Verbindungstechnik Worauf Konstrukteure bei Befestigungen achten sollten

Dieser Beitrag führt Konstrukteure nicht nur in die faszinierende Welt der Klebetechnik ein, sondern er stellt auch ein neues Verfahren vor: Die Onsert-Methode erlaubt das nachträgliche Aufbringen von Metall-Kunststoff-Verbindungen auf flächige oder gerippte Kunststoff- oder Metallteile.

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Ruderer Klebetechnik GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

DELO Industrie Klebstoffe GmbH & Co. KGaA

Böllhoff Verbindungstechnik GmbH

Um Werkstoffe miteinander zu verbinden, muss der Anwender klebgerecht konstruieren. Das bedeutet: Er muss unter anderem auf ausreichend große Klebeflächen achten, einen korrekt dimensionierten Klebespalt und eine gleichmäßige Spannungsverteilung. Schäl- und Biegebeanspruchung sollte der Konstrukteur vermeiden.

Eine konstante Dicke der Klebschicht kann zum Beispiel über eine definierte Auflagefläche entstehen. Denkbar sind am Bauteil integrierte Abstandshalter oder eine geeignete Nut-Feder-Geometrie. Gerade wenn eine Klebverbindung eine vorhandene Verbindung ersetzt, muss der Konstrukteur die Geometrie anpassen. Sonst können Probleme bei der Klebstoffdosierung, dem Fügen der Bauteile und der Festigkeit der Verbindung auftreten.

Festigkeit der Klebverbindung abhängig von Material und Oberfläche

Der Konstrukteur sollte anschließend den Werkstoff genau unter die Lupe nehmen, denn die Beschaffenheit der Fügeteiloberfläche und die Art des Materials sind von entscheidender Bedeutung für die Verbundfestigkeiten und Langzeitbeständigkeit der Verbindung. Der Klebstoff muss die Oberfläche gut benetzen, da sonst nach der Aushärtung keine ausreichenden Kräfte zwischen Klebschicht und Werkstoff (Adhäsionskräfte) übertragen werden können (Bild 1). Wie gut sich benetzen lässt, hängt vom Werkstoff und der Beschaffenheit der Oberfläche ab: Kunststoffe wie etwa Teflon (PTFE), Polyethylen (PE) und Polyoxymethylen (POM) lassen sich schwerer kleben als beispielsweise Polyamid (PA) oder Polycarbonat (PC).

Voraussetzung für eine ausreichende Benetzung ist immer eine saubere, definierte Oberfläche, welche durch Reinigen, oder Entfetten eingestellt werden kann. Werden Werkstoffe verarbeitet, die zunächst nur bedingt klebbar sind, stehen eine Reihe von Oberflächenvorbehandlungen zur Verfügung. Neben der Reinigung entsteht durch mechanische Oberflächenvorbehandlungen wie Strahlen oder Schleifen eine rauheitsabhängige Vergrößerung der Oberfläche und damit auch der Klebfläche.

Vorbehandlung der Oberfläche verbessert die Klebverbindung

Physikalische Oberflächenvorbehandlungen, wie beispielsweise Plasmabehandlung oder Beflammung, erhöhen die Oberflächenspannung des Werkstoffs, so dass er sich besser benetzen lässt. Ziel dieser Vorbehandlungsmaßnahmen ist in erster Linie eine Klebverbindung herzustellen, die sowohl besser reproduzierbar als auch lange beständig ist.

Sobald die zu verbindenden Fügeteile und deren Materialien sowie die klebgerechte Konstruktion feststehen, wählt der Konstrukteur den Klebstoff aus. Wichtig ist die Integration des Klebstoffs in den Produktionsprozess. Hier spielt beispielsweise die jeweilige Aushärtungszeit eine Rolle. Um die tatsächliche Eignung eines Klebstoffs festzustellen, muss das Bau- bzw. das Fügeteil im Verbund getestet werden. Nur so lässt sich feststellen, ob es für die spätere Anwendung geeignet ist. Mechanische Beanspruchungen, Temperatureinflüsse, Einwirkung von Feuchtigkeit und chemischen Medien beeinflussen die Qualität einer Klebung erheblich. Je nach Anwendung muss der Klebstoff nicht nur langzeitbeständig sein, sondern er darf sich auch nicht verfärben. Manchmal – etwa beim Fügen von Glas – muss er sogar unsichtbar sein (Bild 2). Das heißt: Auch die Optik beeinflusst die Wahl des Klebstoffs. Bei Scharnieren für Duschkabinen ersetzt das Kleben zunehmend die bisherigen Verschraubungen: Dadurch fallen Glasbohrungen weg und es entsteht ein ansprechendes Design (Bild 3).

Mechanische Fügeverfahren schaffen lösbare Verbindungen zwischen Kunststoffbauteilen

Häufig werden Krafteinleitungspunkte in Kunststoffbauteilen durch Gewindeeinsätze aus Metall realisiert, die dann die Schrauben aufnehmen (Bild 4). Das Verankern der Einsätze beruht auf Kraft- und Formschluss, die sich meist gegenseitig überlagern. Nach dem Urformen des Kunststoffbauteils kommt der Einsatz per Einbetten in eine Aufnahmebohrung.

Hierzu gibt es unterschiedliche Verfahren:

• - Fügen mit Wärme und Druck (Warm- oder Induktiveinbetten)
• - Ultraschalleinbetten
• - Kalteinpressen mit mechanischen Aufweiten
• - Selbstschneidendes und -formendes Eindrehen.

Diese Fügeverfahren besitzen einige Vorteile: So werden beispielsweise die Vorspannkräften übertragen und aufrechterhalten, die Verbindungen lassen sich beliebig oft lösen und die Einbaulängen sind kurz. Wegen der zweiteiligen Lösung fallen sie aber teurer aus und sorgen für ein aufwendigeres Recycling.

Gewindeformende Schrauben zur Direktverschraubung

Eine andere Möglichkeit ist daher die Direktverschraubung. Hier stellen gewindeformende Schrauben aus Metall oder Kunststoff ihr Gegengewinde in thermoplastischen Kunststoffen selbst her (Bild 5). Für dieses Metallschrauben sprechen ihre Recyclingfähigkeit, die niedrigeren Kosten aufgrund der einteilige Verbindung und schnelle Zykluszeiten. Durch Relaxation und hohe erforderliche Wanddicken (bis zu 4,0 mm) treten jedoch hohe Vorspannkraftverluste auf.

Direktverschraubungen mit Gewinde formenden Schrauben aus Kunststoff für die Verbindung von Kunststoffbauteilen (Bild 6, beispielsweise Böllhoff UNITEC K‘ in K‘) zeichnen sich ebenfalls durch Recyclingfähigkeit aus. Zudem weisen sie eine geringe Relaxationsneigung sowie hohe Rückdrehmomente, die größer als die Eindrehmomente sind, auf. Allerdings muss der Durchmesser der Schraube mindestens 6,0 mm betragen. Außerdem liegt der Teilepreis im Vergleich zu Metall höher.

Derartige Konstruktionen benötigen darüber hinaus Befestigungsdome, die im Vergleich zum übrigen Bauteil oft sehr große Wandstärken besitzen. Unnötig lange Zykluszeiten, erhöhter Materialverbrauch, optische Fehler auf Sichtflächen (Einfallstellen) und eine erhöhte Ausschussquote sind die Folge. Hier schlägt nun die Stunde der Onsert Technologie: Wenn ein Verkleben auf optimierten Rippenkonstruktionen möglich ist, eignet sich besonders der Gewindeeinsatz Onsert Plus mit seiner klebtechnisch optimierten Geometrie (Bild 7).

Die Vorteile von Klebtechnik und lösbaren Schraubverbindungen kombinieren

Ein neues Verfahren von DELO und Böllhoff erleichtert das Entwickeln eines Fügeteils: Die Onsert-Technologie kom-biniert die Vorteile der Klebtechnik mit den Pluspunkten lösbarer Schraubverbindungen. Sie eignet sich besonders zum Fügen von Kunststoffbauteilen. Es handelt sich daher um eine Ergänzung zur Direktverschraubungen und der „After Moulding“-Technologie, mit denen Konstrukteure bisher Kunststoffteile lösbar mitein-ander verfügten.

Der bisher übliche angespritzte Befestigungsdom auf dem Fügeteil entfällt, denn der Metalleinsatz wird direkt mit transparentem Kunststoff umspritzt und im Anschluss auf das Formteil, vorzugsweise mit einem lichthärtenden Klebstoffsystem „auf Knopfdruck“ ausgehärtet, geklebt (siehe Titelbild). Zum Anbinden lassen sich bestehende Rippenkonstruktionen nutzen, die bereits oft ohnehin vorhanden sind, um die Steifigkeit des Formteils zu erhöhen.

Neue Technologie verspricht geringeren Ausschuss

Bereits bei einem geringen Durchmesser sorgt der kreuzförmige Einschnitt im Fuß des Onsert-Gewindeeinsatzes für eine große Klebfläche, über die sich hohe Kopfzugbelastungen übertragen lassen. Der Formschluss zwischen Onsert und Rippenkreuz sichert die Verbindung bei Drehmomentbelastungen. Dank des angepassten Neigungswinkels der Klebflächen entsteht über die auf Scherzug belastete Klebschicht eine einheitliche Klebschichtdicke und die Spannung verteilt sich gleichmäßig. Positiver Nebeneffekt: Diese spezielle Art der Klebeverbindung garantiert, dass das Onsert korrekt am Fügeteil ausgerichtet wird.

Für diese Technologie sprechen aber nicht nur die vereinfachte Geometrie des Fügeteils (Bild 8, links) und die verbesserte Verarbeitung von optisch anspruchsvollen Form- bzw. Sichtteilen. Hinzu kommen die Kostenvorteile, denn es lassen sich außerdem die Ausgaben für Werkzeuge, Material und Maschinen (kürzere Zykluszeiten) senken. Der Anwender kann zudem die Ausschussquote bei Sichtteilen verringern, bei denen optische Fehler sonst häufig für Probleme während des Spritzgießens sorgen.

Konstrukteur kann nun unterschiedliche Verbindungselemente am Bauteil fixieren

Die höhere Designfreiheit versetzt Konstrukteure in die Lage, mit einer standardisierten Aufnahmegeometrie unterschiedliche Verbindungselemente am Bauteil zu fixieren. Statt eines Mutterngewindes kann der Entwickler zum Beispiel ein Bolzengewinde auswählen. Denkbar sind auch Onserts mit Kugelbolzen, oder Schnappverbindungen. Der Onsert selbst ist so ausgelegt, dass die Verbindungsfestigkeit gegenüber dem konventionellen Einbetten in angespritzte Dome nicht nennenswert beeinträchtigt wird.

Das gemeinsam von DELO und Böllhoff entwickelte Onsert-Verfahren eignet sich aber auch zum Aufkleben von Gewindebuchsen auf dünnwandige Metallteile (etwa von Handygehäusen). Der Klebstoff gleicht durch seine Spalt füllenden Eigenschaft Fertigungstoleranzen und Rundungen der Gehäuseschalen aus. Nach dem positionsgenauen und sekundenschnellen Fixieren der Buchsen folgt stets eine Warm- oder Dualhärtung, die den Klebstoff vollständig aushärtet. Das Verfahren kombiniert die Vorteile des Klebens bei einem Bauteil mit geringer Wandstärke (das bedeutet: keine Verletzung der Oberfläche sowie eine geringe thermische Belastung) mit den Pluspunkten einer einfachen Schraubverbindung.

Unterm Strich: Oft steht der Konstrukteur bei der Entscheidung für das ideale Fügeverfahren vor der Qual der Wahl. Statt dann eine suboptimale Lösung von zwei möglichen Verfahren zu nehmen, bietet sich häufig die Kombination der Pluspunkte zweier Verfahren an.

* Dipl.-Ing. Michael Stumpf arbeitet als Produktmanager bei der Böllhoff Verbindungstechnik in Bielefeld; Dipl.-Ing. René Tobisch-Haupt ist Projektmanager bei DELO Industrie Klebstoffe, Windach

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