Entwicklung einer Methode zur Prognose der Verschraubungsparameter von Kunststoffmuttern

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V22-Wippermann


Kernthesen

  • Durch die Korrelation von den umgebungsbedingungsabhängigen Eigenschaften der betrachteten Kunststoffe und den Drehmoment-Drehwinkel-Verläufen der Verschraubungen werden Haupteinflussfaktoren auf die zu wählenden Montageanzugsmomente und die resultierende Vorspannkräfte identifiziert.
  • Die Vorspannkraftrelaxation kann über ein numerisches Modell abgebildet werden, welches dem Endnutzer die verbliebende Restvorspannkraft in Abhängigkeit von den Montagebedingungen prognostiziert.
  • Die im Projekt identifizierten Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge erlauben eine physikalisch basierte Beschreibung des Werkstoffverhaltens, wodurch ein generischer Prognoseansatz zur Vorhersage der Verschraubungskennwerte abgeleitet werden kann.

Zusammenfassung

Kunststoffmuttern werden als Hilfsfügeelemente unter anderem im automobilen Leichtbau eingesetzt. Bei Verwendung dieser spritzgegossenen Kunststoffmuttern ist auf die Umgebungsbedingungen, speziell die relative Luftfeuchtigkeit, während der Lagerung zu achten, da Thermoplaste Wasser aufnehmen und abgeben können.

Dabei verändern sich die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffes, welche wiederum die Verschraubungs- und Verbindungseigenschaften der Kunststoffmuttern signifikant beeinflussen. Um ein Überdrehen der Muttern zu verhindern, muss das Montageanzugsmoment daher in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit gewählt werden.

Zusätzlich beeinflusst wird der Verschraubungsprozess durch den Glasfaseranteil, die Einschraubtiefe, die Mutterngeometrie und die Umgebungstemperatur.

Da weiterhin die Vorspannkraft bei Kunststoffverschraubungen relaxiert und für den Endanwendenden die verbliebene Vorspannkraft nach einer bestimmten Zeit von Relevanz ist, werden die Einflüsse des Verschraubungsprozesses auf die Vorspannkraftrelaxation untersucht.

Mit den aufgestellten Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen wird ein Prognosetool zur Vorhersage der Verschraubungsparameter von Kunststoffmuttern entwickelt.


Darstellung des Nutzens für KMU

KMU wird der wirtschaftliche Einsatz von sowohl kosten- als auch gewichtssparenden Kunststoffmuttern ermöglicht, auch wenn diese nicht über kostspielige Klimatisierungsanlagen an ihren Produktionsstandorten verfügen.

Dies geht einher mit der Aktivierung ungenutzter Leichtbau- und Produktionspotentiale für diverse Wirtschaftszweige. KMU aus den Branchen Maschinen-, Anlagen- sowie Fahrzeugbau, welche bisher für nicht sicherheitsrelevante Bereiche primär Metallverschraubungen einsetzen, können anhand der Forschungsergebnisse für Montageprozesse metallische Verschraubungselemente bei gleicher Prozesssicherheit durch Kunststoffmuttern substituieren.

Kostenintensive Voruntersuchungen und Bemusterungen zur Parameterermittlung wirken sich für KMU effizienzmindernd aus, sodass mit Hilfe des im Rahmen dieses Forschungsvorhabens entwickelten Softwaretools ein direkter Beitrag zur Effizienzsteigerung geleistet wird.

Ferner können Hersteller der Kunststoffmuttern ihren Kunden, die zunehmend internationale Produktionsstätten mit stark variierenden sowohl hygrothermischen als auch personal-qualifikatorischen Montagebedingungen betreiben, die jeweiligen Prozessfenster für robuste Montageprozesse zur Verfügung stellen.


Projekt

IGF 01IF22718 - EFB 03/122 – Laufzeit 01.03.2023-28.02.2025


Referent: M.Sc. JanWippermann, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn

 


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