Kunststoffe direkt schrauben – aber richtig

Vor allem in den letzten Jahren hat sich das Verschrauben von Kunststoffen gut etabliert. Ein Argument gegenüber dem Schweißen oder Kleben: Die Verbindungen lassen sich mehrfach lösen und wieder herstellen. Darüber hinaus ist ihre Betätigung für das Montieren als auch für das demontieren klar definiert – im Gegensatz beispielsweise zu Schnappverbindungen. Um diese zu lösen und zerstörungsfrei zu demontieren, muss man oft erst die Konstruktion analysieren. Außerdem verursachen Schraubverbindungen nur geringe Investitionen.

Ergänzend zu Gewindeeinsätzen weisen gewindeformende Schrauben laut Experten momentan das stärkste Wachstum auf. Vorteil: Es ist kein zusätzliches Element als Verschraubungspartner notwendig. Gleichzeitig entfällt somit ein Fertigungsschritt. Damit ein Gewinde entsteht, wird die Schraube in den Tubus eingedreht, wobei deren Flanken das Kunststoffmaterial verdrängen, das sich dazwischen anlagert. Im vergleich zu Metallen existiert in der Kunststoffwelt jedoch eine ungleich höhere Anzahl von Werkstofftypen. Hinzu kommt, dass diese Kunststoffe häufig Faserverstärkungen enthalten, um bessere mechanische Werte zu erzielen. Jedes Material zeigt dabei andere Eigenschaften hinsichtlich Reibung, Gleiten und Fließverhalten. Diese wirken sich unmittelbar auf die Schraubverbindung aus. Generell gilt, dass nur eine große Überdeckung von Flanke und Kunststoff sichere Verbindungen ermöglicht.

Beim Auslegen der Verbindung ist ein höherer Vorspannkraftverlust als bei Metallen zu berücksichtigen. Dies liegt an dem materialbedingten Kriech- und Relaxationsverhalten der Polymere. Es lässt sich zwar durch belastungsarme Konstruktionen optimieren aber nicht verhindern.

Ein optimal ausgelegter Tubus bestimmt also maßgeblich die Qualität der Kunststoffverschraubung. Problem: Allgemeine Empfehlungen in Handbüchern beziehen sich lediglich auf Metalle und bieten bei Kunststoffen nur grobe Anhaltspunkte für eine Vorauslegung. Auch die Software-Programme von Rohstoffherstellern berücksichtigen zumeist nur Standardformeln und lassen sich nicht universell anwenden.

Spezielle Kunststoffschrauben nutzen

Um höherfeste Verbindungen bei der Direktverschraubung zu erzeugen, ist typischerweise der Einsatz spezieller Schrauben erforderlich. So bietet Arnold Umformtechnik die Remform-Schrauben an, die optimale Gewindeüberdeckung und damit mechanisch hoch belastbare Verbindungen bieten soll. Da die ertragbaren mechanischen Lasten über Versuche ermittelt werden müssen, profitiert der Anwender von einem großen Messwertfundus des Herstellers, basierend auf zahlreichen Anwendungen.

Dank der asymmetrischen Gewindegeometrie werden die beim Einschrauben entstehenden Kräfte in die vorgesehene Richtung gelenkt. Ziel ist es, ein möglichst vollständig tragendes Gewinde auf der gesamten Länge des Schraubenschafts zu erreichen. Der Kunststoff soll sich nach der Relaxationsphase so tief wie möglich zwischen den Gewindegängen befinden. Um den Materialfluss zu verbessern, erhielt die vom Schraubenkopf abgewandte Gewindeflanke einen Radius. Dadurch gelangt das Polymer nahe an den Kerndurchmesser. Die dem Schraubenkopf zugewandte steilere Seite der Gewindeflanke fängt den in axialer Richtung verdrängten Kunststoff ab. Die steile tragende Flanke der asymmetrischen Gewindeform gewährleistet hohe Ausreißkräfte und hohe Überdrehmomente (Drehmoment bei dem der Kunststoff ausschert).

Gewindegeometrie sorgt für effektive Materialverlagerung

Ein weiterer Effekt, den diese Gewindegeometrie hervorruft, sind kleine Radialspannungen bei der Gewindeformung. Das ermöglicht laut Anbieter eine reduzierte Wanddicke des Tubus. Ein interessanter Punkt, denn das senkt die Kosten bei den eingesetzten Rohstoffen und ermöglicht engere Bauweisen. Vor allem aber lassen sich mitunter die Zykluszeiten – und damit die Kosten – aufgrund kürzerer Abkühlphasen verringern.

Die Gewindeform bewirkt ein niedriges Form-Moment, welches das Material wirkungsvoll verlagert. Die Schraube mit ihrer hohen Torsionsfestigkeit zeigt ein hohes Überdrehmoment, das sich dort bewährt, wo Schrauben durch hohe Torsionsbelastung der Gefahr des Brechens ausgesetzt sind. Um Versagen durch Ausschälen des Muttergewindes zu verhindern, sorgt die steile tragende Flanke dafür, dass die größeren Kraftanteile in axiale Richtung geleitet wird, was entsprechende Vorspannkräfte generiert. Der optimierte Materialfluss des Kunststoffes soll eine hohe Differenz zwischen Form-Moment und Überdrehmoment bewirken. Dies führe bei einer automatisierten Schraubmontage zu hoher Prozesssicherheit. Das Anziehmoment kann sich in einem großen Spielraum zwischen beiden Werten bewegen. Dies stelle sicher, dass alle Maschinenelemente voll angezogen sind und die Gefahr ausgeschälter Gewindegänge ausgeschlossen ist. Die Radiusflanke in Verbindung mit der steilen Lastflanke reduziere die Radialspannungen, indem sie die Radialkräfte während des Gewindeformens und des Anziehens der Schraube minimiert. Die steile tragende Flanke übertrage die meisten der resultierenden Kräfte, die beim Anziehen entstehen.

Neben der Schraube selbst existieren weitere Einflussfaktoren auf die Prozesssicherheit. Beim Einsatz gewindeformender Schrauben in Kunststoff sind unter anderem folgende Parameter und Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen:

– Festigkeit vom Werkstoff (Werkzeuggeometrie, Anspritzpunkte, …)

– Kernlochdurchmessertoleranzen

– Konditionierungszustand des Kunststoffs (Feuchtigkeitsanteil)

– Schraubendurchmessertoleranzen

– Reibungskoeffizient der Schraube

– Werker- und Montageeinflüsse wie Drehzahlen, Temperaturen und andere

Für die jeweiligen Werkstoffe bietet Arnold Umformtechnik entsprechende Einbauempfehlungen. Exakte Werte zu den benötigten Einbaufaktoren lassen sich jedoch nur durch hinreichende Versuche mit den betreffenden Kundenbauteilen festlegen.

Direktverschraubung – Vorteile sicher nutzen

Für Verbindungen mit gewindeformenden Schrauben kommen meist spezielle Maschinenelemente zum Einsatz. Damit optimale Eigenschaften entstehen, werden überwiegend Schrauben mit optimierter Gewindegeometrie verwendet. Da die verschiedenen Kunststoffe in Abhängigkeit vom Kundenbauteil hinsichtlich der Einschraubeigenschaften eine sehr große Toleranz aufweisen, bedarf es zur optimalen Auslegung einer Schraubverbindung nach einer Vorauslegung des Bauteils weitere Versuche am Kundenbauteil.

Asymmetrische Gewindeflanken erzielen besonders hohe Überdrehmomente bei kleinen Einschraubdrehmomenten. Optimierter Materialfluss sichert hohe Auszugskräfte. Die Mindestbruchdrehmomente erhöhen sich, so der Anbieter, gegenüber herkömmlichen 30 Grad-Flanken-Schrauben um rund 30 Prozent. Darüber hinaus ergebe sich eine höhere Sicherheit bei dynamischen Beanspruchungen.