Reichelt Chemietechnik Magazin
Schraubenverbindungen zählen in der Verbindungstechnik zu den wichtigsten lösbaren Verbindungselementen. Sie lassen sich ohne Beschädigung montieren, lösen und wiederverwenden. Eine Schraubverbindung setzt sich aus einer Schraube oder einem Gewindebolzen und einer Mutter zusammen. Die Schraube selbst besteht aus einem zylindrischen oder konischen Stift oder Bolzen, der mit einem Gewinde versehen ist, und einem Schraubenkopf. Sie werden gemäß den entsprechenden DIN-Normen für Schrauben hergestellt.
Als Schraubenmaterial werden hauptsächlich Metalle verwendet, doch Schrauben aus Kunststoffen gewinnen zunehmend an Bedeutung. Auch Kombinationen, etwa Metallschrauben mit Kunststoffkopf, werden angeboten und erweitern das Spektrum.
Vorteile von Kunststoffschrauben
Kunststoffschrauben besitzen eine geringere Dichte als Metallschrauben. Dies ist ein entscheidender Vorteil bei Anwendungen, bei denen eine Gewichtsreduzierung gefordert wird, etwa in der Automobilindustrie oder der Luft- und Raumfahrt.
Schrauben aus Kunststoff können kostengünstig und in großer Stückzahl im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Das meiste hierbei verwendete Schraubenmaterial lässt sich zudem recyceln.
Arten von Schraubenköpfen
Die Kopfformen von Schrauben werden primär nach ihrer Außenkontur unterschieden, wobei die häufigsten Formen rund oder sechseckig sind. Runde Köpfe finden sich bei Zylinderschrauben, ihre Höhe variiert je nach Norm. Der Antrieb bei dieser Schraubenform ist innenliegend. Die Oberfläche von Zylinderschrauben kann eben, halbkugelig oder linsenförmig sein, der Rand zylindrisch oder kegelig. Eine Schraube mit halbrunder Kopfform, zylindrischem Rand und flacher Unterseite wird als Flachkopfschraube oder Panhead-Schraube bezeichnet.
Dagegen weist eine Senkkopfschraube eine runde Außenkontur auf, deren Unterseite kegelig zuläuft. Linsenkopfschrauben kombinieren einen runden Kopf mit einer leicht gewölbten Oberfläche und einer flachen Unterseite. Schrauben mit sechseckiger Außenkontur heißen Sechskantschrauben. Hier dient der Schraubenkopf gleichzeitig als Außenantrieb.
Zu den handbetätigten Kunststoffschrauben zählen Flügelschrauben, Dreieckschrauben, Kreuzgriffschrauben und Rändelschrauben. Sie werden dort verwendet, wo nur geringe Kräfte erforderlich sind. Flügelschrauben besitzen eine mit zwei gegenüberliegenden runden oder eckigen Flügeln versehene Kopfform. Der Kopf von Dreieckschrauben besteht aus drei Flügeln in einem Winkel von 120°, der von Kreuzgriffschrauben aus vier Flügeln in 90°-Anordnung. Rändelschrauben besitzen einen zylindrischen Kopf mit umlaufender Rändelkante.
Eine weiterer Schraubentyp ist der Gewindestift, auch Madenschraube genannt, in Österreich Wurmschraube. Er besitzt keinen Schraubenkopf, der Antrieb sitzt direkt im Schraubenschaft. Dadurch kann der Gewindestift wie eine Made im Material verschwinden. Madenschrauben dienen vor allem dazu, Bauteile zu verbinden, ohne dass ein Schraubenkopf übersteht.
Antriebsarten bei Schrauben
Schrauben unterscheiden sich nicht nur durch ihre Kopfform, sondern auch durch ihren Antrieb. Der Schraubenantrieb kann innen- oder außenliegend sein. Zu den gängigsten Antriebsarten von Kunststoffschrauben zählen Schlitz, Außensechskant, Kreuzschlitz, Innensechskant und Innensechsrund.
Der Schlitzantrieb ist die älteste und wohl bekannteste Antriebsart. Bei diesem Schraubentyp ist die Kraftübertragung meist gering, weshalb weitere Schraubenantriebe entwickelt wurden. Um ein Abrutschen des Werkzeugs und das Beschädigen von Kunststoffschrauben zu vermeiden, sollten die Breite des Schlitzes und des Schraubendrehers aufeinander abgestimmt sein.
Die Kreuzschlitzschraube wurde in den 1930er-Jahren von dem Amerikaner John P. Thompson (1857 – 1940) erfunden. Sie besitzt zwei orthogonale Schlitze auf der Oberseite. Die Flanken des Kreuzschlitzes vertiefen sich kegelförmig. Bei diesem Antrieb zentriert sich das Werkzeug im Schraubenkopf selbstständig. Der US-Geschäftsmann Henry F. Phillips (1889 – 1958) erwarb die Patente und entwickelte die Phillips®-Schraube. General Motors verwendete Phillips®-Schrauben ab 1937 beim Bau von Cadillacs. Abgekürzt werden sie PH-Schrauben genannt. Der Vorteil dieses Schraubentyps ist die optimierte Kraftübertragung und Selbstzentrierung.
Weitere innenliegende Antriebe sind Innensechskant und Innensechsrund. Sie ermöglichen in der Verbindungstechnik eine kompakte Bauweise und eine Montage auch bei engen Platzverhältnissen. Innensechskantschrauben, umgangssprachlich Inbusschrauben genannt, besitzen ein hexagonales Profil im Schraubenkopf. Der Name „Inbus“ ist eine Abkürzung und geht auf die deutsche Firma „Innensechskant Bauer und Schaurte“ zurück, die diesen Schraubenantrieb erstmals hergestellt hat. Mit Innensechskantschrauben werden höhere Drehmomente übertragen als mit anderen Schraubenarten. Sie können deshalb fester angezogen werden.
Innensechsrundschrauben, auch als Torx®-Schrauben bezeichnet, verfügen über einen sternförmigen Antrieb mit sechs abgerundeten Flanken. Dieser spezielle Antrieb, auch 6-Lobe genannt, ermöglicht eine besonders hohe Kraftübertragung beim Schrauben, reduziert den Verschleiß am Werkzeug und minimiert das Risiko des Überdrehens. Torx®-Schrauben zählen in der Verbindungstechnik zu den zuverlässigsten Verbindungselementen in technischen und industriellen Anwendungen.
Aus welchem Material bestehen Kunststoffschrauben
Standardmäßig werden Verbindungselemente aus Kunststoff aus Polyamid (PA), besser bekannt unter dem Namen Nylon, gefertigt. Kunststoffschrauben aus PA sind korrosionsbeständig, besitzen gute isolierende Eigenschaften sowie eine hohe Zugfestigkeit und sind in einem Temperaturbereich von -30 °C bis +100 °C nutzbar.
Weitere Kunststoffe für die Schraubenfertigung sind Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC), Polyetheretherketon (PEEK), Polyoxymethylen (POM), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polytetrafluorethylen (PTFE).
Schrauben aus Polypropylen (PP)
Polypropylen ist beständig gegen Korrosion, Abrieb und die meisten Chemikalien, schweißbar, sterilisierbar, besonders schlag- und kerbschlagzäh und verfügt über eine hohe Oberflächenhärte. Es kann bis +100 °C eingesetzt werden, jedoch nicht nahe dem Gefrierpunkt, da es sonst versprödet.
Verbindungselemente aus Polycarbonat (PC)
Verbindungselemente aus dem Kunststoff PC sind glasklar und eigenen sich für optische Anwendungen, die eine hohe Festigkeit und Härte erfordern. PC ist physiologisch unbedenklich und sterilisierbar und damit ideal für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie und Medizintechnik. Sein Anwendungsbereich liegt zwischen -100 °C und +135 °C.
Kunststoffschrauben aus Polyoxymethylen (POM)
POM-Schrauben besitzen eine hervorragende mechanische Festigkeit, einen niedrigen Reibungskoeffizienten, eine hohe Zähigkeit und Abriebfestigkeit. Sie können bei Temperaturen von -50 C° bis +100 °C verwendet werden.
Hochleistungskunststoffe
Kunststoffschrauben aus dem Hochleistungskunststoff PEEK zeichnen sich durch eine hervorragende Festigkeit, Steifigkeit und Härte, eine gute Schlagzähigkeit und beste Verschleißfestigkeit aus. Zudem sind sie äußerst strahlungsbeständig, flammwidrig und können in einem Temperaturbereich von -65 °C bis +180 °C (Dauergebrauchstemperatur) eingesetzt werden.
Kunststoffschrauben aus PTFE verfügen über eine ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit, einen hervorragenden Gleitreibungskoeffizienten und antiadhäsive Eigenschaften. Sie sind sterilisierbar und können in einem Temperaturbereich von -200 °C bis +260 °C eingesetzt werden. Die hervorragenden Eigenschaften dieser Verbindungselemente machen sich allerdings im Preis bemerkbar.
PVDF bietet im Vergleich zu anderen Fluorpolymeren eine höhere Festigkeit, Steifigkeit und Kriechfestigkeit sowie eine gute Beständigkeit gegen energiereiche Strahlung, jedoch ein geringeres Gleit- und elektrisches Isolierverhalten. Zudem ist es flammwidrig und physiologisch unbedenklich einsetzbar. PVDF-Schrauben lassen sich in einem Temperaturbereich von -60 °C bis +150 °C anwenden. Um die Festigkeit weiter zu erhöhen, können diese Kunststoffe mit Füllstoffen wie Glas- oder Kohlenstofffasern verstärkt werden.
Festigkeitsklassen von Schrauben
Festigkeitsklassen definieren die mechanischen Eigenschaften von Schrauben und Muttern. Dargestellt werden Festigkeitsklassen von Schrauben durch zwei Ziffern, die durch einen Punkt getrennt sind (etwa 8.8 oder 10.9). Die erste Ziffer, multipliziert mit dem Faktor 100, steht für die Zugfestigkeit Rm, die der maximalen Spannung entspricht, die ein Werkstoff vor dem Reißen aushalten kann. Das Produkt der beiden Ziffern, multipliziert mit dem Faktor 10, ergibt wiederum die untere Streck- oder Dehngrenze.
Festigkeitsklassen werden ausschließlich für Metallschrauben angegeben. Die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffschrauben hängen stark vom Schraubenmaterial und der Fertigungsmethode ab. Deshalb geben Anbieter von Kunststoffschrauben keine Festigkeitsklassen an, sondern einzelne Werte für die mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Zugfestigkeit einer Schraube.
Durch Kombination der verschiedenen Arten von Schraubenköpfen und Antriebsarten sowie des Materials sind Kunststoffschrauben in zahlreichen Ausführungen erhältlich. Ihre spezifischen Vorteile machen Kunststoffschrauben in vielen Anwendungsbereichen zu bevorzugten Befestigungselementen.
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Schraubenformen und Antriebsarten (schematische Darstellung) | © New World – stock.adobe.com
