NKSV 2017, HAW Hamburg März 2017, Shaker Verlag

Das Norddeutsche-Kolloquium-Schrauben-Verbindungen 2017 fand im März 2017 an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW Hamburg) statt. Die Initiative zur dortigen Veranstaltung ging vom Institut für Konstruktion und Produktentwicklung (IKP) aus. Die Vortragsreihe umfasste sechs Vorträge aus Forschung und Praxis zu folgenden Themen:

• Multifunktionale Korrosionsschutzsysteme auf Zinkbasis, Referent: Michael Stähler (Fa. Dörken)
• Bestimmung des Schraubenvorspannkraftabfalls basierend auf den Schraubenanzugs- und -löse-kurven, Referenten: Herr Qasim, Prof. Dr. Fervers (HAW Hamburg), Dr. von Minden (Fa. Daimler AG)
• Schraubenverbindungen absichern in der Praxis, Referent: Herr Stahl (Fa. Arnold Umformtechnik)
• Vergleichende Reibwertuntersuchungen an industriellen Schraubenverbindungen, Referent: Prof. Beyer et. al. (HAW Hamburg)
• Praxisrelevante Schraubversuche am Beispiel von hochfesten Verschraubungen aus dem Dampfturbinenbau, Referent: Herr Brahm (Fa. MAN Diesel & Turbo SE)
• Hydraulisches Verspannen von Schraubenverbindungen, Referent: Herr Poppels (Fa. Azeta)

Neben den einzelnen Vorträgen kam die Rede auch auf Details zu der vorgestellten hydraulischen Spannvorrichtung sowie einem demonstrativen Versuch, durchgeführt durch die Firma Azeta. Zudem wurden erste Gespräche zu einer Standardisierung von Direktverschraubungen angestoßen, wie z.B. eine Normung mit DIN oder DIN SPEC.

Vortrag 1: Multifunktionale Korrosionsschutzschichten auf Zinkbasis

In seinem Vortrag zum Thema "Multifunktionale Korrosionsschutzsysteme auf Zinkbasis" stellte Referent Michael Stähler zunächst die Organisationsstruktur des Deutschen Schraubenverbandes e.V., mitsamt Vorstand, Sekretariat, Fachgruppen, Geschäftsführung, wissenschaftlichen Mitarbeitern und des technischen Ausschusses sowie diversen Unterausschüssen und Arbeitskreisen vor. 29 Firmen aus den diversen Fachgruppen arbeiten im Bereich Automotive, 21 befassen sich mit den Bereichen Kleinschrauben, Nieten, Muttern und Holz-Verbindungselementen. Die Struktur der Mitglieder setzt sich unter anderem aus Schraubenbeschichtern, Verantwortlichen für Maschinen und Zubehör sowie Vormaterial und Vorbehandlung, Prüfung und Sortierung sowie Prozessüberwachung zusammen.

Gewinn: umfassende Ausbildung

Von dem Verband aus werden unter anderem die Schraubfachausbildung (SFA), in Zusammenarbeit mit der TU Darmstadt und der Universität Siegen sowie das Schraubenseminar TAE (Ostfildern) angeboten.
Die Dörken MKS, eine Tochter der Ewald Dörken AG, gegründet 1892 von Ewald Dörken & Dr. Carl Dörken gilt dank seiner Herstellung von Mikroschicht-Korrosionsschutz-Systemen seit 1980 inzwischen als europäischer Marktführer und produziert ausschließlich in Herdecke, Deutschland. Die Firma hat sich damit beschäftigt, wie Korrosion verhindert werden kann und dazu zwei unterschiedliche Ansätze entwickelt; die des kathodischen Schutzes. Hier opfert sich Zink als unedleres Metall für den edleren Stahl. Zum zweiten sorgt der passive Schutz dafür, dass eine dicke Schicht das Rosten des Substrats verhindert.

Lösungsansatz: kathodischer Korrosionsschutz

Die Firma stellt insgesamt fest, dass Beschichtungssysteme die beste Lösung sind, um Korrosion zu verhindern. Als typische Anforderungen, die für Oberflächenschutzsysteme für Verbindungselemente Gültigkeit haben, stellen die Wissenschaftler fest, dass in der Hinsicht besonders auf Korrosionsschutz, Chemikalienbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit und Reibungszahlen geachtet werden muss. Der Lösungsansatz besteht im Detail aus dem kathodischen Korrosionsschutz, dem Korrosionsschutz Zinklamellensysteme (bestehen aus vier grundlegenden Zinklamellen-Überzugssystemen; wie folgt aus 1: Basisschicht und Grundmetall; 2: Schmierstoff, Basisschicht und Grundmetall; 3: Deckschicht, Basisschicht und Grundmetall sowie 4: Schmierstoff, Deckschicht, Basisschicht und Grundmetall sowie dem Galvanischen Überzug oder dem Korrosionsschutz durch elektrochemische Reaktion, zum Beispiel durch die Umwandlung in einen thermodynamisch stabileren Zustand. Prüfgeräte wie der ACT I/ACT II/L467 oder der Salzsprühnebeltest prüfen dabei, wie zum Beispiel Korrosionsschutz im Regenwald, speziell in Lagen am Meer, geschehen kann.

Fazit

• Die Tests sind so unterschiedlich, dass die Ergebnisse nicht vergleichbar sind.
• Unterschiedliche Systeme reagieren mit unterschiedlichen Zeiten bis Weiß- bzw. Rotrost.

Temperatur:

• Höhere Temperaturen bedeuten höhere "chemische Aktivität" und somit schnellere Korrosion
• Hohe Temperaturen können zum Ausfall des Beschichtungssystems führen, zum Beispiel Passivierung Cr 6+ gelb bei ca. 70 Grad Celsius
• Temperaturen unter 0 Grad Celsius führen bei Wasseraufnahme zum Aufsprengen des Systems
• Feuchtigkeit: beschleunigt den Prozess und kann zu Auswaschungen führen
• Salzkonzentrationen: Der Einfluss verschiedener Salzkonzentrationen ist eher gering, allerdings führen wechselnde ph-Werte ebenso wie grundsätzliche Wechsel der Klimata zu erhöhten Reaktionen
• Eintauchen: Kann eine stärkere Aufnahme/auch Auswaschungen bedeuten als Belastung durch Nebel Zinklamellensysteme bieten grundsätzlich viele Vorteile Die Firma besteht dementsprechend im Ergebnis auf das Konzept ihrer Korrosionsschutztechnologie, der Zusammensetzung der Zinklamellensysteme aus Basecoat und Topcoat. Die Vorteile der Zinklamellensysteme liegen dabei unter anderem in den geringen Einbrenntemperaturen, der ansprechenden Optik sowie Farbgebung durch Topcoats, einer hohen Chemikalienbeständigkeit sowie einer umweltfreundlichen und ressourcenschonenden Anwendung, primär in der Automobil-, LKW-, Agrar-, Bau- und Windkraftindustrie. Zinklamellen-Anwendungen sind in der LKW-, Bau- und Agrarindustrie sowie der Automobilindustrie zu finden. Märkte und Anwendungsbeispiele sind der Automobilmarkt sowie der der Elektronik, Maschinen & Fluid.

Vortrag 2: Bestimmung des Schraubenvorspannkraftabfalls basierend auf den Schraubenanzugs- und -löse-kurven

Das Ziel bei dieser Untersuchung besteht in der reibungsabhängigen Ermittlung des Vorspannkraftabfalls. Das Experiment besteht aus der Simulation von Kurven und der Veranschaulichung dessen, dass es keine Komplexität gibt, dem Aufzeigen von realen Kurven ohne Vorspannkraftverlust (max. ein Prozent) sowie dem der realen Kurven mit Vorspannkraftverlust (ca. 50 Prozent). Versuche ohne Vorspannkraftverlust wurden durchgeführt. Als erstes Problem bei der Ermittlung der Drehwinkelspanne wurde die Krümmung ermittelt. Als Lösung für die relevante Drehwinkelspanne ohne Fügebereich und die realen Kurven mit nicht-idealer Linearität wurde die 10 Prozent-Methode gefunden. Den Problemen bei der Ermittlung der Drehwinkelspanne und dem plastischen Glätten beim Fügen sowie dem der Kurvenunregelmäßigkeit wurde die Lösung der Drehwinkelspanne durch intelligenten Filter entgegengesetzt. Vorteile sind, dass I & M exakt ermittelbar sind und die Reibung durch die Division "rausgekürzt" wird. Moritz Stahl von der Arnold Umformtechnik widmet sich dementsprechend in seinem Vortrag zu "Schraubenverbindungen absichern in der Praxis" den Untersuchungen MBmin nach ISO898-7, der Bruchkraft nach ISO898-1, der Prüfung nach DIN EN ISO 15330, dem Einschraub- und Überdrehversuch zur Ermittlung MA und der Frage, ob letzterer durch Versuche abgesichert ist. Berechnungsmöglichkeiten bei metrischen Schrauben ergeben sich über die Programme MDesign, ScrewDesigner, Freeware und Software der FEM; Universität Siegen. Berechnungsmöglichkeiten bei gewindefurchenden Schrauben ergeben sich zum Beispiel über die Programme Delta Calc oder Altra Calc. Bei der Direktverschraubung können diese Programme jedoch nur als Prognose angesehen werden.

Überdrehversuch zur Beurteilung der Mutterngewindetragfähigkeit

Durch die Analyse/Laborversuche und die Messung mittels DMS-basierten Kraftsensoren wie Versagenskräften, dynamisch ausgelesenen FM, quasistatischen FM und Langzeitbetrachtungen sowie Messungen mittels Ultraschall oder anderen Methoden (z.B. haptisch, DMS in hohlgebohrte Schrauben, etc.) wurde übers Anziehen, Wartezeit (z.B. RT, Temperatur, Pulsation, etc.) Lösen (oder auch Weiterdrehen) der Schrauben einerseits die Lösesicherheit gewährt. Andererseits dienten die Versuche der Absicherung von Wiederholmontage, Nacharbeiten und Reparaturfällen durch Mehrfachmontage. Das Ganze kann optional auch mit anschließendem Überdrehversuch zur Beurteilung der Mutterngewindetragfähigkeit erfolgen.

Zusammenfassung

• Zielstellung ist es, eine allen (technischen) Anforderungen entsprechende Verbindungslösung einzusetzen, bei einer optimalen Gesamtwirtschaftlichkeit.

• Der Einzelpreis eines Verbindungselements steht nicht im Zusammenhang mit der Gesamtwirtschaftlichkeit der tatsächlichen Verbindung.

• Eine richtig ausgeführte Konstruktion/Auslegung erspart Zeit, Geld und Aufwand.

• Bei der Zielgröße Drehmoment sollte der Drehwinkel als Überwachungsgröße genutzt werden und anders herum.

Im Zweifelsfall kann sich, wer unsicher bezüglich Konstruktion, Auslegung und Versuch ist, über eine Auswahlmatrix behelfen. Ein entsprechender Aufwand für Prüfung und Validierung sichert vor späteren Folgen ab.

"Vergleichende Reibwertuntersuchungen an industriellen Schraubenverbindungen"

Im Vortrag Nr. 4 befassten sich Hans-Joachim Beyer, Peter Weiz, Niels Eiben und Andreas Meyer-Eschenbach von der HAW Hamburg mit den "Vergleichende Reibwertuntersuchungen an industriellen Schraubenverbindungen." Dabei ging es um die Erschließung neuer Erkenntnisse zum Anziehen von Schraubenverbindungen durch das Zusammenstellen der relevanten Einflüsse, das Anziehen von M8-Schrauben, die Untersuchung von Mehrfachanzügen und das Anziehen von M30-Schrauben.

Relevante Einflussgrößen, die Einflüsse auf die Schraubenverbindung hatten, traten durch die 1) Reibung in Gewinde und Auflage, 2) Verwendete Anziehmethode, 3) Geometrie der Verbindungselemente, 4) Festigkeit der Verbindungselemente und 5) Anziehverfahren auf. Dabei wurden Prüflinge von anerkannten Industriezulieferern wie die Sechskantschraube ISO 4014 M8 mal 100-8.8, galv. verzinkt oder die Scheibe ISO 7089-8-200 HV eingesetzt. Versuchsparameter waren ein Ringversuch mit M8-Schrauben und ein Einzelversuch mit M30-Schrauben. Versuchsprüfstände gestalteten sich am IKP Schatz-Prüfstand, Daimler Schatz-Prüfstand, GUNT-Prüfstand und Desoutter-Prüfstand.

Schlussfolgerung

Über einzelne Proben kam man in der Zusammenfassung zum Schluss, dass:

... die Untersuchungen bestätigen, dass die Streuung der Vorspannkraft beim drehwinkelgesteuerten Anziehen geringer ist als beim drehmomentgesteuerten Anziehen,

… dass das stufenweise Anziehen höhere Anziehmomente benötigt als das direkte Anziehen, um auf die gleiche Vorspannkraft zu kommen,

… das Beschichtungsverfahren die Wiederverwendbarkeit der Schraube beeinflusst.

Fortschreitender Prozess bis hin zur Smart Factory

Im Zuge der Anschlussforschungsarbeiten werden die Ursachen für die Abweichungen der Versuchsergebnisse zwischen den Prüfständen mit einer genauen Analyse der eingesetzten Prüfstandsmeßtechniken und mit weiteren Schraubversuchen ermittelt werden. Wie die Forscher sagen, werden die Versuche zur Erforschung dieser Effekte durch den Einfluss der Schmierung wie z.B. Molykote P-37 fortgesetzt, um dann die Messergebnisse zu ermitteln, ob diese ab einer bestimmten Anzugszahl konstant werden oder ob der Prozess immer weiter fortschreitet, bis hin zur Smart Factory.

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