Dem Materialmix im Leichtbau gehört die Zukunft, das gilt neben dem Automobil- und Flugzeugbau für immer mehr Branchen. Entsprechend gefragt sind Fügeverfahren, die die einzelnen Leichtbauteile aus GFK oder CFK miteinander verbinden. Mechanisches Verbinden durch Schrauben ist da oft das Mittel der Wahl. Dabei bringen die Fügeelemente etwa aus Stahl allerdings oft schon selbst einiges auf die Waage, wodurch die erreichten Gewichtseinsparungen zu verpuffen drohen. Die Firma Weippert Kunststofftechnik entwickelte daher Schrauben aus Kunststoff, die bis zu 80 Prozent leichter sind als ihre Pendants aus Stahl. Kurze Glasfasern ermöglichen eine für Kunststoffe hohe Zugfestigkeit. Weitere Vorteile der Verwendung von Kunststoff sind Korrosionsfreiheit und die elektrische Nicht-Leitfähigkeit des Materials.

Eine Sechskantschraube der Größe M6x40 aus dem Kunststoff PA6GF30 wiegt 1,6 Gramm, mit PAGF60 sind es 2,3 Gramm. Wird die Schraube aus Stahl gefertigt, kommen 9,3 Gramm zusammen. (Bild: Weippert)

Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg, Stuttgart, präsentiert diese GFK-Schrauben von Weippert Kunststofftechnik, Öhringen, ihm Rahmen seines Labels „Thinking“. Leichtbau BW gibt damit jeden Monat innovativen Produkten oder Dienstleistungen im Leichtbau aus Baden-Württemberg eine Plattform.

Die Gewichtseinsparung durch die Schrauben, die die Anforderungen der WT-Norm WT-F-2016 erfüllen, ist deutlich. Eine Sechskantschraube der Größe M6x40 aus dem Kunststoff PA6GF30 wiegt 1,6 Gramm, mit PAGF60 sind es 2,3 Gramm. Wird die Schraube aus Stahl gefertigt, kommen 9,3 Gramm zusammen. Bei einer Zylinderschraube mit Innensechskant der Größe M8x40 fällt der Gewichtsunterschied noch deutlicher aus. Gefertigt aus PA6GF30 wiegt die Schraube 3,2 Gramm. In Stahl bringt sie 17,2 Gramm auf die Waage.

Dies ist eine Gewichtseinsparung von über 80 Prozent. Geschäftsführer Günter Weippert sieht hier viel Potenzial: „Wenn man sich vorstellt, dass es bei einem Lkw über 1.000 Verbindungsstellen gibt, da kommt richtig was zusammen.“

Seit 1992 fertigt der Unternehmer in Auftrag Kunststoffteile im Spritzgussverfahren in allen Formen und Größen. Mit den Kunststoffschrauben bringt sein Betrieb nun nach zwei Jahren Entwicklungszeit die ersten eigenen Produkte auf den Markt. Bereits lieferbar sind Schrauben aus Kunststoff (Polyamid mit unterschiedlichen Füllstoffen) als Sechskantschrauben, Flachkopfschrauben mit TX-Antrieb und Zylinderschrauben mit Innensechskant in den Größen M6 und M8, Länge 40 mm. Als Zubehör sind WT-Sechskantmuttern und WT-Unterlegscheiben lieferbar in den Größen M6 und M8.

Geplant sind zudem Schrauben M3 in der Länge 35 Millimeter, M4 in der Länge 16, 20 und 30 mm, M5 in der Länge 10, 16, 20, 25 und 30 Millimeter sowie Senkkopfschrauben M3, M4 und M5 in Längen von 10 bis 25 Millimeter. Lieferbar sind sie bis zu einer jährlichen Stückzahl von 3 bis 5 Mio.

Diese Marktübersicht enthält das Angebot der Rohstoff-Distributoren aufgeschlüsselt nach Werkstoff (gefüllte und ungefüllte Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere), Dienstleistungen und Lieferart der Werkstoffe (Pulver, Granulat) und Packgröße (Sack, Bigbag, Oktabin oder Silo). Ebenso enthalten sind Angaben zur Gewährleistung oder möglichen Prüfzertifikaten.

In puncto Zugfestigkeit zeigten die Kunststoffschrauben bei Versuchen im Labor der Hochschule Heilbronn, dass sie Kräften zwischen 2.000 und 4.500 N standhalten. (Bildquelle: Weippert)

Verarbeitet werden bei Weippert Granulate mit und ohne Füllstoffe. Die Glasfasern beispielsweise können einen Anteil von bis zu 50 Prozent haben. Möglich ist auch das Einbringen von Glaskugeln, Holzfasern oder Kohlefasern. Die Glasfasern mit einer Länge von ca. drei bis fünf Millimetern sind bereits im Kunststoffgranulat enthalten, das für den Spritzguss verwendet wird. Verarbeitet werden grundsätzlich RoHS-konforme Thermoplaste, die sich nach Kundenvorgaben auch einfärben lassen.

In puncto Zugfestigkeit zeigten die Kunststoffschrauben bei Versuchen im Labor der Hochschule Heilbronn, dass sie Kräften zwischen 2.000 und 4.500 N standhalten. „Aktuell testen wir neue Materialien wie Polyamid. Wichtig ist uns vor allem eine hohe Qualität“, sagt Geschäftsführer Weippert. Das maximale Drehmoment soll auch noch steigen. Hier sind die Werte für viele Anwendungen gut, liegen aber erwartungsgemäß deutlich unter denen von Stahl.

Um die mechanischen Eigenschaften wie etwa Zugfestigkeit und Anzugsdrehmoment zu verbessern, hat Weippert die Kopfgeometrie der Schrauben modifiziert. Auch die Unterlagscheiben hat das Unternehmen angepasst. Innen- und Außendurchmesser haben unterschiedliche Höhen, die Scheibe ist also konkav. Das kompensiert die Kriecheigenschaften des Kunststoffes. Die Unterlagscheiben liegen damit auf der Auflagefläche dichter auf.

Für diese Demoteile kommt die Legierung LM105 zum Einsatz. Sie besteht im Wesentlichen aus Zirkonium, Kupfer, Nickel, Berilium, Titan und Aluminium. Kilopreis: 200 bis 250 Euro (Einstiegspreis bei geringer Abnahme). (Bild: Engel)

Dichtes Gedränge vor der Engel E-Motion 110 Liquid Metal Edition. Der österreichische Spritzgießmaschinenhersteller entwickelte die elektrische Maschine eigens für den Einsatz mit dem amorphen Metall. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Der Wendelförderer legt das Liquid Metal bereit. Es wird von Materion herbestellt und aus standardisierten Stangen auf die Wunschlänge gebracht. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Der lange Fortsatz des Greifers ist die Haltevorrichtung für das Rohmaterial. Damit nimmt der Roboter, ein Engel Viper 6, die Liquid-Metal-Stange aus dem Förderer und führt sie durch die feststehende Werkzeugplatte in die Induktionsspule. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Der Robotergreifer fährt in die Form. Am langen Ende auf der rechten Seite trägt er das Rohmaterial, das er zunächst in die Induktionsspule einlegt. Erst danach entnimmt er das fertige Bauteil. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Die Induktionsspule (schwarzer Bereich vor dem Schneckengehäuse) verflüssigt das Rohmaterial bei Temperaturen von bis zu 1100 °C. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Die feste Werkzeughälfte. Die Platten werden mit der maximalen Zuhaltekraft der Maschine (hier 110 t) aufeinandergepresst. Denn beim Liquid-Metal-Spritzgießen ist es wichtig, das Werkzeug dichtzuhalten, damit das Material nicht kristallisiert. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

In der Mitte der Werkzeugplatte ist das spritzgegossene Demoteil zu erkennen. Das heiße Material ist flüssig wie Wasser, wenn es in die vier Kavitäten des Werkzeugs fließt. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Der Robotergreifer fährt in die Form und legt das Rohmaterial in die Induktionsspule ein, damit diese es verflüssigt. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

So kommen die vier Teile aus der Form. Auf den Anguss entfallen 20 Prozent des Schusses. Er wird mechanisch abgetrennt. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Fertige Demoteile aus der Liquid-Metal-Legierung LM105. Sie wurden gerade abgelegt und fahren jetzt durch das Gebläse in Richtung Kiste. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Die fertigen Bauteile werden auf das Förderband abgelegt, wo sie von sechs Ventilatoren zusätzlich gekühlt werden. Danach fallen sie eine Kiste. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Beim Engel Liquid-Metal-Forum am 19.1.2016 interessierte sich die Gäste sehr für den Herstellprozess. Auf dem Bild stand die Heizspirale im Fokus, die das Rohmaterial auf 1100 °C aufheizt. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Vor den Maschinenvorführungen nahmen sich Klaus Wilde (rechts neben der Projektion), Niederlassungsleiter des Engel Technologieforums Stuttgart, und Heinz-Wolfgang Rasinger, Leiter Geschäftsbereich Teletronics von Engel, Zeit für Fragen aus dem Publikum. (Bild: David Löh/Redaktion Plastverarbeiter)

Durch die Beständigkeit gegen Korrosion und das geringe Eigengewicht können auch Konstruktionen, vor allem im Bereich Leichtbau, neu konzipiert werden. Die Vielfalt an Kunststoffen ermöglicht zudem eine Umsetzung vieler geforderter chemischer Eigenschaften wie geringe elektrische Leitfähigkeit, Lebensmittelechtheit sowie Chemikalien- und Säurebeständigkeit. Ein weiterer Vorteil der Kunststoffschrauben ist, dass ihr geringeres Gewicht im Vergleich zu Stahlschrauben den Energieverbrauch senkt. Beispielsweise im Automobilbereich. Weitere Vorteile ergeben sich etwa bei Anwendungen in der Automatisierung, zum Beispiel bei Handling-Geräten für Spritzgussmaschinen. Hier würde bei einem Werkzeugcrash ein Greifarm aus Kunststoff in Verbindung mit Kunststoffschrauben einen geringeren Schaden verursachen als Stahlbauteile und Stahlschrauben.

Überhaupt sind die Anwendungsgebiete für die Kunststoffschrauben vielfältig. Aktuell sind die Hauptabnehmer die Elektro- und Elektronikindustrie sowie die Wasser- und Abwassertechnik. Aber auch der Anlagen- und Behälterbau, die Robotik, der Fahrzeugbau, die Möbelindustrie sowie Medizintechnik und viele weitere Branchen eignen sich für den Einsatz der leichten Kunststoffschrauben. „Der Bedarf ist da, das hat unser Auftritt bei der Hannover Messe Industrial Supply 2016 gezeigt“, sagt Weippert. „Bei vielen Ingenieuren, die von der Stahlseite kommen, braucht es aber noch Überzeugungsarbeit.“ Dazu gibt es auch in diesem Jahr Gelegenheit: Auf der Hannover Messe ist das Unternehmen auf dem Gemeinschaftsstand „Leichtbau aus Baden-Württemberg“, Halle 6, Stand F30, vertreten.

ist Leiter Presse- und Öffentlichkeitsarbeit der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg in Stuttgart.

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