterwiesen sein, außerdem müssen Arbeitsplätze immer nach ergonomischen Gesichtspunkten betrachtet werden. So sind beispielsweise hohe Reaktionsmomente bei handgehaltenen Schraubern durch geeignete mechanische Hilfsmittel so abzufangen, dass die Gesundheit des Werkers langfristig nicht gefährdet wird. Dabei werden die Höhe des Drehmoments und die Werkzeugform in die Betrachtung einbezogen: Nach DIN EN ISO 11148-6 beispielsweise liegt der absolut einmalige Grenzwert für handgehaltene, nicht elektrisch betriebene Schraubwerkzeuge in gerader Bauform bei vier Newtonmetern. Die Dauerbelastung soll drei Newtonmeter nicht überschreiten. Drei Newtonmeter hören sich erst einmal nicht nach einer hohen Belastung für den einzelnen Mitarbeiter an. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass Monteure teilweise acht Stunden täglich verschrauben und gegebenenfalls noch komplexe Bewegungsabläufe ausführen müssen, um die Schraubstelle zu erreichen. Ein sicherer Arbeitsplatz ist somit an die Anforderungen der Verbindung und – bei Handarbeitsplätzen – immer an die Voraussetzung der Mitarbeitergesundheit gebunden.
Aktuelles aus Forschung und Entwicklung
Zahlreiche Veröffentlichungen und Dissertationen lassen 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 sogenannte Renaissance und es werden veraltete, immer noch gängige Schriften genutzt.
Die Entwicklung im Bereich der Kunststoffdirektverschraubung ist noch nicht ausgereizt. So wird derzeit beispielsweise der Vorspannkraftverlust 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 Polymer-Werkstoffherstellers werden unter Einbeziehung des Schraubendurchmessers keine Drehzahlen beschrieben, sondern die Umfangsgeschwindigkeit zwischen 2 und 6 m/s gefordert. Das erscheint hinsichtlich der üblichen Empfehlung, die bei 500 min-1 liegt, ohne Berücksichtigung des Schraubendurchmessers plausibel. Dies ließe sich im Rahmen einer Parameterstudie prüfen.
Fazit: Schraubexperten rechtzeitig in die Entwicklung einbeziehen
Die Kunststoffdirektverschraubung ist ein gängiges Verfahren zum adaptiven Verbinden von Formteilen aus Kunststoff. Der zu klemmende Fügepartner darf selbstverständlich auch ein anderer Werkstoff sein. Die praktische Erfahrung zeigt jedoch, dass dieser Technik nicht immer die notwendige Aufmerksamkeit gewidmet wird. Konstruktion und Entwicklung stehen sicherlich anderen Herausforderungen gegenüber, und nicht jedes Unternehmen kann eigene Schraubexperten unterhalten. 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.
Bilder und Bildunterschriften:
Bei der Montage von Kunststoffteilen ist Vorsicht geboten. Oft erfordern sie – wie hier bei der Kombination mit einem Aluminiumdruckguss-Bauteil – eine ausgeklügelte Schraubstrategie, um Ausschuss zu vermeiden. Eine Programmierung nach dem KoALa-Verfahren löste in diesem Fall die Herausforderung. (Bild: Desoutter)
Worst Case: Wenn die Abschaltgenauigkeit nicht stimmt und die Schraube zu fest angezogen wird, können schlimmstenfalls Klemmteil und Mutternbauteil zerstört werden. Eine einfache Nacharbeit ist dann auch nicht mehr möglich. (Bild: Desoutter)
Versuchsaufbau: Verschraubungen in Kunststoff bekommen Anwender mit dem KoALa-Verfahren von Desoutter gut in den Griff. (Bild: Desoutter)
So funktioniert eine Direktverschraubung: Das Drehmoment (blau) steigt bis zur Kopfauflage der Schraube stetig an, während die Klemmkraft (grün) erst spät, dafür sehr plötzlich zunimmt. Die Zeitspanne bis zum Überdrehen (M0) ist anschließend sehr kurz, so dass die Parameter gut kontrolliert werden müssen. (Quelle: Arnold Umformtechnik GmbH. Direktverschrauben von Kunststoffen, REMFORM®-Produkthinweise, Forchtenberg 2005)
Presseinfo als PDF: Kunststoffe erfolgreich verbinden
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