Wenn der Grundwerkstoff nicht die Mutter sein kann

Drei Gründe, warum der Grundwerkstoff nicht die Mutter sein kann

Die Entscheidungsreihenfolge beginnt beim Untergrund, weil der Untergrund entscheidet, was ein Gewinde sein kann (englisch). Manchmal lautet die Antwort, dass er gar keins sein kann:

• Das Gewinde würde vor der Schraube versagen. Eine Verbindung soll am billigen Teil brechen, und reißt stattdessen das Loch aus, wurde das Verhältnis der Scherflächen nie erreicht. In einem weichen Grundwerkstoff kann das mehr Einschraublänge erfordern, als das Teil Tiefe hat
• Es übersteht das erneute Öffnen nicht. Jede erneute Montage formt ein Kunststoffgewinde neu, und abgetragenes Material kommt nicht zurück. Lautet die Antwort auf wie oft wird das geöffnet mehr als ein- oder zweimal, kommt das Gewinde als Kandidat für etwas Härteres als das Gehäuse in Frage — wo die Grenze tatsächlich liegt, hängt von Harz, Schraube und Drehmoment ab und sollte durch Versuch statt durch eine Regel ermittelt werden
• Es würde auch ungeöffnet nachlassen. Polymere kriechen, und die Vorspannkraft geht über die Gewindeflanken und die Auflagefläche verloren, ohne dass sichtbar etwas bricht

Was der Gewindeeinsatz tatsächlich verändert

Die Tragfähigkeit, meist nach oben — ein Metallgewinde in einem Kunststoffgehäuse nimmt mehr Drehmoment und mehr Last auf als ein geformtes. Was die Konstruktion aber verändert, ist, wo die Last getragen wird und in welcher Form.

Was jede Bauart voraussetzt

• Warmeinbettung und Ultraschall. Setzen einen Thermoplast voraus, der sich örtlich aufschmelzen oder plastifizieren lässt, sodass er in die Rändel und Hinterschnitte fließt. Die Spitzentemperatur wird auf das Harz abgestimmt, und ein Überschreiten schädigt den Werkstoff, in dem der Einsatz verankert werden soll — doch das kontrollierte örtliche Aufschmelzen ist der Mechanismus, nicht sein Versagen. Beide setzen einen für den Einsatz ausgelegten Dom voraus statt eines für eine Schraube ausgelegten
• Eingespritzt. Setzt voraus, dass Ihnen das Werkzeug gehört und Sie die Kosten für Zykluszeit und Handhabung tragen können; im Gegenzug formt sich der Grundwerkstoff um den Einsatz, statt verdrängt zu werden
• Eingepresst. Setzt ein toleriertes Loch voraus, weil der Halt eine Presspassung ist und das Übermaß das entscheidende Maß ist
• Spreizeinsatz. Ein anderer Mechanismus: Der Einsatz wird zuerst gesetzt und dann durch die Schraube oder das Setzwerkzeug nach außen gespreizt, sodass der Halt bei der Montage entsteht statt beim Einsetzen
• Drahtgewindeeinsätze. Setzen ein dafür geschnittenes Gewindeloch voraus — meist in Metall, es gibt aber auch Ausführungen für Kunststoffe, die genauso eingebaut werden. Sie bringen ein härteres Gewinde in einen weicheren Werkstoff oder reparieren eines, das schon versagt hat
• Blindnietmuttern. Setzen Blech voraus, in dem nie genug Tiefe für ein Gewinde war und das Verbindungselement sein eigenes mitbringen muss

Die Liste ist keine Rangfolge. Jede Bauart beantwortet eine andere Frage danach, was der Grundwerkstoff ist und welche Werkzeuge vorhanden sind.

Also einen Einsatz einbauen — und so bringt das nichts

Einen Einsatz einbauen, ohne den Dom zu ändern. Ich habe dazu keine Daten zur Häufigkeit und werde nicht so tun, als hätte ich welche, aber dies sollte man zuerst prüfen, weil es auf der Zeichnung unsichtbar ist. Ein Dom für eine gewindeformende Schraube ist ein anderes Teil als ein Dom für einen Einsatz — anderes Loch, meist andere Wandstärke. Setzt man einen Einsatz in die alte Geometrie, wandert das Versagen vom Gewinde zum Dom, ohne dass irgendetwas besser wird.

Ein Einsatz, der herausgezogen wird, deutet oft auf einen zu flachen Dom, ein zu großes Loch oder zu wenig Material darum herum. Einer, der sich mitdreht, deutet oft auf eine dünne Wand, schlechten Rändeleingriff oder ein Anziehdrehmoment, das höher ist, als der umgebende Werkstoff halten kann. Die Geometrie des Einsatzes spielt durchaus eine Rolle — Länge, Rändelform und Hinterschnitte verändern beide Werte —, aber wenn der Dom die maßgebende Grenze ist, dann verschiebt ein anderer Einsatz sie, statt sie zu beseitigen, und der Dom ist das Teil, das konstruiert werden muss, so oder so.

Was vor der Spezifikation eines Einsatzes zu klären ist

• Wie oft wird diese Verbindung geöffnet? Das ist die Frage, für die es den Einsatz gibt, und lautet die Antwort null, löst der Einsatz womöglich gar nichts
• Was genau ist der Grundwerkstoff? Thermoplast, Duroplast, gefüllt, gegossen, Blech — jeder schließt andere Einbauverfahren aus
• Wird der Dom neu konstruiert oder übernommen? Die Übernahme ist die Annahme, die man ausdrücklich machen sollte, weil nichts auf der Zeichnung auf sie hinweist
• Wer misst Herausziehen und Herausdrehen an Spritzgussteilen? Nicht berechnet und nicht an einem Prüfblock — am Teil

Dieselbe Frage — was wird der Grundwerkstoff tun — entscheidet auch, wie die Löcher angeordnet werden sollten: warum Befestigungslöcher versetzt werden, und was die Bemessungsregeln einem dafür tatsächlich zugestehen.

Speziell für Blech stehen die Mindestdicke und der tatsächliche Wert eines Durchzugs in wenn das Blech zu dünn für ein Gewinde ist.

Bevor Sie entscheiden, dass der Grundwerkstoff kein Gewinde halten kann, prüfen Sie, was der Grundwerkstoff eigentlich ist — ein Druckgussteil ist nicht ein Werkstoff.

Ist der Grundwerkstoff Mauerwerk statt Metall oder Kunststoff, wird auf das Gewinde ganz verzichtet, und die Last geht in Harz und Formschluss. Was das europäische Bewertungsdokument verlangt, bevor dafür ein Wert veröffentlicht werden darf, steht in fünf Auszugsversuche in Ihrem Stein, minus 3,4 Standardabweichungen.

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

Macht ein Gewindeeinsatz die Verbindung fester?

In der Regel ja, und er verändert auch, wo die Verbindung am schwächsten ist; das ist der Teil, der Leute überrascht. Ein Metallgewinde in einem Kunststoffgehäuse nimmt mehr Drehmoment und mehr Last auf als ein im Kunststoff selbst geformtes Gewinde, und die Last verteilt sich über die gerändelte Außenseite des Einsatzes auf eine viel größere Fläche des Doms. Er bringt aber zwei Versagensarten mit, die ein Gewindeloch nicht hat — das Herausziehen des Einsatzes aus dem Dom und das Mitdrehen darin —, sodass der Gewinn an Tragfähigkeit mit einem neuen schwächsten Glied einhergeht, das ausgelegt und geprüft werden muss.

Was ist der Unterschied zwischen Herausziehen und Herausdrehen?

Es sind getrennte Versagensarten mit getrennten Prüfungen. Herausziehen bedeutet, dass der Einsatz den Dom entlang der Schraubenachse verlässt; es deutet meist auf einen zu flachen Dom, ein zu großes Loch oder zu wenig Material um den Einsatz. Herausdrehen oder Mitdrehen bedeutet, dass sich der Einsatz beim Anziehen der Schraube im Dom dreht; es deutet meist auf eine dünne Wand, schlechten Rändeleingriff oder ein Anziehdrehmoment, das höher ist, als der umgebende Werkstoff halten kann. Keines davon ist ein Ausreißen des Gewindes, und keines wird mit einer Überdrehmomentprüfung gemessen.

Warum hat der Einsatz das Problem nicht gelöst?

Meist, weil der Dom nicht mit ihm neu konstruiert wurde. Ein Dom für eine gewindeformende Schraube hat ein anderes Loch und meist eine andere Wandstärke als einer für einen Einsatz. Setzt man einen Einsatz in die alte Geometrie, wandert das Versagen vom Gewinde zum Dom, ohne besser zu werden; deshalb ist ein Einsatz eine Änderung am Teil und nicht am Verbindungselement.

Wann sollte ein Kunststoffteil einen Einsatz statt eines geformten Gewindes bekommen?

Häufiges Öffnen ist der übliche Auslöser, weil jede erneute Montage das Kunststoffgewinde neu formt und verdrängtes oder abgetragenes Material nicht zurückkommt — wo die praktische Grenze liegt, hängt von Harz, Schraube und Drehmoment ab, daher sollte sie durch Versuch statt durch eine Zahl ermittelt werden. Zwei weitere Auslöser haben mit Öffnen nichts zu tun: ein Grundwerkstoff, der so stark kriecht, dass die Vorspannkraft auch ungeöffnet verloren geht, und eine Einschraublänge, die nötig wäre, damit das Gewinde fester als die Schraube ist, und die mehr Tiefe erfordert, als das Teil hat.

Was ist beim Einbau eines Warmeinbett-Einsatzes das Ziel?

Den Dom in die Rändel und Hinterschnitte fließen zu lassen, also ihn kontrolliert örtlich aufzuschmelzen oder zu plastifizieren, statt das Schmelzen zu vermeiden. Die Spitzentemperatur wird auf das Harz des Teils abgestimmt, und ein Überschreiten schädigt den Werkstoff, in dem der Einsatz verankert werden soll. Das Verfahren setzt einen Thermoplast voraus — ein Duroplast fließt nicht erneut, daher lässt es sich nicht übertragen. Die andere Hälfte der Einstellung ist das Loch, denn der Einsatz verdrängt ein Polymervolumen, das irgendwohin muss: das Loch ist der Ort, wohin es geht.

Quellen

• SPIROL — Threaded Inserts for Plastics, Konstruktionsleitfaden