Worum dreht sich die aktuelle Diskussion beim Thema „Schraubverbindung“? Dieser Frage widmete sich das 5. Norddeutsche Kolloquium Schrauben-Verbindungen in diesem Frühjahr an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) in Hamburg.
Im Fokus der Veranstaltung standen die Direktverschraubung leichter Werkstoffe, die Vorspannkraft unter extremen Betriebsbedingungen sowie Verschraubungen im Stromfluss. Ende November beginnt an der HAW Hamburg zudem eine Schulungsreihe zu Schraubenverbindungen.
„Die Auslegung einer Schraubverbindung verlangt heute vom Konstrukteur einen Spagat zwischen Gewicht, Funktion und Kosten“, begann Professor Dr. Andreas Meyer-Eschenbach seinen Vortrag auf der Fachtagung. In der Folge zeigte er einige Möglichkeiten auf, wie sich das Gewicht und damit die Herstellungskosten eines Produktes möglichst gering halten lassen. Als Ansatzpunkte für eine leichtere Bauweise identifizierte der Professor für Konstruktion an der HAW Hamburg und Initiator der Veranstaltung das Thema Reibung bei metrischen Schrauben, den Kerndurchmesser bei Direktverschraubungen in Leichtmetallen sowie den Einfluss der Relaxation bei Direktverschraubungen in Kunststoff.
Zu allen drei Aspekten werde derzeit an der HAW geforscht, so Meyer-Eschenbach. Dies habe bereits zu interessanten Erkenntnissen geführt, allerdings auch neue Fragen aufgeworfen. So könne durch eine verringerte Reibung mit kleineren Schrauben gearbeitet werden. Allerdings werde dadurch auf der anderen Seite die Montage sensibler und das Risiko des Losdrehens größer, gab Meyer-Eschenbach zu bedenken. Bei der Direktverschraubung in Leichtmetall sei die Wahl des Kerndurchmessers ausschlaggebend für die Gewindeabdeckung und das Eindrehmoment. Ein sensibler Bereich, so Meyer-Eschenbach, befinde sich dort, wo das Eindrehmoment rapide abfalle. In den nächsten Jahren habe man zu diesem Thema eine Vielzahl von Versuchen geplant.
Ebenso zum dritten Thema, der Direktverschraubung in Kunststoffen, die praktisch einem Umformprozess entspricht. „Das Gewinde muss neu geformt werden. Die Reibung steigt, je weiter die Schraube eingedreht ist“, erklärte der Professor. Bei den aktuellen Versuchen gehe es unter anderem um das Anziehen der Schraube bis hin zum Versagen der Verbindung. Zur Aufnahme des Momentenverlaufs über dem Drehmoment setzt das Institut unter anderem einen Versuchsstand mit Schraubtechnik von Desoutter ein. Der Messstand ist mit einer Steuerung und Stabschraubern von Desoutter ausgerüstet. Hier können unter anderem Messreihen mit definierter Drehzahl, Drehwinkel und Vorspannkraft gefahren werden.
Relaxation hat großen Einfluss auf Verschraubung
Als wichtige Einflussgrößen auf die Güte einer Kunststoff-Direktverschraubung nannte Meyer- Eschenbach die gewählte Drehzahl während der Montage, das Nachziehen der Schraube sowie das Thema Relaxation. „Bereits nach zwei Sekunden ist die Vorspannkraft um 21 Prozent abgefallen“, berichtete Meyer-Eschenbach. Man habe dann Versuchsreihen mit und ohne Nachziehen nach 30 Sekunden gefahren. Bei ersteren waren nach neun Tagen noch 44,4 Prozent der Vorspannkraft vorhanden, ohne Nachziehen nur 34,4 Prozent. „Die Relaxation hat großen Einfluss“, schloss Meyer-Eschenbach. „Bislang haben wir die Versuche nur bei Raumtemperatur gefahren. Hier sind weitere Forschungsarbeiten zum Temperatureinfluss nötig.“ Darüber hinaus bedürfe es der Forschung, mit welchen Ansätzen sich Verbindungen optimieren ließen und welche Bedeutung oder Vorteile das Nachziehen tatsächlich habe.
Kunststoffverschraubung erfordert ganzheitlichen Ansatz
Nach diesen Details setzte sich Sebastian Schlegel, Technischer Berater für Verbindungstechnik in Waldbrunn, in seinem Referat zunächst mit dem Werkstoff Kunststoff auseinander und lieferte darauf aufbauend Empfehlungen für dessen Verarbeitung und Montage. Schlegel hob hervor, dass aufgrund der besonderen Materialeigenschaften immer ein ganzheitlicher Blick auf das jeweilige Werkstück notwendig sei und das sichere Verbinden von Kunststoffen ein solides Grundverständnis aller am Prozess beteiligten Schritte voraussetze. „Ein erfolgreiches Bauteil entsteht aus dem richtigen Zusammenspiel von durchdachter Konstruktion, sorgfältiger Werkstoffauswahl und geeignetem Herstellverfahren“, erläuterte Schlegel, der auch Repräsentant der Conti Fasteners AG ist. „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.“ Da es bei Kunststoffdirektverschraubungen in der Regel keine Standardlösung gebe, sei es zudem besonders wichtig, interne oder externe Experten rechtzeitig ins Boot zu holen. Besonderes Augenmerk, so Schlegel, müsse auf der werkstoffgerechten Konstruktion liegen, um gleichbleibende Schraubergebnisse an allen Domen des Formteils zu gewährleisten. Arbeite man beispielsweise mit faserverstärkten Kunststoffen, müsse der Konstrukteur sicherstellen, dass die Fasern beim Spritzgussprozess optimal verteilt werden und auch in den Tuben enthalten sind. Dies lasse sich durch eine Materialverteilung über mehrere Anspritzpunkte statt eines einzelnen realisieren. Ferner müsse bei der Montage von Kunststoffbauteilen berücksichtigt werden, dass sich die Materialeigenschaften in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit sowie alterungsbedingt verändern können. „In der Praxis wird häufig ein günstigerer Werkstoff ausgewählt als der, für den das Werkzeug ausgelegt ist“, benannte Schlegel ein weiteres Problem und betonte, dass sich die Werkzeugauswahl unbedingt nach dem Material richten sollte. Ferner sollte der Monteur über ein solides Verständnis der Schraubtechnik verfügen und die Werkzeuge beherrschen. Eventueller Schulungsbedarf müsse erkannt werden. „Bei der Direktverschraubung werden die thermischen Eigenschaften thermoplastischer Kunststoffe genutzt, um das Muttergewinde spannungsarm und rissfrei auszuformen“, erklärte Schlegel. „Von der Handverschraubung ist hier abzuraten, weil diese nicht kontinuierlich und mit viel zu niedriger Drehzahl erfolgt.“ Je nach Schraubfallklasse und Anzugform müsse das Werkzeug zudem 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“, fasste Schlegel zusammen. Infolge der niedrigen Festigkeit und der Temperaturempfindlichkeit vieler Kunststoffe spiele die Abschaltgenauigkeit und die Größe des gewählten Werkzeuges zusätzlich eine große Rolle.
Verschraubungen in der Automobilindustrie
Zwei weitere Vorträge von namhaften Vertretern aus der Automobilindustrie gewährten Einblicke in die Praxis. Die Referenten befassten sich zum einen mit dem Vergleich elastischer und überelastischer Montageverfahren am konkreten Beispiel einer Zylinderkopfverschraubung. Zum anderen wurden in einem Überblick die zukünftigen Anforderungen an die Schraubverbindung und den Schraubprozess aus Sicht der Automobilindustrie erläutert. Diese setzt einen großen Fokus auf die Themen Standardisierung und Prüfverfahren, da das selbstständige Lösen von Schraubverbindungen der Grund für fast die Hälfte aller Rückrufe von Fahrzeugen im Bereich Verbindungstechnik ist. Auch im Rahmen dieser Vorträge wurde auf den Schulungsbedarf der Ingenieure und Facharbeiter hingewiesen.
Verschraubungen im Stromfluss künftig immer häufiger
Ein Thema, das mit der Einführung von Elektro- und Hybridfahrzeugen an Bedeutung gewinnt, sind Verschraubungen im Stromfluss. Hierzu referierte Moritz Stahl, Leiter des „Fastener Testing Centers“ beim Schraubenhersteller Arnold Umformtechnik. Die Übertragung elektrischer Steuersignale und Ströme, so Stahl, ist nicht nur beim elektrischen Fahren ein Thema, sondern betrifft darüber hinaus auch das autonome Fahren sowie Fahrer-Assistenz-Systeme. Die Reichweite eines E-Fahrzeuges hänge nicht nur von dessen Speicherkapazität ab, sondern auch vom Wirkungsgrad der Stromführung. „Früher bestand der Anspruch an die Schraube, die Leiter zu verbinden“, erklärte Stahl. „Heute soll die Schraube ebenfalls als Leiter fungieren. Das heißt, mechanische Eigenschaften von Schrauben müssen künftig um elektrische ergänzt werden.“ Dabei, so der Schrauben-Spezialist, sei unter anderem zu berücksichtigen, dass die Leitfähigkeit mit steigendem Härtegrad und zunehmender Temperatur sinke. Auf der anderen Seite nehme der Widerstand mit steigender Kontaktkraft ab und nähere sich am Ende einer Konstanten. Als weitere Einflussfaktoren auf die Leitfähigkeit einer Schraubverbindung nannte er den Schraubenwerkstoff und die Beschichtung. „Kupfer wäre für E-Verschraubungen der ideale Werkstoff“, sagte Moritz Stahl. „Die mechanischen Eigenschaften sind jedoch nicht optimal. Aus diesem Grund wird an Legierungen geforscht.“ Entsprechende Projekte seien bereits gestartet oder initiiert. „Eine Problemlösung ist nur bei Zusammenarbeit von Anwender, Schraubenhersteller und Hochschulen möglich“, resümierte Stahl.
Schulungen zu Schraubenverbindungen
Auch die HAW Hamburg ist ein gefragter Partner der Industrie bei der Forschung zu den unterschiedlichsten Fragestellungen im Bereich Schraubverbindungen. An den entsprechenden Prüfständen in den Laborräumen können unter anderem Testreihen zur Vorspannkraft, zur Kopf- und Gewindereibung durchgeführt oder Reibkoeffizienten ermittelt werden. Auch Untersuchungen und Langzeituntersuchungen unter Industriebedingungen gehören zu den Kompetenzen des Instituts für Konstruktion und Produktentwicklung der HAW Hamburg. Zur Unterstützung der Ingenieure in der Industrie bietet das Institut für Konstruktion und Produktentwicklung ab dem 30. November beginnend Schulungen zu Schraubenverbindungen an.
