O+P Fluidtechnik 3/2023

VERBINDUNGSELEMENTE

VERBINDUNGSELEMENTE KUNSTSTOFFDIREKTVERSCHRAUBUNGEN INNOVATIVE VERBINDUNGSELEMENTE FÜR HOCHLEISTUNGSKUNSTSTOFFE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Überall dort, wo Leichtbau, hohe Kräfte und Kostenoptimierung aufeinandertreffen, findet man Kunststoffdirektverschraubungen. Sei es dort, wo der Bauraum stark begrenzt ist oder in hochbelasteten Bauteilen wie Pumpen, Ventilen oder Ölfiltern. In vielen Kunststoffapplikation kann durch eine gezielte Auslegung der Verbindungsstelle die Kunststoffdirektverschraubung angewendet werden. Annedore Bose-Munde, Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik Bei Kunststoffverschraubungen gibt es eine Vielzahl verschiedener Faktoren, die Einfluss auf die Verbindung haben. Die Herausforderung ist es, eine Schraubengeometrie zu finden, welche zum einen negative Aspekte wie Toleranzschwankungen ausgleicht. Zum anderen ist es wichtig, dass die Verbindungslösung optimal an die Gegebenheiten des Werkstoffs und an die Belastungsart angepasst ist. Die Festigkeit des Werkstoffs, der Konditionierungszustand des Kunststoffs, Faserverläufe und die Art der Faser, das viskoelastische Verformungsverhalten, Bauteil- oder Schraubentoleranzen wie Kernloch- und Schraubendurchmesser oder auch die Genauigkeit des Schraubsystems – all das sind Faktoren, die es zu beachten gilt, wenn es um das Realisieren von Kunststoffdirektverschraubungen geht. Und um herauszufinden, ob eine bestimmte Schraubgeometrie überhaupt für den jeweiligen Anwendungsfall geeignet ist, ist es zudem wichtig, die Qualitätsmerkmale einer Kunststoffdirektverschraubung zu kennen. Qualitätsmerkmale sind: hohes Überdrehmoment, niedriges Eindrehmoment, hohe Vorspannkraft und Auszugskraft. „Mit Blick auf eine klassische Schraubkurve ist es das Ziel, bei einem moderaten Einschraubmoment und einem möglichst ho- 22 O+P Fluidtechnik 2023/03 www.oup-fluidtechnik.de

Applikationsanalyse im Fastener Testing Center hen Überdrehmoment die höchstmögliche Vorspannkraft zu erreichen. Gleichzeitig ist es wichtig, für die Sicherheit der Verbindung ein ausreichend großes Deltamoment zwischen Einschrauben und Überdrehen zu erreichen. Damit wird vermieden, dass der Schrauber bei Schwankungen schon vor der Kopfauflage stoppt oder das geformte Muttergewinde herausreißt. Über das Deltamoment wird außerdem das optimale Anzugsmoment bestimmt“, sagt Sinja Strobl. Sie ist Application Sales Manager bei der Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG und für die Auslegung von Schraubverbindungen und die Multiplikation von Applikationen verantwortlich sowie für die technische Anwendungsberatung in den Bereichen Kunststoff und Elektrifizierung. DIREKTVERSCHRAUBUNG VON THERMOPLASTEN Im Serienprozess wird die Vorspannkraft in der Regel nicht überwacht. Deshalb dient das Drehmoment als Hilfsgröße. Im Versuch wird beim Unternehmen Arnold Umformtechnik die Vorspannkraft durch die Zuschaltung einer Messdose ermittelt. So kann jedem aufgezeichneten Drehmoment eine bestimmte Kraft zugeordnet werden. Ein bewertbares Qualitätsmerkmal ist auch der Versagensfall. Hier dienen zerstörende Versuche dazu, herauszufinden, auf welche Art das Gewinde versagt. „Der optimale Versagensfall ist aufgrund der Reparaturlösung, wenn das Muttergewinde überdreht. Natürlich kann bei Kunststoffen mit KUNSTSTOFFDIREKTVERSCHRAUBUNGEN ERMÖGLICHEN GEWICHTSOPTIMIERUNG sehr hohem Glasfaseranteil auch ein Bruch der Schraube eintreten. Im Normalfall ist jedoch bei der Kunststoffdirektverschraubung immer der Kunststoff das schwächere Glied und versagt damit als erstes“ erklärt Strobl. „Ein sogenannter Domriss oder Domabriss sollte vermieden werden. Der Grund für einen solchen Versagensfall ist fast immer die falsche Auslegung des Schraubdoms.“ GEWINDEFORMENDE SCHRAUBEN MIT ASYMMETRISCHEM GEWINDEPROFIL Für die Verbindung von Kunststoffbauteilen eignen sich Kunststoffdirektverschraubung als prozesssichere und auch kostenoptimierte Lösung. So bieten die Remform-Schrauben von Arnold Umformtechnik – gewindeformende Schrauben mit asymmetrischem Gewindeprofil – im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffschrauben mit einer 30 °-Flanke einige Vorteile: Der optimierte Gewindekern erhöht die Schwingfestigkeit und auch das Bruchdrehmoment der Schraube deutlich. Dies führt zu einer stabileren Verbindung der Fügepartner, lässt aber auch bei hochfesten Kunststoffen ein höheres Montagedrehmoment zu, ohne das Risiko eines Schraubenbruchs. Eine weitere Verbesserung zur 30 °-Flanke stellt das Radiusprofil der Gewindeflanken dar. Da bei der Kunststoffdirektverschraubung eine hohe Drehzahl verwendet wird, erwärmt sich das Material beim Verschrauben lokal und wird weich. Durch das Radiusprofil der Gewindeflanke bei der Remform-Schraube wird das Fließverhalten des Kunststoffs ausgenutzt und mit dem höheren Materialvolumen wird der Kunststoff zur lasttragenden Flanke hin verdrängt, ohne dass starke Spannungsspitzen entstehen. Dabei hat die steile Lastflanke von 12 ° die Aufgabe, die nötige Vorspannkraft bei gleichzeitig hoher Montagesicherheit zu generieren. Die aufgebrachte Vorspannkraft muss also vom Kunststoff gleichmäßig aufgenommen werden können, ohne einen Dombruch aufgrund zu hoher Radialspannungen zu riskieren. Beim Eindrehen wird der Kunststoff durch den Wärmeeintrag umformbar. Damit die auftretenden Spannungen klein gehalten werden, muss dem Flankenwinkel besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. „Die flache Neigung der lasttragenden Flanke ermöglicht eine steilere Orientierung des Kraftvektors