Biokunststoffe werden zunehmend auch für Komponenten in Industrieprodukten genutzt. Beispiele sind Bauteile aus dem Automobilbereich, der Elektronik-Industrie oder der Baubranche. Doch für die Verschraubung von Biopolymeren sind angepasste Verbindungselemente erforderlich, die prozesssicher verarbeitet werden können. Mit Blick auf den zunehmenden Einsatz von Biokunststoffen in Hochleistungsprodukten müssen diese Verbindungen für diese neuen Werkstoffe neu betrachtet werden.
Arnold Umformtechnik hat in einem gemeinsamen Projekt mit Bond-Laminates untersucht, ob die gewindeformende Schraube „Remform II HS“ für den Einsatz in biobasierten Verbundwerkstoffen geeignet ist. Die gewindeformende Schraube mit einem verrundeten Gewindeprofil wurde speziell für Hochleistungs- und Biokunststoffe konzipiert. Sie wird eingesetzt, wenn eine hohe Vorspannkraft und eine hohe Lösesicherheit gefordert sind. Konstruktiv zeichnet sich die Schraube durch ein asymmetrisches Gewindeprofil mit abgerundeter Flankenspitze und gewölbter Lastflanke aus. Diese Geometrie ist an die Fließeigenschaften von Kunststoff angepasst und ermöglicht eine schonende Materialverdrängung. Zudem hat die Schraube einen optimierten, vergrößerten Gewindekern, der sowohl das Bruchmoment also auch die Zugbruchkraft der Schraube deutlich erhöht. Dies führt zu einer stabileren Verbindung der Fügepartner, lässt aber auch bei hochfesten Kunststoffen ein höheres Montagedrehmoment zu, ohne das Risiko eines Schraubenbruchs. Durch die Kombination aus Radiusprofil und steiler Lastflanke fließt das Kunststoffmaterial beim Einschrauben zur Lastflanke und sorgt für eine sehr gute Flankenüberdeckung. Durch die Reduzierung des Lastflankenwinkels auf zehn Grad werden die Radialspannungen erheblich reduziert. So wird trotz der hohen Gewindeüberdeckung ein niedriges Einschraubmoment erzeugt und durch die geringere Radialdehnung die Rissgefahr im Kunststoff reduziert.
Wichtige Einflussfaktoren auf die Schraubverbindung sind die Tubus- und Schraubengeometrie, die Kernlochdurchmesser sowie der Werkstoff und in diesem Zusammenhang die Festigkeit, die Konditionierung oder Faseranteile. Außerdem gilt es, Montageeinflüsse wie die Genauigkeit des Schraubsystems oder die Drehzahl zu beachten. Auch die verschiedenen Belastungsarten im Einsatz wie Temperatur und Dynamik sind wichtig. Unter Beachtung dieser Faktoren lässt sich anhand von einer exemplarischen, realen Schraubkurve darstellen, dass sich beim Einsatz der „Remform II HS“ in einem Hochleistungskunststoff die Verschraubungswerte deutlich verbessern lassen. „Im Vergleich zur Remform-Schraube, die quasi als Standardlösung für technische Kunststoffe gilt, lässt sich mit der Remform II HS die Versagenskraft und das Versagensmoment um zirka 20 Prozent steigern“, sagt Sinja Strobl, Product Engineer bei Arnold Umformtechnik.
Für die Verbindung von Kunststoffbauteilen eignen sich Kunststoffdirektverschraubungen als prozesssichere und kostenoptimierte Lösung. Arnold Umformtechnik und Bond-Laminates haben gemeinsam untersucht, inwieweit die „Remform II HS“ für die Verschraubung des Bio-Kunststoffen Tepex von Lanxess geeignet ist. Die ersten Ergebnisse der Einschraub- und Überdrehversuche sprechen dafür, dass sich mit der gewindeformenden Schraube in das biobasierte Material sehr gut ein Mutterngewinde mit höchster Tragfähigkeit formen lässt. „Es kam beim Verschrauben nicht zu Spannungsrissen oder unerwünschten Deformationen im Probenkörper. Das Tepex-Material hat uns wirklich überrascht. Denn im Vergleich zu den anderen geprüften Werkstoffen konnten damit die besten Versagensmomente erzielt werden, sogar höhere als mit einem PPS mit Glasfaserverstärkung“, fasst Strobl die Ergebnisse zusammen. Auch mit Blick auf die Prozesssicherheit kann die Kombination „Remform II HS“ und Tepex punkten. „Durch die niedrigen Einschraubmomente und die hohen Überdrehmomente wird ein hohes Deltamoment erzielt, welches ein großes Prozessfenster zur Montage eröffnet und dem Anwender viel Sicherheit gibt“, so Strobl abschließend.
