Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Werkstoffgerechte Auslegung von Direktverschraubungen zum wirtschaftlichen Fügen spritzgegossener duroplastischer Formteile

 

Steigende Temperaturanforderungen machen Duroplaste interessant für Kraftfahrzeugs- und Beleuchtungsanwendungen. Sie stellen eine gute Alternative zu teuren Hochtemperatur-Thermoplasten und aufgrund der geringen Dichte auch zu Leichtmetallen dar. Im Gegensatz zu Thermoplasten können Duroplaste jedoch nach der Verarbeitung nicht wieder aufgeschmolzen werden. Somit ist ein Verschweißen nicht möglich und es müssen andere Fügeverfahren für die Montage von Baugruppen verwendet werden. Das dominierende Verfahren ist die Verschraubung. Während bisher überwiegend metallische Inserts für die Verschraubung verwendet werden, ist aus wirtschaftlichen Gründen eine Direktverschraubung wünschenswert. Für die Auslegung dieser Verbindungen ist der Konstrukteur auf Richtlinien angewiesen, die eine Vorhersage des mechanischen Verhaltens erlauben. Allerdings existieren derzeit keine Richtlinien zur Konstruktion von Anschraubtuben und zur Direktverschraubung in duroplastischen Formteilen, sodass die Auslegung auf eine Validierung in Versuchsreihen angewiesen ist.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden daher systematische Untersuchungen durchgeführt, um den Einfluss der Geometrie des Einschraubtubus, der Spritzgießparameter, der Montage, der Werkstoffe und der Schraubenparameter auf die statische und dynamische Festigkeit zu bestimmen. Ziel der Untersuchungen ist es, eine für duroplastische Werkstoffe optimierte Geometrie der Einschraubtuben zu entwickeln und den Konstrukteuren Berechnungsgleichungen zur Auslegung der Verschraubung sowie Kriterien für die Werkstoffe und Schrauben bereitzustellen.

Die Ergebnisse des Vorhabens werden für die Auslegung von Direktverschraubungen ohne umfangreiche Voruntersuchungen verwendet. Insbesondere die überwiegend kleinen und mittelständischen Unternehmen der Duroplastverarbeitung können somit kostengünstiger die Direktverschraubung ihrer Formteile auslegen.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Bericht wurden systematische Untersuchungen zur Duroplast-Direktverschraubung durchgeführt, sodass der Einfluss von Einschraub-, Herstellungsparametern, Einschraubtubus-Geometrie sowie das Material und Versagensverhalten dargestellt werden kann. Da die Prozesssicherheit der Direktverschraubung bisher nur mit teuren und aufwendigen Validierungsversuchen gegeben werden kann, bestand das Ziel des Forschungsvorhabens darin, Gestaltungshinweise zu erarbeiten, um einen breiteren Nutzen in der Industrie zu ermöglichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Außen- sowie Kernlochdurchmesser die entscheidenden Geometrieparameter sind und abhängig voneinander ausgelegt werden sollten. Auch die Auswahl der Verschraubungsparameter beeinflusst die Verbindungsqualität, was für den Fügeprozess berücksichtigt werden muss. Neben diesen Faktoren kann weiter über die gezielte Einstellung der Herstellungsparameter die Verschraubungssicherheit weiter verbessert werden. Mit Hilfe der optimierten Einschraubtubus-Geometrie und geeigneter Herstellungs- und Fügeparameter ist zudem eine Wiederholverschraubung der Verbindung unproblematisch. Weiter zeigt der geringe Abfall der Vorspannkraft, vor allem bei optimierten Parametern, dass sich duroplastische Formmassen durch die geringe Kriechneigung hervorragend für die Direktverschraubung eignen.

Durch die abgeleitete Auslegungsempfehlung sowie die Gleichungen zur Dimensionierung des Einschraubtubus können die Ergebnisse direkt von den Anwendern im Konstruktionsprozess verwendet werden. Weiter können bestehende Bauteilkonstruktionen mit dem Wissen optimiert und dadurch die Sicherheit der Verbindung erhöht werden. Mit den hervorragenden Eigenschaften von Duroplasten und der Möglichkeit des wirtschaftlichen, prozesssicheren Fügens ist ein Einsatz in Bauteilen im Automobilbau und bei der Produktion von Bauteilen in E&E-Anwendungen möglich.