Inhaltsverzeichnis
1. Die Verfahren der chemischen Schraubensicherung
2. Mikroverkapselte und anaerobe Klebstoffe im Vergleich
3. Polyamid-Flecken nur als „Verliersicherung“?
4. Wann Schraubensicherungen eingesetzt werden sollten
5. Voraussetzungen für chemische Schraubensicherungen
6. Tipps für Konstruktion und Entwicklung
7. Lesetipp
KEM Konstruktion: Frau Tschechne, wenn sich Schraubverbindungen im späteren Betrieb aufgrund besonders schwankender Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit, hoher dynamischer Belastungen oder eines speziellen Kriech- oder Setzverhaltens zu lösen drohen, sichern die Hersteller diese Schrauben gern auf konstruktive, mechanische oder chemische Weise. Wir diskutieren heute über die chemische Schraubensicherung, die im Wesentlichen über Klebstoffe bewerkstelligt wird. Was sind die Vorteile, und welche Verfahren gibt es dabei?
Andrea Tschechne (Böllhoff): Es gibt mehrere Fakten, die für eine chemische Schraubensicherung sprechen. Ein wichtiger Vorteil ist schnell benannt: Chemische Schraubensicherungsverfahren können in bestehende Systeme integriert werden – wobei Ausnahmen die Regel bestätigen. Das heißt, die Bauteilgeometrie ändert sich durch diese Prozedur nicht, die Konstrukteure müssen an ihren Produkten nichts ändern. Das verringert den konstruktiven Aufwand bei chemischen Verfahren gegenüber der mechanischen Sicherung. Denken Sie nur – als einfaches Beispiel – an Senkkopfschrauben: Die können Sie nicht mit Ripp Lock sichern, das ist eine Unterlegscheibe mit Radialrippen, die sich formschlüssig in die Gegenauflage einprägen. Diese gehört zu der Gruppe der mechanischen Losdrehsicherungen. Die Senkkopfschraube setzen Sie ja ein, weil Sie möchten, dass der Kopf im Bauteil verschwindet. Hier müssten Sie also entweder konstruktiv das Produkt ändern – oder gleich mit einer chemischen Sicherung arbeiten. Ein weiterer Vorteil: Die Klebstoffe wirken unabhängig von der Härte des Bauteils. Nicht immer können sich Rippen oder Zähne in die Gegenauflage einprägen, wenn die Oberfläche zu hart ist.
KEM Konstruktion: Es gibt aber vermutlich auch Nachteile?
Tschechne: Durchaus. Zwei Verfahren, die Mikroverkapselung sowie die Schraubensicherung mit anaeroben Klebstoffen, eignen sich weder für eine Wiederholverschraubung noch für sequenzielles Anziehen. Grenzen der chemischen Schraubensicherung liegen zudem in der Temperaturbeständigkeit. Bis zu welchen Temperaturen die Materialien hitze- oder kältebeständig sind, ist unterschiedlich. (Anmerkung der Redaktion: siehe auch Zusatzinfo Lesetipp im Kasten)
Die Verfahren der chemischen Schraubensicherung
KEM Konstruktion: Zwei Verfahren haben Sie gerade kurz angerissen. Geben Sie uns bitte einen Überblick über die wesentlichen Verfahren der chemischen Schraubensicherung – und wo ihre Unterschiede liegen.
Tschechne: Da gibt es drei Arten, die sich unter anderem darin unterscheiden, ob sie klebend oder klemmend wirken. Diese Einteilung erfolgt nach DIN 267 Teil 27 und Teil 28.
- Erstens die mikroverkapselten Klebstoffe nach Teil 27: Sie bestehen aus einem Klebstoff plus einem Härter. Beim Einschrauben werden die kleinen Kapseln „zerstört“, so dass das Material durch Polymerisation aushärtet. Das Ergebnis ist eine Losdrehsicherung.
- Zweitens gibt es noch die anaerob aushärtenden Flüssigklebstoffe, die nicht Teil der DIN 267 sind. Beim Anziehen der Schraube wird der Sauerstoff verdrängt und der Klebstoff härtet anaerob aus. Auch hierbei handelt es sich um eine Losdrehsicherung.
- Und drittens ist die klemmende Schraubensicherung nach Teil 28 durch einen Polyamidfleck zu nennen. Diese Vorbeschichtung zählt genau genommen gar nicht zu den chemischen Schraubensicherungen, sondern funktioniert auch mechanisch durch Verklemmen. Sie wird trotzdem gerne in einem Atemzug genannt. Hierbei wird der axiale Spielraum im Gewinde beim Eindrehen der Schraube ausgefüllt. Dadurch steigt die Flächenpressung in den Gewindegängen. Dieses Verfahren bewirkt aber „nur“ eine Verliersicherung. Das heißt, die Schraube kann sich durchaus teilweise losdrehen, aber die Verbindung kann nicht vollständig auseinanderfallen.
Wie aktuell das Thema der chemischen Schraubensicherung ist, zeigt sich derzeit auch daran, dass der Teil 27 der Norm DIN 267 überarbeitet wird.
KEM Konstruktion: Welches Schraubensicherungsverfahren wird unter den dreien am häufigsten eingesetzt, welches am wenigsten?
Tschechne: Das ist schwierig zu sagen. Die anaeroben Klebstoffe sind sicherlich die bekanntesten und können gut als schnelle Lösung eingesetzt werden. Es gibt eine breite Basis an Anwendungen dafür. Bei den mikroverkapselten Vorbeschichtungen liegt der Fokus klar bei einem hochvolumigen Einsatz. Für Böllhoff kann ich zumindest sagen, dass wir am häufigsten die mikroverkapselte Lösung einsetzen.
Mikroverkapselte und anaerobe Klebstoffe im Vergleich
KEM Konstruktion: Lassen Sie uns die Verfahren bitte einmal im Einzelnen durchgehen. Fangen wir mit den mikroverkapselten Klebstoffen an. Was sind deren Vorteile, wo liegen die Grenzen?
Tschechne: Es gibt zwei große Vorteile: Erstens die Zeitersparnis an der Montagelinie, da die Schrauben bereits beschichtet geliefert werden und der Anwender dadurch einen Arbeitsschritt weniger hat. Zweitens die Qualität, da ich zu 100 Prozent den richtigen Klebstoff an der richtigen Stelle in der richtigen Menge aufgebracht habe. Zudem können die Schrauben ganz einfach als Schüttgut gelagert werden …
KEM Konstruktion: … und das betonen Sie so, weil …?
Tschechne: Weil die unter „zweitens“ genannten Flüssigklebstoffe dagegen in der Mehrheit als Gefahrstoffe gelten und entsprechend aufbewahrt werden müssen. Zudem hat anaerober Klebstoff ein Haltbarkeitsdatum. Dafür härtet er bei der richtigen Oberfläche aber schneller aus als die Mikrokapseln. Anwendungen liegen zum Beispiel bei Stehbolzen an Zylinderblöcken: Hier sind die anaerob aushärtenden Flüssigklebstoffe eine sehr gängige Sicherungsmethode. Oder auch bei Ventilverschraubungen, da der Klebstoff gleichzeitig abdichtende Wirkung haben kann.
Bild: Böllhoff
KEM Konstruktion: Dann bitte noch einmal zurück zu den Mikrokapseln. Wie lange kann man sie lagern und welche Vorteile haben sie noch, außer der Zeitersparnis?
Tschechne: Wir geben eine Lagerdauer von drei bis vier Jahren an. Das Verfahren ist absolut prozesssicher, weil die Schrauben schon vorher beschichtet werden. Dadurch kann an der Montagelinie diesbezüglich nichts mehr schiefgehen; man kann also den Klebstoff zum Beispiel nicht vergessen, über- oder unterdosieren. Das ist bei den Flüssigklebstoffen auch wieder anders: Die werden erst vor Ort aufgebracht, wodurch zumindest bei der manuellen Auftragung eine Dosierungenauigkeit entstehen kann.
Die mikroverkapselten Klebstoffe wirken alle klebend, optional auch dichtend. Je nach Lösung brauchen sie 24 Stunden, bis sie komplett ausgehärtet sind. Anwendungen sind auch hier vor allem in der Automobilindustrie zu finden, etwa bei den Schrauben am Bremssattel.
Polyamid-Flecken nur als „Verliersicherung“?
KEM Konstruktion: Dann darf ich Sie bitten, noch ein paar Sätze zu den Polyamid-Flecken zu sagen. Wo liegen hier die Vor- und Nachteile? Das waren ja „nur“ Verliersicherungen, nicht wahr?
Tschechne: Genau. Das ist auch ihr größtes Manko. Die Verbindungen sehen sicher aus, sind es aber letztlich nicht. Die Vorspannkraft kann hierbei unter die erforderlichen 80 Prozent sinken.
Bild: Böllhoff
KEM Konstruktion: Stelle ich mir ungünstig vor. Warum setzt man sie trotzdem ein?
Tschechne: Ihre Berechtigung haben diese Fleck- oder auch „Rundum-Verliersicherungen“ dann, wenn ich schon vorher weiß, dass ich die Schraube eines Tages wieder lösen will oder muss. Zum Beispiel bei Band- oder Schlauchschellen im Motorraum. Die Fluidschläuche müssen bei der Wartung schon mal getauscht werden, da ist es praktisch, wenn ich die Schraube recht einfach lösen kann. Im Normalfall kann man sogar dieselbe Schraube bis zu fünfmal neu anziehen, ohne dass die Sicherungswirkung nachlässt. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Polyamid keine Aushärtezeit benötigt; das Verfahren wirkt sofort!
KEM Konstruktion: Apropos. Kann ich die per Mikrokapseln gesicherten Schraubverbindungen nicht wieder zu Wartungszwecken lösen?
Tschechne: Doch, das können Sie. Allerdings müssen Sie die Schraube dann neu beschichten – oder eine neue beschichtete Schraube verwenden.
Wann Schraubensicherungen eingesetzt werden sollten
KEM Konstruktion: Täuscht es eigentlich, dass besonders die Automobilindustrie bei ihren Schrauben auf Nummer sicher gehen will, oder ist das eine zufällige Häufung in Ihren Beispielen?
Tschechne: Bei Autos spielt Sicherheit und Langlebigkeit eben eine sehr große Rolle. Die Schraubverbindungen werden dort sehr genau berechnet und gezielt eingesetzt.
Pauschal kann man sagen: Wo in hohen Stückzahlen gerechnet und die Prozesssicherheit großgeschrieben wird, arbeiten die Hersteller sehr gern mit Schraubensicherungen – und dann häufig mit Mikroverkapselung. Bei kleineren Stückzahlen oder auch bei hohen Einsatztemperaturen sind durchaus auch mechanische Schraubensicherungen üblich.
Voraussetzungen für chemische Schraubensicherungen
KEM Konstruktion: Welche Voraussetzungen müssen gegeben sein, damit ich chemische Sicherungsverfahren einsetzen kann?
Tschechne: Auch hier muss man wieder unterscheiden. Bei den mikroverkapselten Klebstoffen muss das Gegengewinde öl-, span- und fettfrei sein; bei dem Polyamidfleck ist das zum Beispiel nicht nötig. Hier wird die Flächenpressung so stark erhöht, dass Schmierstoffe oder Sprays auf dem Gewinde keine Rolle spielen. Bei den anaerob aushärtenden Flüssigklebstoffen muss die Oberfläche sauber sein und Metallionen zur Verfügung stellen, andernfalls muss sie mit einem Primer aktiviert werden.
KEM Konstruktion: Weil sie sonst nicht reagiert …
Tschechne: Richtig. Das gilt zum Beispiel für Oberflächen aus Edelstahl, Aluminium, Zink, Nickel, Silber oder Gold. Diese reagieren chemisch nicht mit den Flüssigklebstoffen, was aber eine Bedingung für die haftende Verbindung wäre. Hier kann man entweder einen Primer auftragen oder die Oberfläche mit einer Messingbürste behandeln.
KEM Konstruktion: Lassen Sie mich raten: Weil dabei die Oberfläche aufgeraut wird, etwas Bürstenstaub an dem Bauteil haften bleibt und weil Messing ein aktives Material ist?
Tschechne: Auch richtig. Genauso wie Kupfer oder Eisen. Diese Oberflächen braucht man deshalb nicht zu aktivieren.
KEM Konstruktion: Gibt es noch etwas Grundsätzliches, das ich bei der chemischen Schraubensicherung beachten muss, unabhängig von der Art der Beschichtung?
Tschechne: Einfach gesagt, muss die chemische Schraubensicherung – wenn wir von einer Anwendung bei einem Bolzen sprechen – dort angebracht werden, wo die Mutter sitzt. Das bedeutet, dass die ersten zwei bis drei Gewindegänge der Schraube nicht mit Schraubensicherungsmittel beschichtet werden sollen. Darauf müsste im Falle der Mikroverkapselung der Beschichter achten, und bei den Flüssigklebstoffen der Handwerker an der Montagelinie, weil die ja erst vor Ort aufgetragen werden.
KEM Konstruktion: Das wird auch in der DIN 267 vorgegeben?
Tschechne: So ist es.
KEM Konstruktion: Und in welchen Fällen ist eine Schraubensicherung aus Ihrer Sicht unerlässlich?
Tschechne: Eigentlich immer (lacht).
Tipps für Konstruktion und Entwicklung
KEM Konstruktion: Warum überrascht mich diese Antwort nicht? Aber mal im Ernst: Wie kann man Konstrukteuren die Entscheidung pro oder contra Schraubensicherung erleichtern?
Tschechne: Natürlich gibt es eine Formel, an der Sie sich orientieren können. Wenn die Schraube „selbsthemmend“ ist, können Sie theoretisch darauf verzichten. Selbsthemmend ist sie genau dann, wenn das Verhältnis von Klemmlänge zum Schraubendurchmesser über fünf liegt. Außerdem dürfen nur wenige Trennfugen vorliegen, und dynamische Belastungen müssen von der Schraubstelle möglichst ferngehalten werden. Dann können Sie schon über das Drehmoment genügend Klemmkraft aufbringen.
In allen anderen Fällen ist eine Schraubensicherung immer empfehlenswert, und das sage ich nicht nur, weil ich bei Böllhoff arbeite. Denn andernfalls muss man mit Schäden an der Maschine oder am Produkt rechnen oder im schlimmsten Fall Verletzungen bei Menschen befürchten. Zumindest kann man diese Gefahren nicht mit hoher Sicherheit ausschließen wie im Falle einer Schraubensicherung. Es ist halt immer die Frage, wie viel Sie sich die Sicherheit kosten lassen wollen – und wie teuer im Zweifel Ihre Rückrufaktion oder der Imageschaden wird. Da ist die Antwort für die meisten unserer Kunden oft sehr schnell klar.
Eine Losdrehsicherung mit Mikrokapseln bietet Vorteile vor allem bezüglich der Zeitersparnis an der Montagelinie, da die Schrauben bereits beschichtet geliefert werden. Außerdem kann der Anwender sicher sein, den richtigen Klebstoff an der richtigen Stelle in der richtigen Menge aufgebracht zu haben.
KEM Konstruktion: Welche Fehler sollte man unbedingt vermeiden? Oder anders gefragt, welche Fehler sind bei den Schraubensicherungsverfahren in der Praxis so häufig, dass es sich lohnt, darüber zu sprechen?
Tschechne: Bei der Mikroverkapselung hat man bereits eine Reihe von Fehlerquellen ausgeschlossen. Daher braucht man sich während der Montage wenig Gedanken zu machen. Wenn es Schwierigkeiten gibt, dann geht es eher um zu hohe Drehzahlen beim Verschrauben oder sequenzielle Verschraubungen. Bei anaerob aushärtenden Flüssigklebstoffen oder auch bei mechanischen Sicherungen, wie den Nord-Lock-Keilsicherungsscheiben, muss man natürlich wissen: Die können Sie theoretisch auch mal vergessen. Hier ist also große Sorgfalt geboten. Bei den mikroverkapselten Klebstoffen müssen Sie auf jeden Fall die Aushärtezeit und den zugelassenen Temperaturbereich für die Aushärtung berücksichtigen, wobei die Untergrenze von minus 20 Grad Celsius in der Praxis an der Montagelinie hierzulande kaum eine Rolle spielt. Auch wichtig: Die Aushärtezeit des Klebstoffs liegt je nach Material bei einer halben bis zu 24 Stunden, vorher dürfen Sie die Verbindung nicht belasten.
KEM Konstruktion: Welche Tipps können Sie den Konstrukteurinnen und Entwicklern unter unseren Lesern noch mitgeben?
Tschechne: In jedem Falle muss man die Konstruktionsrichtlinien beachten, zum Beispiel das Klemmlängenverhältnis oder die Anzahl der Trennfugen. Im Leichtbau kann man das Klemmlängenverhältnis unmöglich einhalten, also sollte man dort immer ein Sicherungsverfahren einsetzen. Auch bei hohen dynamischen Belastungen kommt man daran nicht vorbei. Außerdem ist es immer eine gute Idee, ein neues Sicherungsverfahren erst einmal am Bauteil zu erproben.
Und bei jeder Neukonstruktion rate ich dazu, die Experten aus unserer Anwendungsabteilung Ecotech hinzuziehen. Die Kollegen haben jahrelange Erfahrung und auf viele Fragen schnell eine Antwort.
Lesetipp
Details zur Temperaturbeständigkeit sowie tiefergehende Informationen zu Schraubensicherungsverfahren, Werkstoffen und Herstellungsverfahren von Schrauben und Muttern finden Sie in dem Buch „Technik rund um Schrauben“ der Böllhoff GmbH – ein Exemplar des Buches können Sie hier bestellen
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