Seit Jahrzehnten sind sie nicht aus deutschen Kinderzimmern wegzudenken: die etwa fingerhohen Plastikfiguren, die mal als Pirat, mal als Feuerwehrmann und mal als Zoobesucher daherkommen. Sogar ein Martin Luther im Mini-Format kam anlässlich des Reformationsjubiläums im vergangenen Jahr auf den Markt. Für Dr. Martin Löhner sind diese Figuren ein typisches Beispiel für eine Form der Verbindungstechnik, die uns im Alltag auf Schritt und Tritt begegnet: den sogenannten Montagespritzguss. „Der Torso besteht aus einem anderen Kunststoff als der angespritzte und drehbare Kopf“, erläutert der Oberingenieur am Lehrstuhl für Kunststofftechnik der Universität Erlangen-Nürnberg. Ein weiteres bekanntes Beispiel für diese Zwei-Komponenten-Technik seien Zahnbürsten mit einer zusätzlichen weichen Komponente am Griff, um für die Nutzer eine angenehme Haptik zu erreichen. Was zunehmend an Bedeutung gewinne, seien Kunststoff-Metall-Verbunde, so der Wissenschaftler. „Und das insbesondere im Leichtbau-Bereich.“ Auch hierzu nennt er ein Beispiel aus dem Alltag: „Diese Technik kommt in der Automobilindustrie unter anderem in Form des ‚Frontends‘ zum Einsatz.“ Gemeint ist ein Metallträger an der Vorderseite des Fahrzeugs, an den Kunststoffteile angespritzt werden – Stichwort Stoßfänger.
Schraube formt selbst das Gewinde
An anderen Stellen im Auto, etwa bei Gehäusen im Motorraum, würde die sogenannte Kunststoff-Direktverschraubung eingesetzt. „Dabei formt eine Metallschraube das Gewinde beim Einschrauben gleich selbst im Kunststoff.“ Kunststoffe seien aufgrund ihrer geringen Dichte und der guten Formgebungsmöglichkeiten weiterhin überall und stark gefragt. „Die Anwendungsmöglichkeiten sind schier unbegrenzt, sie reichen von der PC-Tastatur über Kappen für Stifte bis hin zu technischen Anwendungen. Daher spielen diese Materialien auch in der Verbindungstechnik eine so große Rolle.“
Ob Schrauben, Nieten oder Schweißen –
wenn nicht gerade ein Holzstuhl aus einem einzigen Baumstamm gearbeitet wird, geht nichts ohne Verbindungstechnik. „Sie beschreibt allgemein alle Lösungen, zwei Bauteile oder zwei Werkstoffe miteinander zu verbinden“, so Dr. Löhner. Eine erste Einteilung lässt sich hinsichtlich lösbaren und nicht-lösbaren Verbindungen treffen. Beim sogenannten Stoffschluss (Kleben, Schweißen, Löten) entsteht etwas, sofern es nicht zerstört wird, so gut wie Untrennbares. Eine lösbare Angelegenheit ist dagegen der Klettverschluss am Kinderschuh. Für den „Kraftschluss“ sind Schrauben wohl das bekannteste Beispiel. Der „Formschluss“ wird etwa durch Nut und Feder oder den Reißverschluss erreicht. „Und alle drei übergeordneten Arten kommen auch im Kunststoffbereich zur Anwendung“, sagt der Ingenieur aus Erlangen, dessen Lehrstuhl (LKT) sich unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dietmar Drummer unter anderem mit dem Schweißen beschäftigt.
Wärme durch Laser oder Reibung
Kunststoff und Schweißen? Ja, das geht. Dabei wird die nötige Wärme beispielsweise durch Strahlung (Laser, Infrarot) eingebracht. Beim „Vibrationsschweißen“ dagegen werden zwei Bauteile aneinandergepresst und gegeneinander bewegt. Durch die Reibung kommt es zu einer Aufschmelzung und somit zu einer Verbindung. Die Herausforderung: „Beim Schweißen muss eine chemische Kompatibilität vorhanden sein“, erklärt Dr. Martin Löhner. Auch müssen die Schmelztemperaturen der Fügepartner in einem ähnlichen Bereich liegen, um gefügt werden zu können. Inzwischen seien Kombinationen von Kunststoffen mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen aber durch eine entsprechende Vorbehandlung möglich – ein wichtiger Schritt für die Industrie. „Teure Hochleistungskunststoffe und technische Kunststoffe und ihre jeweiligen positiven Eigenschaften lassen sich dadurch in vielen Fällen gemeinsam einsetzen. Ziel ist es dabei immer, einen Werkstoff genau da einzusetzen, wo man ihn haben möchte.“ Ein unschätzbarer Vorteil, etwa im Automotive-Bereich.
Die großen Automobilhersteller aus München, Wolfsburg, Stuttgart oder Ingolstadt sind für Erik Felle, Geschäftsführer beim Werkzeugspezialisten Atlas Copco Tools in Essen, „Taktgeber“ in Sachen Innovationen in der Verbindungstechnik. Ähnliches gelte für die Luftfahrtindustrie. Auf jeden Fall spiele Deutschland seiner Aussage nach ganz vorne mit. Der Branchenkenner hat drei „generelle Trends“ ausgemacht. Da wäre zunächst der Leichtbau zu nennen, der sich in nahezu allen Industriezweigen finden lasse. „Dabei geht es um Design, aber natürlich auch um Gewichtsersparnis, die wiederum einen geringeren Energieverbrauch möglich macht.“
Der zweite Trend falle unter das Schlagwort „Industrie 4.0“. „Das Erfassen und die Weiterverarbeitung von Daten werden immer wichtiger“, so Erik Felle. Dabei gehe es beispielsweise um wichtige Parameter wie Drehmoment und Drehwinkel. „Mit digitalen Mitteln lassen sich Prozesse auch steuernd überwachen.“ So könne sichergestellt werden, dass in einem Neuwagen auch wirklich alle Schrauben fest angezogen sind. Die Kräfte, die dabei angewendet werden müssen, schwanken extrem von Industrie zu Industrie. Bei der Herstellung von Smartphones, in der Medizintechnik oder der Uhrenfertigung ist aus verständlichen Gründen filigranes Arbeiten gefragt. „Hier bewegen wir uns im Newtonzentimeter-Bereich“, erklärt der Fachmann. Am anderen Ende der Skala stünden Drehmomente um die 70.000 Newtonmeter, etwa im Kraftwerksbereich. „Windkraftanlagen sind hier ein gutes Beispiel.“ In solchen Fällen kämen auch Spannzylinder zum Einsatz, mit denen hydraulisch angezogen werde. Die genannten Windräder zeigen zugleich auch, wie wichtig zuverlässige und möglichst lange währende Verbindungen sind: Zumindest bei Offshore-Anlagen ist eine Reparatur nicht mal so eben möglich.
Flexibilität ist gefragt
Der dritte große Trend, den Erik Felle für den Bereich Verbindungstechnik nennt, ist die Flexibilität. „Die sogenannte Varianz bei der Montage ist sehr hoch. Unsere Kunden wollen flexibel produzieren, das geht runter bis zur Losgröße eins. Zugleich sollen die Prozess-Schritte weniger werden.“ Gefragt seien heute mehr denn je nicht nur Produkte, sondern Komplettlösungen, die eine intensive Beratung voraussetzten. „Also alles das, was sich nicht mal so eben im Internet bestellen lässt.“ Daniel Boss | redaktion@regiomanager.de
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Am Beispiel von Windrädern wird deutlich, wie wichtig zuverlässige und lange währende Verbindungen sind
Dr. Martin Löhner, Universität Erlangen-Nürnberg
Erik Felle , ist Geschäftsführer beim Werkzeugspezialisten Atlas Copco Tools (Foto: Atlas Copco)
