Schraube Das Ende einer rostigen Verbindung

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Bisher passte es einfach nicht: Wenn carbonfaserverstärkte Thermoplaste auf Direktverschraubungssysteme trafen, mangelte es meist an Prozesssicherheit und Korrosionsbeständigkeit. Der Schraubenhersteller Baier & Michels hat eine Lösung entwickelt.

Materialmix, Kosteneffizienz, Nachhaltigkeit – kunststoffverarbeitende Unternehmen müssen mitunter gegenläufige Herausforderungen in Einklang bringen. Wenn es dabei um kunststoffgerechte Fügetechniken der Bauteile geht, dann gehört die Direktverschraubung zu den etablierten Lösungen. Sie reduziert den Arbeits- und Zeitaufwand, weil zum Beispiel das Einbetten eines Inserts entfällt. Hinzu kommt: Durch den Umformprozess der Direktverschraubung entstehen keine störenden Späne.

Korrosionsrisiko bei Direktverschraubung in CFK-Bauteile

Und im Gegensatz zu Klebeverbindungen kann man die Schraube immer wieder zerstörungsfrei de- und remontieren. Dies ermöglicht neben Reparaturen eine sortenreine Trennung und Wiederverwertung der verschiedenen Werkstoffe. „Dabei spielt es fast keine Rolle,“ sagt Maxim Ort, Anwendungstechniker beim Schraubenhersteller Baier & Michels (B&M), „mit welchen Materialien thermoplastische Kunststoffe verstärkt sind. Bis auf eine wesentliche Ausnahme.“

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In hochfesten Strukturwerkstoffen mit Carbonfaseranteilen von 15 bis zu 50 Prozent galten Direktverschraubungslösungen laut Ort vor allem wegen des Korrosionsrisikos über lange Zeit als nicht realisierbar. „Dadurch stießen die Konstrukteure bei CFK-Bauteilen regelmäßig an ihre technischen Grenzen.“ Mit B&M-Carbonplast hat das Unternehmen als Mitglied der Würth-Gruppe eine geeignete Direktverschraubung entwickelt, die für carbonfaserverstärkte Thermoplaste ausgelegt ist.

Bei der Herstellung der Schraube wird ein Sonderstahl verwendet. Damit ist ein direkter Kontakt mit der Carbonfaser möglich, ohne dass es zu einer Korrosionsreaktion kommt. Darüber hinaus sind die Gewindespitzen resistent gegen den abrasiven Verschleiß der Fasern. Dabei haben die B&M-Entwickler ebenfalls die Gewindegeometrie angepasst, um den Materialfluss zu begünstigen. Radialspannungen werden signifikant reduziert, die zum Bruch des Schraubdoms führen könnten.

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Problemlose und prozesssichere Verschraubung von Compounds

Lehvoss, Produzent von thermoplastischen Hochleistungscompounds, hat das Direktverschraubungssystem gemeinsam mit B&M untersucht. Im Fokus standen drei Hochleistungscompounds der Produktlinie Lucovom CF, die je einen Carbonfasergehalt von 30 Prozent aufweisen. Die Polymerbasis: PA 66, PPS und PEEK. „Im Vergleich zu konventionellen CF-Kurzfaser-Compounds erreichen unsere maßgeschneiderten Varianten deutlich höhere Festigkeiten, Steifigkeiten und gleichzeitig Schlagzähigkeiten“, erklärt Eric Folz, Market Development Manager bei Lehvoss.

Zielgruppe für solche – im Ergebnis auch gewichtsoptimierten Kunststoffe – sind Folz zufolge Produktdesigner in Bereichen wie Premium-Automobilbau und Luftfahrt sowie Maschinenkomponenten und Sportartikel. „Wir sprechen hier von hochfesten Bauteilen, unter anderem für Fahrzeuganwendungen, Drohnen und Fahrräder, aber auch für Foto- und Filmausrüstungen oder Medizingeräte.“ Sein Fazit: „Die Verschraubung unserer Lucovom CF-Werkstoffe ist mit der B&M-Carbonplast problemlos und prozesssicher umsetzbar.“

Perfektes Ergebnis: Optimalen Vorlochdurchmesser bestimmen

In der ersten Versuchsreihe kamen gespritzte Tuben mit einem Kernloch-Durchmesser von 4 mm und 1° Konizität zum Einsatz, im zweiten Durchgang wurden die Tuben – Durchmesser 4,2 mm – mit einer konischen Reibahle (1°) aufgerieben. Die Einschraubtiefe lag bei 12 mm, als Einschraubdrehzahl wählten die Lehvoss-Fachleute in Absprache mit B&M 200 U/min. Um bestmögliche Verschraubungskennwerte zu erreichen, empfiehlt B&M-Anwendungstechniker Maxim Ort, einen optimalen Vorlochdurchmesser zu bestimmen, damit ein günstiges Verhältnis zwischen Furchmoment (MF) und Versagensmoment (MV) entstehen und die Wertestreuung gering bleiben kann. „Je größer der Abstand zwischen MF und MV, desto größer ist die Sicherheit innerhalb der Verschraubung. Dabei sollte man stets ein maximales Versagensmoment anstreben.“

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Über die Praxistests mit der gewindeformenden B&M-Carbonplast sagt Lehvoss-Experte Folz: „Es gibt keine Domaufbrüche und keinen abrasiven Verschleiß, der die Leistungsfähigkeit der Schraube mindern würde, weder an der Gewindeflanke noch an der Gewindespitze.“ Dafür seien Korrosionsbeständigkeit und ein Einfließen des Kunststoffs in Richtung des Schraubenkerns klar erkennbar. Als weiteren Vorteil dieser Verschraubungsart nennt Folz die Herstellung elektrisch leitfähiger Verbindungen, also etwa Erdungspunkte. Nach der erfolgreichen Zusammenarbeit in Bezug auf Kurzfasermaterialien analysieren B&M und Lehvoss die B&M-Carbonplast aktuell auch in Carbon-Langfaser-Thermoplasten.  (jup)

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