Zusammenbau thermoplastischer Verbundwerkstoffe

Die neue FLOWpoint Delta PT-Schraube vereint die Eigenschaften zweier bewährter Verbindungsdesigns, der Delta PT-Schraube für die Kunststoffmontage und der FDS-Fließlochschraube für die Blechmontage. Foto mit freundlicher Genehmigung von Semblex Corp.

Die beste Option zum Befestigen von Kunststoffen, die Glas, Talk oder andere Füllstoffe enthalten, ist normalerweise eine gewindeformende Schraube wie die Delta PT. Foto mit freundlicher Genehmigung von Semblex Corp.

Eine weitere Möglichkeit zur Befestigung thermoplastischer Verbundwerkstoffe sind Gewindeeinsätze. Abhängig vom Füllstoffgehalt des Materials muss die empfohlene Lochgröße jedoch möglicherweise erhöht werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von SPIROL International Corp.

Ultraschallschweißgeräte sind bestens zum Schweißen von gefülltem Kunststoff geeignet. Tatsächlich können 10 bis 20 Prozent Füllstoff den Prozess sogar unterstützen, indem sie das Material steifer machen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Branson Ultraschall

Kunststoffe und Polymerverbundstoffe sind heute für eine Vielzahl von Sicherheits- und Leistungsteilen in Autos unverzichtbar. Tatsächlich ist der Einsatz von Kunststoff- und Polymerverbundwerkstoffen in Leichtfahrzeugen von weniger als 20 Pfund pro Fahrzeug im Jahr 1960 auf 334 Pfund pro Auto im Jahr 2015 gestiegen.

Ein Material wie Nylon 66 mit 33 Prozent Glasfaserverstärkung wird in unzähligen Automobilbaugruppen verwendet, darunter Krümmer, Motorabdeckungen, Kohlebehälter, Motorhalterungen, Schalthebel und Kühlerbehälter.

Leider geben die Füllstoffe, die den Kunststoffteilen Festigkeit, Steifigkeit und Hitzebeständigkeit verleihen, den Ingenieuren bei der Planung des Montageprozesses zusätzliche Denkanstöße.

Es gibt viele Technologien zum Schweißen von Kunststoffteilen: Ultraschall, Vibration, Rotation, Heizplatte, Infrarot und Laser. Sie alle können mit Glasfasern, Talk, Glimmer oder anderen Füllstoffen verstärkte Kunststoffe verbinden. Welche Methode zu verwenden ist, hängt vom Kunststoff ab; die Art und Menge des Füllstoffs; die Größe und Form der Teile; und die Bewerbungsvoraussetzungen.

Unabhängig vom Verfahren benötigen gefüllte Materialien in der Regel „mehr Zeit, mehr Druck und mehr Energie“, sagt Jason Barton, nationaler Vertriebs- und Marketingmanager bei Dukane Corp. „Halbkristalline Materialien benötigen tendenziell deutlich mehr.“

Dies kann beim Ultraschall- oder Vibrationsschweißen ein Problem sein. Eine zu große Amplitude kann zu Rissen oder einer Schwächung der distalen Bereiche der Teile führen.

Das Teiledesign ist ein weiteres Problem. Beim Schweißen von Kunststoffen, die Füllstoffe enthalten, empfiehlt es sich, die Materialmenge an der Verbindungsstelle zu erhöhen. „Normalerweise benötigt man bei gefülltem Material mehr Schweißfläche als bei Neumaterial“, sagt Barton.

Wann immer es möglich ist, bevorzugen Ingenieure aufgrund der Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit den Einsatz von Ultraschall zum Schweißen von Kunststoffteilen.

„Wir schweißen ständig gefüllte Kunststoffe“, sagt Sophie Morneau, Emerson Global Director of Application Development bei Branson Ultraschall. „Tatsächlich können 10 bis 20 Prozent Füllstoff das Ultraschallschweißen unterstützen, indem sie das Material steifer machen, was die Übertragung von Vibrationen auf die Schweißverbindung unterstützt. Je weicher das Material, desto besser absorbiert es Vibrationen.“

Andererseits kann zu viel Füllstoff die Schweißnaht beeinträchtigen. „Wenn zu viele Fasern vorhanden sind, kann der Kunststoff an der Schweißnahtstelle nicht gut vermischt werden, sodass das Erreichen einer hermetischen Abdichtung problematisch sein kann“, erklärt Morneau. „Bei einem Füllstoffgehalt über 30 Prozent kann es zu Problemen kommen.“

Eine weitere Überlegung ist, dass Füllstoffe, insbesondere Glasfasern, abrasiv wirken können. Ultraschallhörner benötigen möglicherweise eine Schutzbeschichtung, um vorzeitigem Verschleiß vorzubeugen.

Wenn Teile zu groß, zu komplex oder zu robust für das Ultraschallschweißen sind, kommen andere Verfahren zum Einsatz. Eines davon ist das Vibrationsschweißen. Tatsächlich deuten einige Hinweise darauf hin, dass die Vibrationen dazu beitragen könnten, die Fasern an der Schweißnahtschnittstelle zu verflechten und dadurch die Festigkeit der Verbindung zu erhöhen.

Beim Vibrationsschweißen zum Verbinden gefüllter Materialien sollte die Schweißnaht – der Bereich des Teils, der während des Prozesses geschmolzen wird – breiter und höher als normal sein, rät Kevin Buckley, Emerson Technical Applications Manager bei Branson Ultraschall. „Wenn die Wände des Teils 2 Millimeter dick sind, sollte die Schweißnaht 2,5 Millimeter betragen“, sagt er. „Wenn sie der Wandstärke entspricht, kann man mit 90 Prozent der Festigkeit des Grundmaterials rechnen.“

Beim Vibrationsschweißen von gefüllten Materialien ist die Eindämmung von Flammen von entscheidender Bedeutung. „Beim Vibrationsschweißen hat das Material, das aus der Verbindung verdrängt wird, nur sehr wenig Restwärme“, sagt Buckley. „Wenn man Füllstoffe hinzufügt, kühlt dieser Grat noch schneller ab. Daher müssen Sie möglicherweise das Volumen des Flash-Falle-Bereichs überdimensionieren.“

Manchmal können Schweißverfahren in Verbindung miteinander verwendet werden. Beispielsweise können Infrarotstrahler dazu verwendet werden, gefüllte Materialien vor dem Vibrationsschweißen vorzuwärmen.

„Es ist langsamer als herkömmliches Vibrationsschweißen, aber schneller als Heizplattenschweißen“, sagt Barton. „Außerdem reduziert es die Bildung von Graten und Partikeln und sorgt für eine stärkere Bindung.“

Laserschweißen ist eine weitere Möglichkeit, gefüllte Materialien zu verbinden – sofern der Laser nicht zu weit durch das durchlässige Teil wandern muss. „Wenn Sie ein Nylonteil mit 30 Prozent Glas schweißen, wird der Laser von einigen dieser Fasern abprallen“, sagt Buckley. „Die Schweißzeiten werden länger und die Lichtintensität muss erhöht werden.“

Wenn die Kunststoffteile demontiert werden müssen, bleibt den Ingenieuren kaum eine andere Wahl, als für den Zusammenbau Gewindebefestigungen zu verwenden. Glücklicherweise wurden zahlreiche Schrauben speziell für die Befestigung von Kunststoffen entwickelt, und das Vorhandensein von Glasfasern oder anderen Füllstoffen stellt kein großes Problem dar.

„Das Befestigen von glasfaserverstärkten Thermoplasten ist eine ziemliche Selbstverständlichkeit“, sagt Terry Tripp, strategischer Kundenbetreuer und technischer Produktspezialist beim Verbindungselementhersteller Semblex Corp. „Mit einigen Ausnahmen die beste Option zum Befestigen von Kunststoffen, die Glas, Talk oder andere Füllstoffe enthalten.“ ist typischerweise eine gewindefurchende Schraube.

„Es kommt nicht darauf an, woraus das Material besteht, sondern wie steif es ist. Die Steifigkeit gibt Ihnen einen Hinweis darauf, wie tolerant das Material gegenüber Gewindebildung ist. Sobald man einen Biegemodul von 1,4 bis 1,6 Millionen psi überschreitet, handelt es sich um gewindeschneidende Schrauben.“

Eine der gebräuchlichsten gewindefurchenden Schrauben für Kunststoffe ist die Delta PT, die vom deutschen Befestigungshersteller EJOT entwickelt und an eine Reihe nordamerikanischer Hersteller, darunter Semblex, lizenziert wurde. Die Schraube wird in einer Vielzahl von Automobilanwendungen eingesetzt, bei denen sowohl gefüllte als auch ungefüllte Kunststoffe zum Einsatz kommen, darunter Scheinwerfergehäuse, Motorabdeckungen, Ansaugkrümmer und Drosselklappen.

Die Flankengeometrie der Delta PT-Schraube reduziert die radiale Belastung der Nabe. Die Flanke beginnt mit einem 30-Grad-Winkel, der schnell in einen 20-Grad-Winkel übergeht. Dies ermöglicht einen ungehinderten Fluss des Kunststoffs während der Montage.

„Die Gewinde bewegen den Kunststoff sanft … in den Gewindegrund, was einen hohen Flankenkontakt ermöglicht“, erklärt Tripp.

Das mehrfach abgewinkelte Gewindeprofil und die Kernaussparung des Befestigungselements maximieren den Eingriff mit dem Kunststoff. Verbindungselemente mit flacher Wurzel können zu Materialverklemmungen führen, die zu Spannungskonzentrationen im Kunststoff führen und zu Rissen führen können. Der Kernkern eliminiert Spannungskonzentrationen und sorgt für einen nahezu 100-prozentigen Flankeneingriff.

Der Kopf des Delta PT verfügt über eine große Auflagefläche, die den Druck über einen großen Bereich der Nabe verteilt. Es verbessert außerdem die Gelenkstabilität, indem es das Kriechen reduziert und das Losbrechmoment erhöht. Der vergrößerte Innendurchmesser und die große Querschnittsfläche des Delta PT erhöhen die Torsions- und Zugfestigkeit, sodass das Befestigungselement in duroplastischen und glasfaserverstärkten thermoplastischen Materialien verwendet werden kann.

Unabhängig davon, welche Art von Befestigungsmittel sie für Kunststoff verwenden, sind Ingenieure gut beraten, die Geschwindigkeit des Fahrers zu bremsen.

„Bei jedem Befestigungselement für Kunststoff ist es wichtig, dass man es nicht mit zu hoher Geschwindigkeit anbringt“, warnt Tripp. „Sie möchten keine Wärme erzeugen, die den Kunststoff weicher macht und das Verhältnis von Antrieb zu Streifen verringert.“

Eine weitere Möglichkeit zur Befestigung thermoplastischer Verbundwerkstoffe sind Gewindeeinsätze. Mit Einlegeteilen können Teile sicher und fest verschraubt werden, sodass sie sich auch immer wieder problemlos demontieren lassen. Bei der Befestigung mit Schrauben, die direkt in Kunststoff eingedreht werden, besteht bei jedem Zusammenfügen der Teile die Gefahr, dass sich das Gewinde verkreuzt oder ausreißt.

Ein zusätzlicher Vorteil ist die hohe Belastbarkeit. „Einsätze haben im Allgemeinen den doppelten Durchmesser einer Schraube, wodurch sich die Scherfläche vervierfacht“, sagt Christie L. Jones, Marktentwicklungsmanagerin bei SPIROL International Corp.

Die Überlegungen zur Spezifikation und Installation von Gewindeeinsätzen in thermoplastischen Verbundwerkstoffen ähneln denen für homogene Thermoplaste.

Es gibt viele Arten von Einsätzen. Einige werden während des Formens installiert. Andere werden eingepresst. Dehneinsätze werden in den Kunststoff eingepresst und dehnen sich beim Einbau der Gegenschraube aus. Selbstschneidende Einsätze, die wie eine Schraube in ein Loch getrieben werden. Andere Einsätze werden mit einem beheizten Werkzeug oder einem Ultraschallwerkzeug installiert. Welche zu wählen ist, hängt vom Material ab.

So sind selbstschneidende Einsätze je nach Duktilität des Kunststoffs in gewindeformender oder gewindeschneidender Ausführung erhältlich. Für duktile Kunststoffe eignen sich gewindeformende Versionen am besten, sagt Jones. Ihr grobes Gewinde verhindert ein Ausreiben des Lochs. Für spröde Materialien sind gewindeschneidende Ausführungen besser geeignet.

Wenn der Einsatz mit Wärme oder Ultraschall installiert wird, ist die Wärmeformbeständigkeit des Kunststoffs von großer Bedeutung. „Sie möchten den Einsatz installieren können, ohne den Kunststoff so stark zu erhitzen, dass am Ende Grat aus dem Loch spritzt“, erklärt Jones. „Andererseits möchte man den Kunststoff nicht so wenig erhitzen, dass es am Ende zu einer Kaltpressung des Einsatzes kommt. Das Ziel besteht darin, den verdrängten Kunststoff innerhalb der Rändelungen, Rillen und Hinterschnitte des Einsatzes zu maximieren.

„Auch die Größe des Einsatzes und die Geschwindigkeit, mit der der Kunststoff die Erweichungstemperatur erreicht, wirken sich auf die Zykluszeit aus.“

Die Lochgröße ist ein weiterer Gesichtspunkt. Wenn der Kunststoff Glas oder mineralische Füllstoffe enthält, muss die empfohlene Lochgröße möglicherweise erhöht werden. „Unsere Faustregel lautet: Wenn der Füllstoffgehalt 15 Prozent oder mehr beträgt, vergrößern Sie das Loch um 0,003 Zoll. Wenn der Füllstoffgehalt 35 Prozent oder mehr beträgt, vergrößern Sie das Loch um 0,006 Zoll.“

Weitere allgemeine Überlegungen, die sich auf die Leistung eines Gewindeeinsatzes auswirken können, sind die Konfiguration des Lochs (gerade oder konisch), die Wandstärke und ob die Löcher geformt oder gebohrt sind.

Aufgrund seiner hohen Festigkeit und seines geringen Gewichts wird kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) zunehmend in Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und im Sportartikelbereich eingesetzt.

Bis vor Kurzem hatten Ingenieure drei Möglichkeiten, Gewindebefestigungen in Verbindung mit CFK zu verwenden. Sie könnten beim Auflegen Bolzen oder Muttern in das Material einbetten; sie könnten Bolzen oder Muttern nach dem Aushärten mit dem Material verbinden; Oder sie bohren Löcher in das Material und verwenden herkömmliche Muttern, Bolzen, Bruchnieten oder Nietmuttern.

Jetzt hat EJOT eine weitere Option vorgestellt: die FLOWpoint Delta PT-Schnecke. Dieses Befestigungselement vereint die Eigenschaften zweier bewährter Befestigungskonstruktionen von EJOT, der Delta PT-Schraube für die Kunststoffmontage und der FDS-Fließbohrschraube für die Blechmontage.

Die FLOWpoint Delta PT ist eine selbststanzende und selbstschneidende Schraube, die ohne Vorbohrung sowohl in das geklemmte als auch in das Gegenmaterial eindringt. Die Gewindegeometrie der Delta PT-Schraube wurde leicht modifiziert, um ein starkes Innengewinde aus CFK zu bilden, das eine Demontage und erneute Montage der Schraube ermöglicht. Ebenso wurde die Spitze der FDS-Schraube geändert, um eine bessere Durchdringung von CFK zu ermöglichen.

„CFK ist typischerweise ein dünnes Material. Es gibt keine großen, langen Vorsprünge mit viel Spielraum für den Gewindeeingriff“, sagt Eric Breidenbaugh, FDS-Produktlinienmanager bei Semblex, das die Lizenz zur Herstellung des neuen Verbindungselements besitzt. „Der FLOWpoint Delta PT hat mehr Fäden pro Zoll, was bei dünnen Materialien besser funktioniert.“

Der Befestiger dient zur Verbindung von CFK mit Aluminium oder Stahl. Das CFK könnte das Obermaterial oder das Untermaterial sein. Das CFK muss je nach Material eine Mindestdicke von 2 bis 4 Millimetern aufweisen. Das Blech muss eine Mindeststärke von 1 bis 2 Millimetern haben. „Mit weniger als dem erreichen Sie einfach keine gute Thread-Einbindung“, sagt Breidenbaugh.

Der FLOWpoint Delta PT wird wie eine Fließbohrschnecke mit einer Kombination aus Axialdruck und hoher Drehzahl eingebaut. Das Befestigungselement dringt in die Schichten ein, extrudiert einen kurzen Vorsprung, bildet sein eigenes Gewinde und übt eine Klemmkraft zwischen den Blechen aus. Der Installationsprozess umfasst sechs verschiedene Schritte: Erhitzen, Eindringen, Extrusionsformen, Gewindeformen, Schrauben und Festziehen.

Die anfängliche Antriebsgeschwindigkeit beträgt etwa 2.000 U/min, verglichen mit 5.000 bis 8.000 U/min bei einer Fließbohrschraube in Aluminium. „Man möchte eine gute Formgebung erzielen, aber den Kunststoff nicht verbrennen oder das Material zerreißen“, sagt Breidenbaugh.

Auch der Axialdruck ist geringer. Während eine Fließbohrschnecke mit einer Abwärtskraft von 2.000 Newton installiert werden kann, wird die FLOWpoint Delta PT-Schraube mit einer Kraft von 300 bis 800 Newton installiert.

„Bei CFK gibt es so viele Variationen, dass jede Anwendung getestet werden muss“, warnt Breidenbaugh. „Es gibt noch keine einheitlichen Richtlinien.“

Die FLOWpoint Delta PT-Schraube kann mit den gängigsten Innen- und Außenantriebsmulden und Kopfgeometrien hergestellt werden. Es ist in Edelstahl, Stahl und Aluminium erhältlich. Eine Herausforderung bei der Installation von Befestigungselementen in CFK ist die galvanische Korrosion. Daher sollten Ingenieure das Material, die Beschichtung und die Beschichtung der Befestigungselemente sorgfältig auswählen.