Verbindungstechnik Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser

Redakteur: Ulrike Gloger

Schrauben können Verbindungen nur dann sicher zusammenhalten, wenn sie mit der richtigen Vorspannung angezogen werden. Doch mit den herkömmlichen Verfahren ist das nur bedingt möglich. Eine auf Ultraschall basierende Technik erfasst die Vorspannung wesentlich exakter als andere Methoden, sie hat aber ihren Preis.

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Dr. Gunther Hartmann, Leiter der Forschung und Entwicklung der Kamax-Werke Rudolf Kellermann GmbH & Co. KG, Osterode am Harz: „Der Sensor erlaubt es, die Vorspannkraft direkt zu kontrollieren; sei es beim Anzug oder auch bei der Kontrolle im Feld.“ Bild: Kamax-Werke
Dr. Gunther Hartmann, Leiter der Forschung und Entwicklung der Kamax-Werke Rudolf Kellermann GmbH & Co. KG, Osterode am Harz: „Der Sensor erlaubt es, die Vorspannkraft direkt zu kontrollieren; sei es beim Anzug oder auch bei der Kontrolle im Feld.“ Bild: Kamax-Werke
( Archiv: Vogel Business Media )

Sie halten buchstäblich die moderne Welt zusammen – die Zigmilliarden Schrauben, die in mannigfaltigen Formen und Größen in praktisch allen Bereichen des täglichen Lebens eingesetzt werden, um Verbindungen herzustellen. Aus diesem Grund sind Schrauben bestens erforscht und in zahlreichen Normen spezifiziert. Die Aufgabe einer Schraube ist es, die an der Verbindung beteiligten Bauelemente mit einer definierten Vorspannkraft zusammenzuhalten.

Lässt die Vorspannkraft der Schraube nach, führt das im Regelfall zum Versagen der Schraube. Das Ultraschall-Messverfahren PMTS (Permanent Mounted Transducer System – Permanent-Sensoren) der Intellifast GmbH, Speyer, das mit aufgesputterten Sensoren auf herkömmlichen Schrauben und spezieller Messtechnik arbeitet, misst diese Vorspannung bei der Montage und danach mit hoher Genauigkeit.

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Die Vorspannkraft hängt von vielen Faktoren ab

Schraubenverbindungen haben ein Geheimnis, das sie nie ganz preisgeben – ihre exakte Vorspannung. Die lässt sich mit üblichen Mitteln nicht direkt messen. Deshalb arbeitet man in der Praxis meist mit drehmoment- oder drehwinkelgesteuerten Anziehverfahren. Die Messung des Drehmomentes enthält jedoch zusätzlich die Reibungskräfte vom Schraubenkopf auf der Auflagefläche sowie der Schraubengewindeflanken.

Diese Reibwertstreuungen können stark variieren und damit die Messung verfälschen. Dazu Dr. Gunther Hartmann, Leiter der Forschung und Entwicklung der Kamax-Werke Rudolf Kellermann GmbH & Co. KG, Osterode am Harz: „Aus diesem Grund hat die Automobilindustrie bereits seit Jahren Reibungszahlfenster für ihre Schrauben definiert.“

PMTS kann exakte Vorspannkraft einer Schraube mit Ultraschall messen

Hier setzt das PMTS an. Damit ist es möglich, die exakte Vorspannkraft einer Schraube mit Ultraschall zu messen. „Der grundlegende Vorteil liegt darin“, so Frank Scheuch, technischer Geschäftsführer von Intellifast, „dass die Zielgröße Vorspannkraft direkt gemessen wird und nicht Hilfsparameter wie Drehmoment oder Drehwinkel. Weil die Reibwerte im Gewinde und unter dem Kopf selbst bei der Montage in sauberster Umgebung nur extrem schwer in engen Grenzen einzustellen sind, führen die dominierenden Verschraubungsverfahren zu signifikanten Vorspannkraftstreuungen bei einzelnen Schrauben und somit auch innerhalb eines Schraubenverbandes.“

Und sein Kollege Gustav Adlhoch, kaufmännischer Geschäftsführer von Intellifast, ergänzt: „Durch die Genauigkeit der Vorspannkraftbestimmung von nachgewiesenen ±3% wird die Anwendung eines niedrigeren Sicherheitsfaktors, des so genannten Anziehfaktors, möglich. In der meistverwendeten Auslegungsvorschrift von Schrauben, der VDI-Richtlinie 2230, wird der Anziehfaktor für ultraschallgesteuerte Schraubenmontage mit 1,05 bis 1,2 angegeben. Zum Vergleich: Der niedrigste Faktor für Drehmomentmontage liegt – bei optimalen Bedingungen und präzisestem Werkzeug – bei 1,4, während vielfach für Drehmomentmontage sogar ein Anziehfaktor von 1,8 vorgegeben oder von Genehmigungsbehörden gefordert wird. Der weitere Vorteil liegt in der Überwachbarkeit der Vorspannung während des Betriebes oder der schnellen Überprüfung (ohne Werkzeug) zu jedem beliebigen Zeitpunkt nach der Montage.“

Zur Messung der Vorspannkraft wird in handelsübliche Schrauben über den Sensor ein Ultraschallsignal eingestrahlt, das die Schraube durchläuft und vom Gewindeende reflektiert wird. Der Sensor wandelt dieses Signal wieder in ein elektrisches Signal um, und die Laufzeit durch die Schraube wird gemessen. Weil die Laufzeit proportional zur Vorspannkraft ist, kann sie zur Messung verwendet werden.

Handelsübliche Schrauben erhalten einen Sensor

„Die Herstellung der Sensorschrauben“, so Scheuch, „erfolgt in unserer Fertigung. Hier tragen wir mittels des Plasma-Beschichtungsverfahrens Sputtering eine festanhaftende, piezoelektrisch wirkende Dünnschicht auf die Kunden-Schraube auf. Sie dient als Impulsgeber für die Ultraschallmessung. Anschließend sputtern wir eine Schutzschicht und eine Elektrode darüber. Die Beschichtung hat keinerlei Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften der Schraube und ist extrem resistent gegen physische und chemische Einwirkungen.“

Der Sensor dient als Sender und Empfänger. Durch Anlegen einer geringen Spannung wird er zum Schwingen im Ultraschallbereich angeregt. Adlhoch: „Die Ultraschalllaufzeit wird also mit der Puls-Echo-Methode präzise ermittelt. Wird die Schraube angezogen, wird sie dadurch zum einen verlängert, zum anderen gerät ihre Struktur unter Stress. Beides zusammen verlängert die Laufzeit des Impulses in der Schraube. Mit Hilfe einer geeichten, hochpräzisen Kraftmessdose lässt sich der so genannte Kraft-Faktor einer Schraubenverbindung, die Vorspannkraftänderung pro Laufzeitänderung, sehr einfach bestimmen.“

Der große Vorteil dieses Verfahrens ist, dass praktisch alle handelsüblichen Schrauben verwendet werden können. Scheuch: „Bezüglich der Schraubendimensionen können wir derzeit Anwendungen von M4 bis M60 vorweisen, wir haben aber Angebote von M3 bis M120 versendet. Die Schraubenlänge ist durch den Durchmesser der Sputteranlagen auf 1,20 m beschränkt. Die kürzeste Schraube, die bisher einen Sensor erhielt, war 25 mm lang, wobei die Klemmlänge bei dieser Anwendung 16 mm betrug.“ Auch bei den Kopfformen gibt es Anwendungen über die gesamte Palette von Sechskant bis Torx, auch reine Bolzen können an einem beliebigen Ende mit Sensor versehen werden.

„Bezogen auf die Temperaturbeständigkeit“, so Scheuch, „liegen die Anwendungsgrenzen der Ultraschalltechnik derzeit zwischen –270 und 320 °C und der Messbereich zwischen –200 und 180 °C. In Salzsprühtests wurde die Sensor-Beständigkeit aktuell bis zu 720 h nachgewiesen, der Nachweis für die doppelte Zeitspanne wird aktuell durchgeführt.“

Die Technik funktioniert einwandfrei bei allen gängigen Stahlwerkstoffen, NE-Werkstoffen sowie Titanschrauben. Scheuch: „Bei austenitischen Stählen gibt es einige Ausnahmen, die nicht messbar sind, hier führt aber der Einsatz von neuartigen Vorverstärkern zur Verbesserung der Echo-Signalqualität und die Kooperation mit Schraubenherstellern bei der Wärmebehandlung und Umformung zur ständigen Erweiterung der Anwendungsmöglichkeit.“

Eine weitere Einschränkung des Einsatzes von Sensorschrauben sieht Dr. Gunther Hartmann bei unbestimmten Temperaturen: „Die Ultraschall-Messtechnik, die ja den Sensorschrauben zugrunde liegt, hat physikalische Grenzen bei nicht konstanten Temperaturen, insbesondere bei ungleichmäßigen Temperaturen in der Schraube.“

Hohe Preise schränken den Markt ein

In Deutschland werden schätzungsweise jährlich rund 70 Mrd. Schrauben hergestellt und verbaut. Hier entpuppen sich die Kosten als Hemmschuh. Adlhoch: „Zurzeit reden wir über Bruchteile von Prozenten, weil bereits ein Prozent des weltweiten Schraubenmarktes viele hundert Millionen Sensoren pro Jahr bedeuten würde. Wir rechnen damit, dass die Technologie für eine Vielzahl von Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie mittelfristig zu einem Standard wird.

Sicherheitsrelevante Schraubenverbindungen gibt es aber in allen Industrien. Selbst kleine und kostengünstige Schrauben können teure Gewährleistungsfälle für den Anwender verursachen.“ Ferner erwartet man bei Intellifast, dass Hersteller von Fahrzeugen, Apparaten und Maschinen die tatsächlichen Gewährleistungs- und Wartungskosten in die Betrachtung von Gesamtkosten einbeziehen werden.

„Bei den von uns im Verschraubungslabor verwendeten Sensoren“, so Hartmann, „liegt der reine Sensorpreis mengenabhängig in Größenordnungen von rund 2 bis 3 Euro pro Stück. Dies ist für Versuchsanwendungen akzeptabel. Die Anbieter mit Serienfokus dürften in einer Großserie bei Mehrkosten nicht unter 15 bis 20 Cent pro Schraube liegen. Dies kann bei kleinen Schraubenabmessungen ein Mehrfaches des Schraubenpreises betragen.“ Schon deshalb seien die Vermarktungschancen begrenzt und für automobile Anwendungen indiskutabel.MM

Winfried Schröder ist Fachjournalist in 74594 Kressberg

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