Schrauben in Kunststoff: Der Dom versagt vor der Schraube

Der Flankenwinkel ist ein Keilwinkel

Wer ein Gewinde in einen Dom eindreht, drängt Werkstoff nach außen. Die Domwand nimmt das als Umfangszugspannung auf — eine Spannung, die um den Umfang verläuft und die Kunststoff vergleichsweise schlecht trägt.

• Ein metrisches Normgewinde hat einen Flankenwinkel von 60°. Das ist ein relativ stumpfer Keil, und in einem Kunststoffdom erzeugt er mehr Radialkraft als nötig
• Schrauben für Kunststoffe haben einen schlankeren Flankenwinkel — häufig um 30° —, gerade um diesen radialen Anteil zu verringern
• Auch die gröbere Steigung ist Absicht. Weniger, tiefere Gewindegänge lassen mehr Werkstoff zwischen sich, was zählt, wenn der Werkstoff eine geringe Scherfestigkeit hat
• Asymmetrische und trilobulare Gewindeformen gibt es aus demselben Grund: Sie verdrängen Werkstoff mit weniger Druck nach außen als ein symmetrisches Gewinde gleicher Tiefe

Das Versagen ohne sichtbare Ursache

Die zweite Versagensart lässt nichts reißen. Es ist Spannungsrelaxation, und sie ist im Werkstoff angelegt, kein Fehler:

• Kunststoff unter Dauerlast fließt. Der vom Gewinde gequetschte Domwerkstoff verlagert sich langsam, und die Klemmkraft sinkt mit
• Nichts dreht sich und nichts reißt, sodass eine Inspektion lediglich eine Verbindung findet, die lockerer ist als zuvor
• Höhere Klemmkraft verschlimmert es, statt es zu verbessern. Mehr Spannung bedeutet schnellere Relaxation, also das Gegenteil des Reflexes, eine lockere Verbindung fester anzuziehen
• Temperatur beschleunigt es, sodass ein Gehäuse, das im Betrieb warm wird, schneller Vorspannkraft verliert, als der Versuch auf dem Prüfstand vermuten ließ

Der Dom ist das Teil, das konstruiert werden muss

Die meisten Probleme beim Verschrauben von Kunststoff sind Domprobleme. Die folgenden Maße sind häufig genannte Ausgangswerte, keine Spezifikationen — sie unterscheiden sich je nach Harz erheblich, und das Datenblatt des Harzlieferanten hat Vorrang vor jeder allgemeinen Regel:

• Der Außendurchmesser des Doms wird häufig mit etwa dem Doppelten des Schraubendurchmessers angegeben. Zu dünn, und er reißt; zu dick, und es entstehen Einfallstellen auf der Sichtseite
• Der Lochdurchmesser für eine gewindeformende Schraube ist kleiner als der Außendurchmesser der Schraube, aber größer als ihr Kerndurchmesser — und richtig festgelegt wird er durch Messen von Eindreh- und Überdrehmoment, nicht durch Wahl eines Durchmessers
• Eine großzügige Einführfase an der Lochöffnung senkt die Spitzenkraft in dem Moment, in dem das Gewinde zu formen beginnt, und dann reißen Dome meistens
• Den Dom von Wänden und Kanten fernhalten. Ein direkt an eine Seitenwand angebundener Dom kann sich nicht gleichmäßig weiten, sodass sich die Umfangsspannung dort konzentriert, wo er behindert ist
• Auf die Lage der Bindenaht achten. Eine Bindenaht, die am Dom entlangläuft, ist genau der Ort, an dem ein Riss beginnt, und das ist eine Frage der Anspritzung im Werkzeug, nicht des Verbindungselements

Gewindeformend oder gewindeschneidend hängt vom Harz ab

Das Drehmomentfenster ist die Spezifikation

In Metall kann man oft auf ein Drehmoment anziehen und nicht weiter nachdenken. In Kunststoff gibt es zwei Drehmomente, und die nützliche Zahl ist der Abstand zwischen ihnen:

• Eindrehmoment — was nötig ist, um das Gewinde zu formen und den Kopf zur Anlage zu bringen
• Überdrehmoment — was nötig ist, um das gerade geformte Gewinde zu zerstören
• Das Verhältnis der beiden ist das Prozessfenster, und in Kunststoff kann es so schmal sein, dass eine von Hand eingestellte Kupplung es nicht zuverlässig trifft

Kunststoff dehnt sich fünf- bis zehnmal stärker aus als Stahl, was die Vorspannkraft jedes Mal verschiebt, wenn sich das Teil erwärmt: Temperatur verschiebt die Vorspannkraft.

Fünf Fragen, bevor das Werkzeug gebaut wird

• Welches Harz, gefüllt oder ungefüllt? Glasfaserfüllung ändert die Antwort auf jede andere Frage hier
• Wie oft wird es geöffnet? Mehr als eine Handvoll Male, und ein Einsatz war von Anfang an die Antwort — wobei er das Versagen in den Dom verlagert, statt es zu beseitigen
• Wird es warm? Relaxation beschleunigt sich mit der Temperatur
• Steht der Dom frei oder ist er an eine Wand gebunden? Behinderte Dome konzentrieren die Umfangsspannung
• Hat jemand Eindreh- und Überdrehmoment an einem tatsächlich gespritzten Teil gemessen? Keine Rechnung — eine Messung

Dieser Beitrag behandelt Schritt 1: Grundwerkstoff. Die vollständige Reihenfolge lautet Grundwerkstoff, Gewinde, Kopf, Antrieb, Oberfläche und Dokumentation. Warum eine andere Reihenfolge Nacharbeit verursacht, erläutert der englische Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Warum reißen Kunststoffdome beim Eindrehen einer Schraube?

Weil ein Gewinde ein Keil ist. Beim Eindrehen wird Werkstoff nach außen gedrängt, und die Domwand nimmt das als Umfangszugspannung auf, der Kunststoff vergleichsweise schlecht widersteht. Ein metrisches Normgewinde hat einen Flankenwinkel von 60°, ein relativ stumpfer Keil; Schrauben für Kunststoffe haben einen schlankeren Winkel, häufig um 30°, gerade um den radialen Anteil zu verringern. Gröbere Steigung und asymmetrische oder trilobulare Gewindeformen gibt es aus demselben Grund.

Warum fühlt sich eine Schraube in Kunststoff nach einigen Monaten locker an?

Spannungsrelaxation. Kunststoff unter Dauerlast fließt, sodass sich der vom Gewinde gequetschte Domwerkstoff langsam verlagert und die Klemmkraft mitsinkt. Nichts dreht sich und nichts reißt, sodass eine Inspektion nur eine lockerere Verbindung findet. Festeres Anziehen verschlimmert es, weil mehr Spannung schnellere Relaxation bedeutet, und Wärme beschleunigt es zusätzlich. Keine Schraubensicherung hilft, weil sich nichts dreht.

Sollte man in Kunststoff gewindeformende oder gewindeschneidende Schrauben verwenden?

Gewindeformend für weiche, zähe Thermoplaste: Der Werkstoff wird sauber verdrängt, es entstehen keine Späne, und der verdrängte Werkstoff trägt weiterhin Last. Gewindeschneidend für harte, gefüllte oder spröde Harze, bei denen Formen den Dom reißen ließe und Schneiden die Umfangsspannung abbaut, indem es Werkstoff entfernt, statt ihn zu verdrängen. Für eine wiederholt geöffnete Verbindung passt keines von beiden — jede erneute Montage formt das Gewinde neu, und der abgetragene Werkstoff kommt nicht zurück; ein Metalleinsatz war also von Anfang an die Antwort.

Wie groß sollte das Loch in einem Kunststoffdom sein?

Kleiner als der Außendurchmesser der Schraube und größer als ihr Kerndurchmesser, doch der konkrete Wert unterscheidet sich je nach Harz erheblich, und die Daten des Harzlieferanten haben Vorrang vor jeder allgemeinen Regel. Zuverlässig festlegen lässt er sich nicht durch Wahl eines Durchmessers, sondern durch Messen von Eindreh- und Überdrehmoment an einem tatsächlich gespritzten Teil, denn das Verhältnis dieser beiden ist das eigentliche Prozessfenster.

Wie dick sollte die Wand eines Kunststoffdoms sein?

Ein häufig genannter Ausgangswert ist ein Außendurchmesser von etwa dem Doppelten des Schraubendurchmessers, doch das ist ein Ausgangswert, keine Spezifikation, und er hängt vom Harz ab. Zu dünn, und der Dom reißt; zu dick, und es entstehen Einfallstellen auf der Formteiloberfläche. Ebenso wichtig ist, dass der Dom frei steht, statt direkt an eine Seitenwand gebunden zu sein, denn ein behinderter Dom kann sich nicht gleichmäßig weiten und konzentriert die Umfangsspannung dort, wo er gehalten wird.

Quellen

• Technical bulletin — Thread forming screws for plastics (Flankenwinkel, Domproportionen, Eindreh- und Überdrehmoment)
• Creep (deformation) — Wikipedia
• ISO 965-1 — ISO general purpose metric screw threads — Tolerances — Part 1 (metrisches 60°-Gewindeprofil, zum Vergleich)