Schrauben Das A und O der Qualitätssicherung in der Schraubmontage

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Schraubverbindungen müssen sicher und zuverlässig funktionieren, um Zusatzkosten, Rückrufaktionen oder Regressforderungen zu vermeiden. Doch worauf kommt es bei der Qualitätssicherung in der Schraubtechnik an?

Eine Schraube scheint auf den ersten Blick eine einfache Komponente zu sein, die verschiedene Bauteile zusammenhält. Bei genauerer Betrachtung steckt allerdings hinter der vermeintlich unbedeutenden Schrauben und Muttern deutlich mehr. Die Geschichte des Gewindes kann bis ins 4. Jahrhundert v. Chr. zurückverfolgt werden, die wichtigsten Entwicklungen der modernen Schraubenverbindungen wurden in den letzten 150 Jahren gemacht. Schon Archimedis (287 bis 212 v. Chr.) machte sich das Prinzip der Schraube für die Entwicklung einer Wasserhebeanlage zunutze. Es gibt jedoch eine Menge Anzeichen dafür, dass die Wasserschraube bereits im alten Ägypten, d. h. noch vor Archimedes, im Einsatz war. Sie wurde aus Holz gebaut und zum Bewässern von Äckern und zum Abpumpen von Schlagwasser aus Schiffsrümpfen verwendet.

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Die Römer entwickelten die ersten Schrauben, die aus Bronze und bisweilen sogar aus Silber bestanden. Die Gewinde wurden von Hand gefeilt oder bestanden aus einem Draht, der um den Stab gewunden und daran festgelötet wurde. So kann die Geschichte der Schraube in zwei Bereiche aufgeteilt werden: zum einen wurde das Schraubenprinzip, das bis auf 400 v. Chr. zurückgeht, zum Fördern von Wasser und in Traubenpressen zum Herstellen von Wein verwendet. Als Befestigungsmittel und Verbindungselement ist die Schraube seit ungefähr 400 Jahren im Einsatz. Der Franzose Besson baute bereits 1568 die erste Maschine, um Schrauben und Muttern herzustellen.

Der lange Weg der metrischen DIN-Schraube

In England führten J. und W. Wyatt 1760 einen Fabrikationsprozess für die Massenproduktion von Schraubengewinden ein. Dieser Meilenstein stellte die Konstrukteure jedoch vor eine neue Herausforderung: jedes Unternehmen stellte seine eigenen Gewinde her. Muttern und Schrauben gab es in unzähligen Größen. Für die Hersteller von Maschinen führten diese unterschiedlichen Größen zu Problemen.

Der Brite Joseph Whitworth hatte 1841 die Lösung: Er schlug eine Standardisierung der Größe der Schraubengewinde in Großbritannien vor, damit z. B. die Schrauben eines Herstellers in England mit den Muttern eines Herstellers aus Schottland kompatibel waren. Sein Vorschlag beinhaltete, dass die Steigung des Gewindes auf 55 Grad standardisiert und die Anzahl Steigungen pro Inch für unterschiedliche Durchmesser definiert werden sollte. Die Amerikaner entwickelten etwas ähnliches und begannen mit der Verwendung des Whitworth-Gewindes. 1864 schlug William Sellers ein Gewinde mit einer Steigung von 60 Grad und unterschiedliche Gewindesteigungen für unterschiedliche Durchmesser vor.

1919 wurde die metrische DIN-Schraube in Deutschland entwickelt. Sie kombinierte die besten Eigenschaften des Whitworth-Gewindes (der abgerundete Gewindegrund, der sich günstig auf die Ermüdung auswirkte) und dem Sellers-Gewinde (60 Grad Steigung und flache Gewindespitzen). Es zeigte sich jedoch, dass der größere Radius des Gewindegrundes des Unified-Gewindes dem metrischen DIN-Profil überlegen war. Die Folge: Das metrischen ISO-Gewinde wurde entwickelt. Heutzutage wird es in allen Industrieländern verwendet wird.

Schraubverbindungen müssen sicher und zuverlässig funktionieren

Doch warum ist diese bewährte Verbindungsmethode auch heute noch ein Thema? „Aus zwei guten Gründen: zum einen ist die Schraubverbindung die einzige Verbindungsmethode, die ohne Zerstörung lösbar und im Regelfall wiederverwendbar ist“, begründet Wilfried Blechmann, Leiter der Business Line Fastening Technology bei Kistler. Schrauben werden auch immer kleiner und leichter, was sie vielseitig einsetzbar macht. Dadurch haben sie auch ihren Platz in der Industrie 4.0 – von der Automobil- und Flugzeugbranche über die Medizin-, Elektro- und Windkrafttechnik bis zum Bausektor und vielen weiteren Industriezweigen. „Zum anderen ist der Sicherheitsaspekt ein großes Thema bei Verschraubungen“, ergänzt Blechmann. So wird beispielsweise der tonnenschwere Container, der am Baukran hängend über einen belebten Platz hinweg transportiert wird, von nur wenigen Schrauben gehalten. Auch am Auto finden sich zahlreiche sicherheitsrelevante Schraubverbindungen, etwa für Räder, Achsen, Getriebe, Türen, Bremsen sowie für Sicherheitsgurte und Airbags.

So müssen Schraubverbindungen sicher und zuverlässig funktionieren, um Zusatzkosten Rückrufaktionen oder Regressforderungen zu vermeiden. Dabei ist das geforderte Maß an Qualität hoch: Hersteller müssen ihre Schraubtechnik lückenlos überwachen. Dazu gehören die Qualitätssicherung:

• bei den Schrauben selbst

• den Werkzeugen

• den Schraubverbindungen der montierten Bauteile

„Sie müssen alles dokumentieren, damit sie beispielsweise bei einer Untersuchung nach einem Autounfall nachweisen können, dass sie die Schraubverbindung des Sicherheitsgurts nach den geltenden Normen geprüft haben“, sagt Blechmann. Wie eine Qualitätssicherung durchzuführen ist, beschreibt die DIN EN ISO 9001. Zudem müssen die Messgeräte und Systeme zur Qualitätssicherung regelmäßig kalibriert werden. Diese Kalibrierungen müssen nach DIN EN ISO 17025 je nach Risikoeinstufung in Intervallen von drei Monaten bis zwei Jahren in einem akkreditierten Labor wiederholt werden.

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Wichtige Prüfgrößen bei der Qualitätssicherung

Auch Kistler bietet Systeme, Beratung und Services für die Qualitätssicherung des gesamten Schraubenprozesses an. In ihrem stationären Laboratorium oder direkt vor Ort beim Kunden können die vorgeschriebenen Rekalibrierungen der Mess- und Prüfgeräte vorgenommen werden. Das Portfolio von Kistler an Prüfsystemen in der Schraubtechnik umfasst Geräte, um die Schrauben selbst, die Werkzeuge und die Schraubverbindungen zu prüfen. Die Systeme und die dazugehörige Software erfassen alle gemessenen Werte und dokumentieren die Ergebnisse in einer übersichtlichen Darstellung. Dabei sind verschiedene Größen wie Reibwert, Vorspannkraft und Drehmoment relevant für die Qualität der Schraubverbindung. Die Vorspannkraft ist für die Stabilität einer Verbindung entscheidend und ergibt sich aus dem Zusammenspiel von Drehmoment, Drehwinkel und den Reibwerten der beteiligten Oberflächen. „Diese Parameter müssen kontinuierlich überwacht werden“, betont Blechmann. Dabei ist auch die Dokumentation und Archivierung sämtlicher Daten, um im Falle von Regressforderungen die erforderlichen Nachweise erbringen zu können.

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Durchblick behalten im Normen-Dschungel

Im Bereich der Qualitätssicherung gibt es zahlreiche Normen und Regelwerke. Doch wann gelten welche? „Je nach Verwendungszweck der Schraubverbindungen erstellen die Hersteller ein Prüfkonzept, das die für die Anwendung relevante Normen umfasst“, erklärt der Experte. So beschreibt beispielsweise die VDI 2682 Blatt 2 die Mindestanforderungen zum Einsatz von Schraubsystemen und Werkzeugen. Die VDI 2645 Blatt 2 beinhaltet Informationen zur Maschinenfähigkeitsuntersuchung und die VDI 2230 zur systematischen Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen. „Dazu kommen häufig spezifische Anforderungen der Kunden“, sagt Blechmann. Mithilfe der VDI-Richtlinie 2862 kann zudem die Schraubverbindungen in die Kategorien A, B oder C eingeteilt werden. Hierbei bedeutet A Gefahr für Leib und >Leben, bei B geht es um Funktionseinschränkungen und in Kategorie C fallen Schraubverbindungen, die bei einem Fehler keine Gefahr, sondern Kundenärgernis darstellen. „Die Prüfvorgaben für die Schraubverbindungen der Kategorie A und B sind naturgemäß strenger als diejenigen der Kategorie C“, beschreibt Blechmann seine Erfahrungen.

Schraube

Versagen von Schraubverbindungen verhindern

* *Fachredakteurin Forschung & Entwicklung

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