Kritische Verbindungen Jede Schraube zählt: Qualitätssicherung bei Schraubverbindungen

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Wenn schwere Lasten von Kränen bewegt, Züge mit 200 km/h fahren oder Flugzeuge in 15 km Höhe fliegen, sind viele sicherheitsrelevante Schraubverbindungen im Einsatz. Sollten sie versagen, könnte das katastrophale Folgen haben. Die korrekte Ausführung von Schraubverbindungen ist also ein kritischer Fertigungsaspekt, der bereits in der Planungsphase beginnt.

Im Januar 2024 machte Alaska Airlines-Flug 1282 Schlagzeilen, als die Boeing 737-9 kurz nach dem Start in Portland eine Ausstiegstür verlor und notlanden musste. Glücklicherweise erlitt keiner der 171 Passagiere und 6 Besatzungsmitglieder ernsthafte Verletzungen. Ein vorläufiger Bericht der US-Flugsicherheitsbehörde hat inzwischen die Ursache ermittelt: Vier Bolzen, die für die Sicherung einer Türabdeckung unerlässlich sind, fehlten. Die Untersuchungen ergaben, dass diese Bolzen möglicherweise aufgrund eines Fehlers bei der Wartung nicht angebracht wurden.

Vorfälle wie diese zeigen deutlich: Versagen sicherheitsrelevante Schraubverbindungen, ist Leib und Leben in Gefahr. Verhindern lässt sich das nur, wenn ein umfangreicher Qualitätsprozess eingehalten wird, der sicherstellt, dass jede Verbindung gemäß einem festgelegten Verfahren ausgeführt wird.

Planung ist das A und O

Bei der Planung von Verbindungen – ob sicherheitskritisch oder nicht – greifen Experten auf ihre Erfahrung und Qualifikation, technische Hilfsmittel sowie anerkannte Richtlinien und Standards zurück. Wie Kevin Küffner, Schraubfachtechniker von Nord-Lock, in einem Vortrag auf der Regionalmesse Schraubtec in Sindelfingen im April 2024 betont, hängt die Qualität der Verbindung in erster Linie von der Planung und der Berechnung im Vorfeld ab.

Eine wichtige Grundlage für die Schraubfallplanung bietet dabei die VDI-Richtlinie 2230. Sie gilt weltweit als Standardwerk zur Berechnung von Schraubenverbindungen und beschreibt unterschiedliche Anziehverfahren und Vorspannkräfte, die für den jeweiligen Anwendungsfall am besten geeignet sind.

Der erste Schritt der Planung besteht darin, genau zu definieren, wie eine Verbindung hergestellt wird, einschließlich der Auswahl des geeigneten Verschraubungstyps, wie etwa Winkel- oder Drehmomentverschraubungen, basierend auf der Belastungsanalyse und der erforderlichen Festigkeit.

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Nicht nur Pi mal Daumen: Bestimmung des Drehmoments

Schrauben verbinden unterschiedliche Materialien über den eingebrachten Drehmoment. Beim Anziehen wird die Schraube gedehnt, wodurch die Vorspannkraft entsteht. Diese Kraft drückt den Schraubenkopf und die Mutter nach unten und erzeugt eine Klemmkraft, die die Bauteile zusammenhält. Externe Betriebskräfte wie Druck, Zug und Vibrationen müssen die Konstrukteure ebenfalls mitberechnen. Und auch die Reibung hat großen Einfluss: Bis zu 90 Prozent der beim Anziehen aufgewendeten Kraft gehen in die Überwindung der Reibungskräfte. „Die genaue Berechnung der Reibung ist entscheidend, um die Vorspannkraft zuverlässig zu bestimmen. Kenne ich das exakte Reibfenster, kann ich den Drehmoment präziser anwenden“, so Küffner.

„In der Montage wird dann mit programmierbaren Werkzeugen gearbeitet, die genau auf diese Werte eingestellt sind“, erklärt Harald Lukosz, Referent Product Area Stage bei Bosch Rexroth, und führt weiter aus: „Es folgen Tests, bei denen insbesondere die Vorspannkraft überprüft wird, die groß genug sein muss, um die Teile zusammenzuhalten. Nach diesen Tests wird der gesamte Prozess noch einmal überprüft, und es werden gegebenenfalls Nachjustierungen vorgenommen.“

Moderne Werkzeuge können dabei nicht nur die Schraube gemäß den technischen Vorgaben korrekt eindrehen, sondern führen den Werker intelligent und dokumentieren den Befestigungsvorgang. „Gerade bei sicherheitsrelevanten Verbindungen muss jeder Schritt im Verschraubungsprozess dokumentiert werden, um die Rückverfolgbarkeit und die Einhaltung der Spezifikationen zu gewährleisten. Dies umfasst die Aufzeichnung der verwendeten Werkzeuge, der angewendeten Drehmomente und der Ergebnisse der abschließenden Überprüfungen“, so Lukosz.

Verbindungstechnik

Hochmomentverbindungen: Kraftvolle Lösungen für moderne Technik

Die Digitalisierung und intelligente Werkzeuge machen es zwar möglich, solche Prozesse zu optimieren und Kosten zu senken, ohne dass dabei notwendige Prüfschritte oder Sicherheitsmaßnahmen vernachlässigt werden. „Allerdings können auch diese technologischen Lösungen den menschlichen Sachverstand nicht vollständig ersetzen“, betont Lukosz.

Zusätzliche Sicherheit

Mit korrekten Berechnungen, geeignetem Material und fachgerechter Montage sind die Grundlagen für eine sichere Schraubverbindung gelegt. Dennoch können sich Schrauben noch lockern, lösen oder gar herausdrehen. Doch es gibt Maßnahmen, um das zu verhindern. Zur Vermeidung des Lösens von Schrauben stehen beispielsweise Sicherungselemente zur Verfügung.

Um zu verhindern, dass herabfallende Verbindungselemente Personen verletzen oder Folgeschäden verursachen, bieten sich für bestimmte Anwendungsfälle Sicherungselemente wie Ganzmetall-Sicherungsmuttern, Muttern mit Kunststoffeinsatz und gewindefurchende Schrauben an. Hier ist der Erhalt der Vorspannkraft eher untergeordnet. Für Fälle, in denen die Vorspannkraft im Mittelpunkt steht, sind Sicherungselemente, die ein selbsttätiges Losdrehen verhindern, die bessere Wahl.

„In der Luftfahrt müssen sicherheitsrelevante Schraubverbindungen meist zusätzlich mit Schraubenlack gesichert werden“, ergänzt Moritz Julian Storch, Geschäftsführer Lackfabrik Bäder. Denn bei vielen Schraubverbindungen kann der Monteur leicht den Überblick verlieren. Nachdem die Schraube ordnungsgemäß angezogen wurde, wird sie mit der Prüfmarkierung entsprechend gekennzeichnet. Sollte sich die Schraube danach lockern, bricht der Lack und zeigt so eine lockere Verbindung an. Das ermöglicht eine schnellere visuelle Inspektion. Weitere Hilfsmittel wie anaerobe Schraubensicherungen stellen dabei von Anfang an sicher, dass sich die Verbindung auch bei Erschütterungen nicht lockert.

Zwischenfälle wie jener bei Air Alaska im Januar lassen sich nur vermeiden, wenn alle Schritte der Qualitätssicherung beachtet werden: von der Berechnung der Verbindungen, deren Überprüfung und den entsprechenden Werkzeugen bis hin zur Qualifikation des Personals. Zusammenfassend hebt Harald Lukosz hervor, dass die Elemente dieser Sicherheitskette in der Regel wenig Sparpotenzial bieten. Daher sei es entscheidend, dass die Industrie in die Ausbildung und fortlaufende Schulung ihrer Mitarbeiter investiert. „Die Mitarbeiter müssen nicht nur mit den neuesten Technologien vertraut sein, sondern auch ein tiefgehendes Verständnis für ihre Fachgebiete entwickeln. Nur so sind sie in der Lage, die komplexen Zusammenhänge zu durchdringen und im Bedarfsfall angemessen zu reagieren“, meint Lukosz.

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