Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchungen zum statischen und dynamischen Langzeitverhalten von Schraubblindnietverbindungen

An der Kunststofftechnik Paderborn wurde ein Kunststoffblindnietelement entwickelt, welches einen gleichmäßig krafteinleitenden und dichtenden Hinterschnitt ausbildet. Das Fügeprinzip des entwickelten Schraubblindniets kombiniert die Kunststoff-Direktverschraubung und den Blindnietprozess. Der hohle mit einer speziellen Schwachstelle gefertigte Dom ähnelt einer gewindelosen Blindnietmutter und wird durch das Einbringen der gewindeformenden Schraube, welche bereits bei der Thermoplastdirektverschraubung eingesetzt wird, umgeformt. Der Vorteil dieser neuartigen Verbindungstechnik gegenüber bestehenden Nietverbindungen liegt in höheren Auszugsfestigkeiten sowie in der gleichmäßigen Krafteinleitung. Im Vergleich zur Direktverschraubung ergeben sich Vorteile durch die niedrigere Bauhöhe der Verbindung sowie durch die gegebene Reparaturmöglichkeit.

Um die Anwendung des Schraubblindnietelements in Bereichen wie dem Automobilbau, der Weißwarenindustrie oder in der Elektronik zu gewährleisten, ist neben einer Betrachtung der Auszugskräfte die Vorspannkraftrelaxation und das Ermüdungsverhalten der Verbindung entscheidend. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt führen deshalb die Kunststofftechnik Paderborn (KTP) und das Kunststoff-Zentrum (SKZ) Untersuchungen zur betriebsfesten Auslegung von Kunststoff-Schraubblindnietverbindungen durch. Parallel werden vergleichende Untersuchungen an etablierten Fügeverfahren (Direktverschraubung und klassische Nietverbindungen) durchgeführt, um Handlungsempfehlungen zur Auswahl des passenden Verfahrens ableiten zu können. Die gewonnen Erkenntnisse zur betriebsfesten Auslegung des Schraubblindnietens werden in einem weiteren Schritt auf ein Demostratorbauteil übertragen.

Bei erfolgreichem Abschluss des Projekts wird die Verbindung mittels Schraubblindnieten eine vor allem wirtschaftliche Alternative zu bestehenden Lösungen mit Zusatzteilen darstellen, wodurch sich auch deren Einsatzbereiche erheblich erweitern lassen werden.

Ergebniszusammenfassung:

Das Schraubblindnieten (SBN) kombiniert die konventionellen Kunststoff-Fügeverfahren Direktverschraubung und Blindnieten. Der Schraubblindniet besteht aus einem Schraubdom mit integrierter geometrischer Schwachstelle. Durch das Verschrauben des Doms mit einer gewindeformenden Schraube wird dieser zum Ausknicken gebracht, wodurch sich ein umlaufender, dichtender Hinterschnitt bildet. Die Technologie des SBN bietet vielerlei Vorteile – so ermöglicht sie hohe Festigkeiten und eine gleichmäßige und dämpfende Krafteinleitung in den zusätzlichen Fügepartner bei zugleich einseitiger Zugänglichkeit im Montageprozess.

Im Rahmen des Vorhabens wurden umfangreiche Untersuchungen zur Kurz- und Langzeitfestigkeit der aus Polyamid 6 und Polypropylen hergestellten Verbindungen unter Berücksichtigung festigkeitsrelevanter Einflussfaktoren (Temperatur, Feuchte, Schraubendurchmesser, Design) durchgeführt. Darüber hinaus wurde der Schraubblindniet mit den Konkurrenzverfahren Direktverschraubung und Blindnieten verglichen und abschließend in eine Bauteilanwendung überführt. Im Rahmen des Vorhabens wurde gezeigt, dass Schraubblindnietverbindungen hinsichtlich ihrer Kurz- und Langzeitfestigkeiten sowie des relaxationsbedingten Vorspannkraftverhaltens mit konventionellen Fügetechnologien vergleichbar sind. Darüber hinaus gehorchen festigkeitsmindernde Einflüsse in der Langzeitbelastung den gleichen physikalischen Zusammenhängen wie unter quasi-statischer Kurzzeitbetrachtung. Dies bietet den Vorteil, dass eine Bewertung der zahlreichen Einflussgrößen in guter Näherung auf Basis der weniger aufwendig zu ermittelnden Kurzzeitkennwerte erfolgen kann.

Von den Ergebnissen des Forschungsvorhabens profitieren insbesondere KMU mit eingeschränkten Prüf- und Forschungskapazitäten, die entsprechende Fügeelemente in ihren Produkten einsetzen wollen. Mit Vorliegen der Forschungsergebnisse bietet der Schraubblindniet eine sinnvolle Alternative zu konventionellen mechanischen Fügetechnologien.