Description
Die Anforderungen an moderne, wirtschaftliche und kunststoffgerechte Konstruktionen zum lösbaren Verbinden von Formteilen aus Kunststoff steigen permanent.
Der Rationalisierungsdruck zwingt zu dünnwandigeren Konstruktionen und preiswerten Werkstoffen. Diese Tendenz stellt auch immer höhere Anforderungen an die Schraubverbindungen.
Die Schraubenindustrie hat erhebliche Anstrengungen unternommen, um Spezialschrauben für die Direktverschraubung in thermoplastische Kunststoffe zu entwickeln.
Diese Spezialschrauben haben einen Flankenwinkel von ca. 30 Grad, um eine höhere Belastbarkeit aufgrund der grösseren Gewinde-Tragtiefe zu erreichen und eine grösstmögliche Sicherheit gegen Relaxation zu bieten.
Zusätzlich haben sie in der Regel im Bereich des Schaftes eine Kernauskehlung zur Aufnahme des verdrängten Kunststoffes und einen Kopf mit untergepresster Scheibe, um Setzerscheinungen vorzubeugen.
Auf die Geschwindigkeit kommt es an
Voraussetzung für eine sichere Schraubverbindung ist die funktionsgerechte Gestaltung der Bauteile, insbesondere der Tubusgeometrie, die richtige Einschraubtiefe, genügend Abstand zwischen Eindrehmoment und Überdrehmoment und die Beachtung der maximalen Eindrehgeschwindigkeit.
Die Eindrehgeschwindigkeit sollte in Abhängigkeit von den verschiedenen Parametern zwischen 450 und 700 U/min. betragen.
Zur Erreichung kurzer Taktzeiten werden häufig Schrauber gewählt, die zu schnell drehen. Infolge der hohen Umfangsgeschwindigkeit und der Reibung entsteht soviel Wärme in der Schraube, dass der thermoplastische Kunststoff in der Regel aufschmilzt.
Die Aufschmelzerscheinungen beginnen teilweise bereits mit dem ersten Gewindegang und setzen sich dann über die gesamte Eindrehlänge fort. Dieser Prozess wird dadurch begünstigt, dass der mit dem ersten Gewindegang (höchste Erwärmung durch maximale Umformung) aufgeschmolzene thermoplastische Kunststoff durch die geometrische Form einer Schraube schneckenförmig nach hinten gefördert wird.
Dies führt beim anschliessenden Erkaltungsprozess dazu, dass sich das aufgeschmolzene Material formschlüssig um den Schraubenkern legt. Dieser Schmelzpfropf nimmt zum umgebenden Thermoplast nur noch eine geringe Festigkeit ein.
Besonders bei ABS und bei Polycarbonat werden starke Aufschmelzerscheinungen sichtbar.
Aus dem Schmelzpfropf auf dem Schraubenkern resultiert eine geringere tragende Profilüberdeckung, da nur noch der äussere Teil der Gewindeflanken in den nicht aufgeschmolzenen Kunststoff eingreift, wodurch die übertragbaren Vorspann- und Ausreisskräfte deutlich abnehmen.
Bei der Verschraubung mit zu hoher Drehzahl schaltet der Schrauber trotz des aufgeschmolzenen thermoplastischen Kunststoffs noch sauber ab, da die Profilüberdeckung hierzu in der Regel noch ausreicht. Deshalb wird oft gar nicht wahrgenommen, dass die Schraubverbindungen infolge der zu hohen Drehzahl bereits vorgeschädigt ist.
Unter Belastung wird dann häufig die Schraube einschliesslich Schmelzpfropf aus dem thermoplastischen Kunststoff herausgerissen.
Probleme auch bei Reparaturen
Durch den Schmelzpfropf wird auch die Wiederholmontage (Reparatur) beeinträchtigt oder unmöglich gemacht. Bereits ein kleiner, dem ersten Gewindegang anhaftender Schmelzpfropf führt beim Herausdrehen der Schraube zu einer Zerstörung des Muttergewindes auf der gesamten Eindrehlänge. Der Zusammenhang zwischen Einschraubdrehzahl und Abstand zwischen Eindrehmoment und Überdrehmoment ist eindeutig. Untersuchungen des Drehmomentverlaufs zeigen deutlich, dass mit zunehmender Einschraubdrehzahl die Überdrehmomente sehr rasch abnehmen und dass der grösste Abstand zwischen Eindreh- und Überdrehmoment bei einer Drehzahl im Bereich von 450 bis 550 U/min. liegt.
Für die Praxis bedeutet dieser Bereich die grösstmögliche Montagesicherheit. Es sollte daher für Verschraubungen in thermoplastische Kunststoffe eine Obergrenze von 450 bis 700 U/min. angestrebt werden.
Um die für den jeweiligen Schraubfall günstigste Eindrehgeschwindigkeit wählen zu können, sind Schrauber ideal, deren Drehzahl in dem Bereich von 450 bis 700 U/min. vorwählbar ist und die in der Drehzahl unabhängig von dem jeweilig abgeforderten Moment konstant blieben. Hier kommen die Vorteile von Elektroschraubern gegenüber Pneumatikschraubern voll zum Tragen.
