Gewindebefestigungen für die Kunststoffmontage

Bei so vielen Möglichkeiten, Kunststoff zu formulieren, um genau die richtige Kombination aus Farbe, Textur, Festigkeit und Haltbarkeit zu erhalten, vergisst man leicht, wie die Teile zusammengebaut werden. Wenn die Teile jedoch mit Schrauben zusammengebaut werden, kann die Nichtberücksichtigung von Parametern wie Gewindeart, Antriebsgeschwindigkeit und Nabendesign zu einer Katastrophe am Fließband führen.

„Jedes Mal, wenn wir einen Schraubprozess automatisieren, lernt der Kunde am Ende viel über seine Teile“, sagt Jarrod Neff, Marketingleiter bei Visumatic Industrial Products. „Das gilt insbesondere für Kunststoffteile.“

Visumatic entwirft beispielsweise eine Roboter-Montagezelle, um Schrauben in ein langes Kunststoffprodukt einzubauen. Ob aufgrund von Toleranzüberlagerungen, Teilevariationen oder fehlenden Positionierungsmerkmalen – die Löcher an einem Ende des oberen Teils sind nur einen Bruchteil eines Millimeters von den Löchern am unteren Teil entfernt. Während ein Mensch einen solchen Unterschied möglicherweise ausgleichen kann, ist ein Schraubroboter nicht in der Lage.

Jetzt arbeiten Visumatic und sein Kunde gemeinsam daran, die Teile für die automatisierte Montage zu optimieren.

Automatisierung – oder deren Fehlen – ist nur ein Faktor, den Ingenieure berücksichtigen müssen, wenn sie Schrauben zur Montage von Kunststoffteilen verwenden. Auch die richtigen Fahrereinstellungen wie Drehmoment, Geschwindigkeit und Abtrieb können einen großen Unterschied machen.

„Das Einfahren in Plastik ist etwas ganz anderes als das Einfahren in Metall oder ein Gewindeloch“, sagt Gene Mack, Vizepräsident von Nitto Seiko America. „Das Problem ist, dass das Drehmoment eine Konstante ist, aber wir geben es in ein variables System ein. Das zum Eindrehen einer Schraube und zum Entwickeln einer Klemmkraft erforderliche Drehmoment hängt vom relativen Innendurchmesser des Lochs ab. Wenn das Loch also größer wird, benötigen Sie weniger Drehmoment, um die Schraube festzuziehen, und wenn es kleiner wird, benötigen Sie mehr.

„Um Ihr Schraubsystem einzurichten, ist es eine gute Faustregel, Ihr Versagensdrehmoment zu ermitteln und das Anzugsdrehmoment auf 75 Prozent davon einzustellen. An diesem Punkt sitzen die meisten Ihrer Schrauben fest und lösen sich nicht mehr.“

Auch die Geschwindigkeit des Fahrers macht einen Unterschied. „Wenn Sie bestimmte Kunststoffe zu schnell bearbeiten, kann der Kunststoff beim Eindrehen der Schraube tatsächlich schmelzen, sodass sich die Gewinde nicht richtig bilden“, betont Mack. „Auch die Schubkraft ist eine Überlegung wert. Wenn der Fahrer während der Fahrt zu stark nach unten drückt, kann es insbesondere bei weicheren Kunststoffen zu einer Verformung des Gewindes kommen.“

Zahlreiche Schrauben wurden speziell für die Montage von Kunststoffteilen entwickelt. Verbindungselemente wie HI-LO von ITW Shakeproof, Remform von Research Engineering & Manufacturing Inc. und Ecosyn von Bossard gibt es schon seit vielen Jahren.

Das heißt jedoch nicht, dass diese Designs nicht optimiert werden. So stellte EJOT beispielsweise kürzlich die EVO PT vor, eine Weiterentwicklung der klassischen Delta PT-Schraube des Unternehmens. Mithilfe einer Computersimulation verfeinerte das Unternehmen das Design der Schraube, um heutige technische Kunststoffe zu befestigen und Monteuren dabei zu helfen, Verbindungselemente für mehrere Anwendungen zu standardisieren.

Durch die Gewindeformzone des EVO PT können Monteure unabhängig von der Einbautiefe ein konstantes Einbaudrehmoment erzielen. Daher können auch bei bauteilübergreifenden Anwendungen identische Schraubenabmessungen verwendet werden. Dies reduziert die Bauteilvielfalt bei der Montage und trägt zu einer wirtschaftlichen und zuverlässigen Montage bei.

Weitere Schrauben wurden entwickelt, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Eine der neuesten ist die selbstschneidende Gizatite-Schraube von Nitto Seiko. In den Außenumfang des Gewindes sind über die gesamte Länge der Schraube vier gleichmäßig verteilte quadratische Rillen eingeschnitten. Beim Einbau der Schraube graben sich diese Rillen in den Kunststoff ein und verhindern so ein Lösen aufgrund von Vibrationen und Temperaturschwankungen. Ein spitzer Gewindewinkel baut innere Spannungen ab und verhindert Risse in der Nabe.

In der Automobilindustrie wird das Befestigungselement zur Montage von Außenspiegeln, Massenstromsensoren, Ansaugkrümmern, Wasserpumpen, Klimaanlagen und Fensterhebern verwendet. Das Befestigungselement wird auch zur Montage von Telekommunikationsgeräten, Lautsprechern, Trocknern, Druckern, Kettensägen und anderen Produkten verwendet, die Vibrationen und Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

„Denken Sie an das Armaturenbrett in einem Fahrzeug“, sagt Toru Shikata, Präsident von Nitto Seiko. „Im Sommer kann es eine Temperatur von 100 F haben, aber im Winter kann die Temperatur unter 0 °C liegen. Solche Temperaturschwankungen können zu einer erheblichen Ausdehnung und Schrumpfung des Kunststoffs führen, wodurch sich die Schrauben lösen können. Die Gizatite-Schraube hat Rillen entlang ihres Gewindes, die den Kunststoff festhalten und verhindern, dass er sich löst.“

Ein weiteres neues anwendungsspezifisches Verbindungselement ist das Twinplast von CELO, das für die Montage dünner Kunststoffelemente, insbesondere geblasener Kunststoffteile, konzipiert wurde. Das Gewindedesign und die scharfe Spitze ermöglichen das Einsetzen der Schraube ohne Führungsloch oder Vorsprung. Es kann verwendet werden, wenn die Kunststoffdicke zwischen einem Drittel und zwei Dritteln des Schraubendurchmessers beträgt.

Der Verschluss bietet viele Vorteile. Erstens wird dadurch die Nockenkonstruktion überflüssig, was die Kunststoffverteilung während des Blasprozesses verbessert. Es reduziert das Gewindeformmoment und sorgt so für ergonomischere Montagebedingungen. Es verbessert die Auszieh- und Abstreiffestigkeit und die größere Kontaktfläche des Kopfes verteilt die Belastung besser auf den Kunststoff.

Twinplast-Schrauben können mit unterschiedlichen Kopftypen, Antriebsmulden, Abmessungen und Beschichtungen hergestellt werden. Bei dickeren Kunststoffelementen oder wenn der Kunststoff nicht gebohrt werden kann, kann eine selbstbohrende Spitze hinzugefügt werden.

In anderen Fällen wurden Schrauben eingeführt, um neue Materialien zu befestigen. So werden in verschiedenen Produkten zunehmend geschäumte Thermoplaste eingesetzt, um Gewicht einzusparen. Diese Materialien verfügen über eine mikrozelluläre Schaumstruktur (auch bei Wandstärken von weniger als 1 Millimeter) und eine dichte Außenschicht. Je nach Bauteil sind Gewichtseinsparungen von 5 bis 15 Prozent möglich. In der Automobilindustrie wird das Material für eine Vielzahl von Innenraumkomponenten verwendet, darunter Instrumententafel, Deckel, Tür- und Sitzverkleidungen sowie Steuergehäuse.

Herkömmliche selbstschneidende Schrauben können geschäumten Thermoplast aufgrund seiner geringeren Dichte nicht befestigen. Die neue Cell PT Schraube von EJOT kann.

Die Spitze und die Gewindekontur des Befestigungselements wurden speziell für geschäumten Thermoplast entwickelt. Die Kontur ermöglicht es der Schraube, das Gewinde durch elastische oder plastische Verformung innerhalb der Nabe zu prägen, ohne das Material zu beschädigen.

Durch den Gewindeprägeprozess wird die dichte Außenschicht des Kernlochs durch den Gewindegrund verformt und nicht zerstört, was zu einer hohen Drehmoment- und Lastübertragung führt. Bei Sacklochverbindungen dringt die speziell geformte Spitze in das Kunststoffmaterial am Lochgrund ein und erhöht so das Abreißmoment zusätzlich.

Ein weiterer neuer Werkstoff, der Monteure auf die Suche nach Befestigungsmöglichkeiten bringt, ist kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK). Die neue selbstschneidende CF-TITE-Schraube von Nitto Seiko ist genau dafür konzipiert. Die in Zusammenarbeit mit CFK-Herstellern entwickelte Schraube verfügt über ein spezielles Gewindeprofil, das Gewindeeinsätze oder vorgefertigte Gewindelöcher überflüssig macht, was Gewicht, Zeit und Kosten spart.

„Das Problem bei CFK ist, dass es wegen der Carbonfasern schwierig mit herkömmlichen Blechschrauben zu befestigen ist“, erklärt Shikata. „Das Gewinde der Schraube zerschneidet die Fasern und schwächt das Material. Vor CF-TITE konnte CFK nur mit einer Schraube und einer Mutter befestigt werden. Die CF-TITE-Schraube verfügt über ein spezielles Gewindedesign, das die Fasern nicht schneidet.“

Das Befestigungselement bietet bei CFK außerdem ein höheres Antriebs-zu-Streifen-Verhältnis als herkömmliche selbstschneidende Schrauben – ein Vorteil bei diesem teuren Material. Um dies zu beweisen, führte Nitto Seiko Tests durch, bei denen eine standardmäßige 5x16-Blechschraube der Klasse 2 mit einer 5x18 CF-TITE-Schraube in 2,4 Millimeter dicken CFK-Platten verglichen wurde. Tests ergaben, dass die Standard-Blechschraube ein Gewindeformungsdrehmoment von 1,3 Newtonmetern und ein Bruchdrehmoment von 2,4 Newtonmetern aufwies, was zu einem Antriebs-zu-Streifen-Verhältnis von 1,8 führte. Im Gegensatz dazu erzeugte die CF-TITE-Schraube ein Gewindeformungsdrehmoment von 1,4 Newtonmetern und ein Bruchdrehmoment von 5 Newtonmetern, was zu einem Antriebs-zu-Streifen-Verhältnis von 3,5 führte.

Ein weiterer Vorteil des Befestigungselements besteht darin, dass es ohne Leistungseinbußen mehrmals entfernt und wieder installiert werden kann.