Innovative Verbindungselemente für Hochleistungskunststoffe
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Fachbericht 03.2021
www.arnold-fastening.com
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Innovative Verbindungselemente
für Hochleistungskunststoffe
Gewichtsoptimierung durch Kunststoffdirektverschraubungen
Bild 1: Überall dort, wo Leichtbau,
hohe Kräfte und Kostenoptimierung
aufeinandertreffen, findet man Bei Kunststoffverschraubungen gibt es eine Vielzahl verschiedener
Kunststoffdirektverschraubungen.
Sei es in Leiterplatten, wo der Einflussfaktoren, die Einfluss auf die Verbindung haben. Die
Bauraum stark begrenzt und der
Einsatz von Inserts nicht möglich ist
Herausforderung ist es, eine Schraubengeometrie zu finden,
oder in hochbelasteten Bauteilen wie welche zum einen negative Aspekte wie Toleranzschwankungen
Außenspiegeln, Pumpen, Ventilen
oder Ölfiltern. ausgleicht. Zum anderen ist es wichtig, dass die Verbindungs
(Bild: shutterstock-ID:
40618312 | © terekhov igor) lösung optimal an die G egebenheiten des Werkstoffs und an die
Belastungsart angepasst ist.
Die Festigkeit des Werkstoffs, der Kunststoffdirektverschraubungen geht.
Konditionierungszustand des Kunst- Um herauszufinden, ob eine b estimmte
stoffs, Faserverläufe und die Art Schraubgeometrie überhaupt für
der Faser, das viskoelastische Ver- den jeweiligen Anwendungsfall ge
formungsverhalten, Bauteil- oder eignet ist, ist es zudem wichtig, die
Schraubentoleranzen wie Kernloch- und Qualitätsmerkmale einer Kunststoff
Schraubendurchmesser oder auch die direktverschraubung zu kennen. Quali
Genauigkeit des Schraubsystems – all tätsmerkmale sind: hohes Überdreh
das sind Faktoren, die es zu beachten moment, niedriges Eindrehmoment,
gilt, wenn es um das Realisieren von hohe Vorspannkraft und Auszugskraft.
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„In vielen Kunststoffapplikation kann durch
eine gezielte Auslegung der Verbindungsstelle
die Kunststoffdirektverschraubung
angewendet werden.“
Sinja Strobl, Application Sales Manager,
ARNOLD UMFORMTECHNIK GMBH
„Mit Blick auf eine klassische Schraub-
kurve ist es das Ziel, bei einem mode-
raten Einschraubmoment und einem
möglichst hohen Überdrehmoment
die höchstmögliche Vorspannkraft zu zerstörende Versuche dazu, herauszu- drehmoment der Schraube deutlich.
erreichen. Gleichzeitig ist es wichtig, finden, auf welche Art das Gewinde Dies führt zu einer stabileren Verbin-
für die Sicherheit der Verbindung ein versagt. „Der optimale Versagensfall ist dung der Fügepartner, lässt aber auch
ausreichend großes Deltamoment aufgrund der Reparaturlösung, wenn bei hochfesten Kunststoffen ein höhe-
zwischen Einschrauben und Überdrehen das Muttergewinde überdreht. Natür res Montagedrehmoment zu, ohne das
zu erreichen. Damit wird vermieden, lich kann bei Kunststoffen mit sehr Risiko eines Schraubenbruchs.
dass der Schrauber bei Schwankungen hohem Glasfaseranteil auch ein Bruch
schon vor der Kopfauflage stoppt oder der Schraube eintreten. Im Normalfall Eine weitere Verbesserung zur
das geformte Muttergewinde heraus- ist jedoch bei der Kunststoffdirekt 30°-Flanke stellt das Radiusprofil der
reißt. Über das Deltamoment wird verschraubung immer der Kunststoff Gewindeflanken dar. Da bei der Kunst-
außerdem das optimale Anzugsmoment das schwächere Glied und versagt stoffdirektverschraubung eine ver-
bestimmt“, sagt Sinja Strobl. Sie ist damit als erstes“ erklärt Strobl. „Ein gleichsweise hohe Drehzahl verwendet
Application Sales Manager bei ARNOLD sogenannter Domriss oder Domabriss wird, erwärmt sich das Material beim
UMFORMTECHNIK und für die Aus sollte vermieden werden. Der Grund Verschrauben lokal und wird weich.
legung von Schraubverbindungen und für einen solchen Versagensfall ist Durch das Radiusprofil der Gewinde-
die Multiplikation von Applikationen fast immer die falsche Auslegung des flanke bei der REMFORM-Schraube
verantwortlich sowie für die technische Schraubdoms.“ wird das Fließverhalten des Kunststoffs
Anwendungsberatung in den Bereichen ausgenutzt und mit dem höheren
Kunststoff und Elektrifizierung. Materialvolumen wird der Kunststoff
Gewindeformende Schrauben zur lasttragenden Flanke hin verdrängt,
mit asymmetrischem ohne dass starke Spannungsspitzen
Direktverschraubung von Gewindeprofil entstehen. Dabei hat die steile Last-
Thermoplasten Für die Verbindung von Kunststoff flanke von 12° die Aufgabe, die nötige
Im Serienprozess wird die Vorspann- bauteilen eignen sich Kunststoffdirekt Vorspannkraft bei gleichzeitig hoher
kraft in der Regel nicht überwacht. verschraubungen als prozesssichere Montagesicherheit zu generieren. Die
Deshalb dient das Drehmoment und auch kostenoptimierte Lösung. So aufgebrachte Vorspannkraft muss also
als Hilfsgröße. Im Versuch wird bei bieten die REMFORM-Schrauben von vom Kunststoff gleichmäßig aufge-
ARNOLD UMFORMTECHNIK die Vor- ARNOLD UMFORMTECHNIK – gewinde nommen werden können, ohne einen
spannkraft durch die Zuschaltung einer formende Schrauben mit asymmetri- Dombruch aufgrund zu hoher Radial-
Messdose ermittelt. So kann jedem schem Gewindeprofil – im Vergleich zu spannungen zu riskieren.
aufgezeichneten Drehmoment eine herkömmlichen Kunststoffschrauben
bestimmte Kraft zugeordnet werden. mit einer 30°-Flanke einige Vorteile: Beim Eindrehen wird der Kunststoff
Ein bewertbares Qualitätsmerkmal ist Der optimierte Gewindekern erhöht die durch den Wärmeeintrag umformbar.
auch der Versagensfall. Hier dienen Schwingfestigkeit und auch das Bruch- Damit die auftretenden Spannungen
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Bild 2: Der optimierte Gewindekern der Bild 3: Für besonders anspruchsvolle Anwen
REMFORM-Schrauben erhöht die Schwing dungen fertigt ARNOLD UMFORMTECHNIK die
festigkeit und das Bruchdrehmoment der REMFORM II HS. Diese wird eingesetzt, wenn
Schraube, was zu einer stabileren Verbindung hoch belastbare Verschraubungen, eine hohe
der Fügepartner führt. Vorspannkraft und eine hohe Lösesicherheit
(Bild: ARNOLD UMFORMTECHNIK) gefordert sind, so beispielsweise bei härteren,
faserverstärkten Kunststoffen.
(Bild: ARNOLD UMFORMTECHNIK)
klein gehalten werden, muss dem des Mutternwerkstoffes erlaubt zudem stoffverschraubungen mittels Hülse,
Flankenwinkel besondere Aufmerk- höhere Vorspannkräfte und eine Schraube und Mutter lässt sich durch
samkeit geschenkt werden. „Die langlebige Verbindung bei maximaler die einseitige Zugänglichkeit bei Kunst-
vergleichsweise flache Neigung der Restvorspannkraft. Um diesen hohen stoffdirektverschraubungen zudem
lasttragenden Flanke ermöglicht eine Anforderungen bei Kunststoffdirekt nicht nur die Komplexität der Bauteile
steilere Orientierung des Kraftvektors verschraubungen gerecht werden reduzieren, sondern auch die Anzahl an
in axialer Richtung. Dadurch wird der zu können, wird ein Werkstoff der Kleinteilen.
Tubus beim Einschrauben weniger be- Festigkeitsklasse 10 verwendet.
lastet und das Risiko eines Dombruchs Nicht zuletzt ist der Verarbeitungs
sinkt“, erläutert Sinja Strobl. Durch prozess bei Kunststoffdirektverschrau
das Radiusprofil wird zusätzlich ein Vorteile und Einsatzgebiete bungen im Gegensatz zu herkömm-
Moment erzeugt, das den Kunststoff der Kunststoffdirekt lichen Kunststoff verschraubungen
beim Eindrehen direkt auf die steile verschraubung schlanker. Das Bauteil kann direkt
Lastflanke lenkt. Die asymmetrische Aus den geometrischen und werkstoff- mit optimal ausgelegten Kernlöchern
Geometrie senkt also die Radialkraft lichen Eigenschaften der R
EMFORM gespritzt und im Anschluss mittels
und erhöht die Axialkraft, was im Ver- resultiert neben der hohen Montage Kunststoffschraube montiert w erden.
gleich zu einem symmetrischen P rofil sicherheit und -vorspannkraft auch die Dadurch entfallen Kosten- und Prozess
eine deutlich höhere Gewindeüber Möglichkeit prozesssicherer Wieder- zeitentreiber wie das Handling von
deckung und Ausreißkraft bedeutet. holverschraubungen. Das heißt: Beim unterschiedlichen Kleinteilen oder
Die hohe Gewindeüberdeckung sorgt Endkunden können Reparaturen höhere Werkzeugkosten und Prozess-
auch für eine größere Scherfläche. Da- an Bauteilen mit Kunststoffdirekt zeiten für den Einlegevorgang des
durch steigt das Überdrehmoment der verschraubungen durchgeführt werden. Inserts in das Werkzeug.
Verbindung. Die geringere B elastung Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunst-
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Bild 2: Im Fastener Testing Center
steht den Kunden umfangreiches
aktuelles Prüfequipment sowie
Schraubtechnik zur Verfügung. Jede
Untersuchung wird in einem detail
lierten Versuchsbericht dokumentiert.
(Bild: ARNOLD UMFORMTECHNIK)
„Überall dort, wo Leichtbau, hohe K räfte wenn hoch belastbare Verschrau der lasttragenden Flanke und der, aus
und Kostenoptimierung aufeinander- bungen, eine hohe Vorspannkraft und dem Radiusprofil resultierende, erhöhte
treffen, findet man Kunststoffdirekt eine hohe Lösesicherheit gefordert Kunststoffanteil auf der Kontaktfläche
verschraubungen. Sei es in Leiterplatten, sind. Sie zeichnet sich durch einen ermöglichen eine steilere Orientierung
wo der Bauraum stark begrenzt und optimierten, vergrößerten Gewindekern des Kraftvektors in axialer Richtung.
der Einsatz von Inserts nicht möglich ist aus, der neben der Schwingfestig- Dabei sinkt das Risiko eines Dombruchs
oder in hochbelasteten Bauteilen wie keit auch das Bruchdrehmoment der durch Minimierung der Radialspannung
Außenspiegeln, Staubsaugern oder Öl- Schraube deutlich erhöht. Dies führt zu bei gleichzeitiger Erhöhung der über-
filtern. In vielen Kunststoffapplikationen einer stabileren Verbindung der Füge tragbaren Kraft. „Diese innovative
kann durch eine gezielte Auslegung der partner, lässt aber auch bei hochfesten Geometrie macht die REMFORM II HS
Verbindungsstelle die Kunststoffdirekt- Kunststoffen ein höheres Montage zu einem idealen P rodukt für den
verschraubung angewendet werden“, drehmoment zu, ohne das Risiko eines Einsatz in Hochleistungskunststoffen“,
nennt Sinja Strobl die Einsatzgebiete. Schraubenbruchs. sagt Strobl.
Eine weitere Verbesserung stellt das
Verbindungslösung verrundete Radiusprofil der Gewinde- Testing, Prognosen
für h
ärtere, faserverstärkte flanken dar. Dadurch findet auch bei und Berechnung
Kunststoffe der Verschraubung von faserverstärkten Die Kunden von ARNOLD
Für besonders anspruchsvolle Kunststoffen keine Deformation der UMFORMTECHNIK können im
Anwendungen fertigt ARNOLD Gewindeflanken statt, sodass eine Schraubenprüflabor untersuchen lassen,
UMFORMTECHNIK in einem pass sichere Verschraubung mit hoher ob die gewählte Verbindungslösung für
genauen Herstellprozess und auf der Tragfähigkeit gewährleistet wird. Die den entsprechenden Anwendungsfall
Basis entsprechender Versuchsdaten die steile Lastflanke hat dabei die Auf- geeignet ist. Im Fastener Testing Center
REMFORM II HS (High Strenght). Diese gabe, die nötige Vorspannkraft bei steht ihnen umfangreiches aktuelles
wird insbesondere dann eingesetzt, gleichzeitig hoher Montagesicherheit Prüfequipment sowie Schraubtechnik
zu generieren. Die reduzierte Neigung
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zur Verfügung. Die eingesetzten Fast Designer Plastics den Montage
T echniken entsprechen dabei den prozess und die Montagevorspann-
Anforderungen der IATF 16949. Bei kräfte bereits im Designprozess zu
Bedarf kann zudem auf weitere interne prognostizieren. Dadurch kann der
und e xterne Labore zugegriffen werden, kostenintensive Versuchsumfang
zum Beispiel für Werkstoffprüfungen deutlich reduziert werden. „Wir
oder eine Schliffbilderstellung. Jede bekommen mit dem Fast Designer
Untersuchung wird in einem detail- Plastics frühzeitig eine Aussage über
lierten Versuchsbericht dokumentiert, das Einschraubmoment, das optimale
welcher auf die Wünsche des Auftrag- Anzugsmoment und die prognostizierte
gebers zugeschnitten ist. Vorspannkraft. Anschließend sollte eine
Validierung über Versuche am Original-
Wenn noch kein reales Bauteil zur bauteil erfolgen“, nennt Strobl weitere
Verfügung steht, haben Kunden die Möglichkeiten für das Entwickeln einer
Möglichkeit, mit dem Prognosetool passgenauen Verbindungslösung.
Text: Annedore Bose-Munde
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