Eine klassische metrische Verbindung lässt sich mit analytischen Mitteln realitätsnah berechnen und auslegen. Bei Kunststoffdirektverschraubungen spielt jedoch das verwendete Material eine wichtige Rolle. Zwar ist die Grundzusammensetzung der Kunststoffarten immer die gleiche, aber die Additive, die zum Beispiel zur Anpassung der Festigkeit oder spezieller Eigenschaften eingebracht werden, führen zu einem individuellen Bauteil. Das hat Auswirkungen auf die Schraubverbindung und bedeutet daher für die Entwickler und Hersteller eine Herausforderung.

Bei einer herkömmlichen Kunststoffverschraubung ist das Einlegen des Inserts in das Werkzeug der erste Verarbeitungsschritt. Anschließend wird das Kunststoffbauteil gespritzt, abgekühlt und entformt. Bevor der finale Montageprozess beginnen kann, wird zusätzlich eine Schraube benötigt. Doch zunehmend findet man überall dort, wo Leichtbau, hohe Kräfte und Kostenoptimierung aufeinandertreffen, Kunststoffdirektverschraubungen: in Leiterplattenbefestigungen, wo der Bauraum stark begrenzt oder der Einsatz von Inserts nicht möglich ist, in hochbelasteten dünnwandigen Bauteilen wie Außenspiegeln, aber auch dort, wo die Kosten bei der Herstellung von großer Bedeutung sind – in Kaffeemaschinen, Staubsaugern oder Ölfiltern.

Im Gegensatz zur üblichen Kunststoffverschraubung ist der Verarbeitungsprozess in der Kunststoffdirektverschraubung mit der Remform-Schraube von Arnold Umformtechnik deutlich kürzer. „Das Bauteil lässt sich direkt mit optimal ausgelegten Kernlöchern spritzen und im Anschluss mittels Kunststoffschraube montieren. Dadurch fallen Kosten- und Prozesszeitentreiber wie Handlings von unterschiedlichen Kleinteilen sowie höhere Werkzeugkosten und Prozesszeiten für den Einlegevorgang weg“, erklärt Martin Stasch, Produktingenieur bei Arnold.

Sichere Verbindung durch spezielle Gewindegeometrie

Die Remform-Schraube gewährleistet durch ihr asymmetrisches Gewindeprofil eine sichere Verbindung der Kunststoffdirektverschraubung. „Verglichen mit einer herkömmlichen Kunststoffschraube hat die Remform einen optimierten Gewindekern, der neben der Schwingfestigkeit auch das Bruchdrehmoment der Schraube deutlich erhöht. Dies führt zu einer stabileren Verbindung der Fügepartner und ermöglicht auch bei hochfesten Kunststoffen ein höheres Montagedrehmoment ohne das Risiko eines Schraubenbruchs“, sagt Stasch.

Eine Verbesserung zur üblichen 30°-Flanke stellt das Radiusprofil der Gewindeflanken dar. Durch die schnell auftretenden Druckspannungen während des Gewindeformens und die vergleichsweise hohen Drehzahlen findet ein lokaler Wärmeeintrag in den Kunststoff statt. Aufgrund der temperaturabhängigen visko-elastischen Eigenschaften des Kunststoffs lassen sich Fließverhalten und -richtung so gezielt beeinflussen. Das Radiusprofil verdrängt mit dem höheren Materialvolumen den Kunststoff zur lasttragenden Flanke hin, ohne starke Spannungsspitzen zu generieren. Die steile Lastflanke hat dabei die Aufgabe, die nötige Vorspannkraft bei gleichzeitig hoher Montagesicherheit zu generieren. Die aufgebrachte Vorspannkraft muss also vom Kunststoff gleichmäßig aufgenommen werden, ohne einen Dombruch aufgrund zu hoher Radialspannungen zu riskieren. Die vergleichsweise flache Neigung der lasttragenden Flanke und der erhöhte Kunststoffanteil auf der Kontaktfläche ermöglichen eine steilere Orientierung des Kraftvektors in axialer Richtung. Dabei sinkt das Risiko eines Dombruchs durch Minimierung der Radialspannung bei Erhöhung der übertragbaren Kraft.

Um all diesen Anforderungen bei Kunststoffdirektverschraubungen gerecht zu werden, verwendet Arnold für die Remform einen Werkstoff der Festigkeitsklasse 10.

Lösungen für die individuelle Anwendung

Die steile Lastflanke der Remform hat die Aufgabe, die nötige Vorspannkraft bei gleichzeitig hoher Montagesicherheit zu generieren.

Der Trend, Metalle durch immer leistungsstärkere und hochfeste Kunststoffe zu ersetzen, hält an. Optimal ausgelegte und für diese Hochleistungskunststoffe angepasste Direktverschraubungsprozesse tragen dem Rechnung. Sie können Montagezeiten verkürzen und Montagerisiken minimieren. Dabei spielen vor allem das Schraubendesign und die richtige Auslegung des Kunststoffbauteils eine wichtige Rolle. Für Martin Stasch steht fest: „In nahezu jeder Kunststoffapplikation lässt sich durch gezielte Auslegung die Kunststoffdirektverschraubung anwenden.“ Dabei sei es wichtig, vor allem bei komplexen Baugruppen schon während der Entwicklung oder in Form von Optimierungsschleifen die Menge an Kleinteilen auf ein Minimum zu reduzieren.

„Wir unterstützen den Kunden schon zu Beginn des Designprozesses und erstellen eine gezielte Analyse der Bauteile und Anforderungen. So können wir ohne Beeinflussung der Bauteileigenschaften die Komplexität verringern und gleichzeitig die Verbindungseigenschaften halten und unter Umständen sogar verbessern. Ziel ist es dabei immer, eine individuell auf die Kundenanwendung zugeschnittene Lösung zu erarbeiten“, erklärt der Produktingenieur.

Aus den geometrischen Eigenschaften der Kunststoffschraube resultiert neben der hohen Montagesicherheit und Montagevorspannkraft auch die Möglichkeit, prozesssichere Wiederholverschraubungen zu realisieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffverschraubungen mittels Hülse, Schraube und Mutter, lassen sich durch die einseitige Zugänglichkeit bei Kunststoffdirektverschraubungen die Komplexität der Bauteile und die Anzahl an zu verwaltenden Kleinteilen reduzieren.

Mit Hilfe des Arnold-Prognosetools Fast Designer Plastics lassen sich der Montageprozess und die Montagevorspannkräfte bereits im Designprozess prognostizieren sowie Kernloch und Schraube den entsprechenden Anforderungen anpassen. Kostenintensive Versuche lassen sich somit reduzieren. am