SB_21902 NLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Direktverschraubung
additiv gefertigter
Kunststoffbauteile

Direktverschraubung additiv
gefertigter Kunststoffbauteile
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.902 N
DVS-Nr.: 11.3447
Universität Paderborn Kunststofftechnik
Paderborn (KTP) Lehrstuhl für
Kunststofftechnologie
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.902 N / DVS-Nr.: 11.3447 der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 587
Bestell-Nr.: 170697
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Schlussbericht vom 02.02.2024
zu IGF-Vorhaben Nr. 21902N
Thema
Direktverschraubung additiv gefertigter Kunststoffbauteile
Berichtszeitraum
01.06.2021 - 31.08.2023
Forschungsvereinigung
Forschungseinrichtung für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Universität Paderborn
Kunststofftechnik Paderborn (KTP)
Lehrstuhl für Kunststofftechnologie
Warbuger Straße 100
33098 Paderborn

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21902N
III Inhaltsverzeichnis
I Kurzzusammenfassung ............................................................................................................ 2
II Vorwort und Danksagung ........................................................................................................ 3
III Inhaltsverzeichnis ................................................................................................................... 4
IV Zusammenfassung ................................................................................................................ 6
1 Einleitung ................................................................................................................................ 8
1.1 Ausgangssituation ............................................................................................................. 8
1.2 Zielsetzung ....................................................................................................................... 8
2 Stand der Technik ................................................................................................................... 9
2.1 Direktverschraubung ......................................................................................................... 9
2.2 Additive Fertigung ........................................................................................................... 11
2.3 Direktverschraubungen in additiv gefertigte Kunststoffe .................................................. 12
3 Vorarbeiten ............................................................................................................................ 14
3.1 Materialauswahl .............................................................................................................. 14
3.2 Schraubenauswahl ......................................................................................................... 14
3.3 Probekörpergeometrie .................................................................................................... 15
3.4 Adaption der Anlagentechnik .......................................................................................... 16
4 Probekörperherstellung ......................................................................................................... 20
5 Untersuchungsergebnisse ..................................................................................................... 23
5.1 Verschraubungsprozess / Momentenverläufe ................................................................. 23
5.2 Kurzzeitfestigkeit ............................................................................................................. 27
5.2.1 Prüfaufbau ................................................................................................................ 27
5.2.2 Untersuchungsergebnisse Auszugskraft ................................................................... 29
5.2.3 Untersuchungsergebnisse Traglast .......................................................................... 34
5.3 Untersuchungsergebnisse Vorspannkraftrelaxation ........................................................ 49
5.4 Untersuchungsergebnis Wiederholverschraubung .......................................................... 58
6 Gestaltungs- und Anwendungsempfehlungen ....................................................................... 61
6.1 Abminderungsfaktoren .................................................................................................... 61
6.2 Gestaltung und Anwendungsempfehlungen .................................................................... 62
7 Gegenüberstellung der geplanten und durchgeführten Arbeiten ............................................ 65
8 Verwendung der Zuwendungen und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ........................ 71
8.1 Verwendung der Zuwendungen ...................................................................................... 71
8.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten ......................................... 71
9 Transfermaßnahmen ............................................................................................................. 72
9.1 Geplante Transfermaßnahmen während der Projektlaufzeit ........................................... 72

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21902N
9.2 Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach Abschluss des Vorhabens .................. 74
10 Wissenschaftlich- technischer und wirtschaftlicher Nutzen für KMU .................................... 77
V Literaturverzeichnis ............................................................................................................... 78

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21902N
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
Die additive Fertigung, oder auch Additive Manufacturing (AM), gewinnt zunehmend an
Bedeutung [RW16]. Für Prototyping-Anwendungen gilt die additive Fertigung als Stand der
Technik. Der Vorteil liegt in der gestalterischen Freiheit, spannungs- und steifigkeitsoptimierte
Geometrien zu realisieren und hochfunktionsintegrierte Bauteile herzustellen. Der wirtschaftliche
Einsatz der additiven Fertigung wird jedoch durch lange Fertigungszeiten, eingeschränkte
Materialkombinationen und unverhältnismäßig hohe Anschaffungskosten bei
Bauraumerweiterungen begrenzt.
Die Integration von additiv gefertigten Kunststoffbauteilen in Baugruppen kann die
Produkteinführungszeit verkürzen. Dies ermöglicht eine flexible Reaktion auf sich verändernde
Märkte. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der additiven Fertigung und dem Wachstum
des Marktes werden die Herstellungskosten immer günstiger. Die Anschaffungskosten für
Material und Anlagen sinken aufgrund größerer Bauräume und höherer Baukosten. Durch die
sinkenden Herstellungskosten gewinnt die Serienfertigung zunehmend an Bedeutung. [May18]
Die meisten additiv gefertigten Bauteile werden aus Kunststoffen hergestellt [Sch18]. Das am
weitesten verbreitete additive Verfahren für Kunststoffbauteile ist das Fused Deposition Modeling
(FDM). Ebenso ist das Direktverschrauben das am häufigsten eingesetzte mechanische
Fügeverfahren für Kunststoffbauteile [NN12]. Um additive Bauteile effektiv in einem Produkt
einsetzen zu können, müssen sie mit anderen Bauteilen zu einer Baugruppe verbunden werden.
Das Direktverschrauben ist für das Fügen von additiv gefertigten Bauteilen gut geeignet, da
Verbindungen mit ungleichen Materialien ohne thermische Beeinflussung möglich sind. Zudem
weisen Direktverschraubungen hohe Verbindungskräfte bei geringen Anschaffungskosten auf.
Durch die Kombination von additiv gefertigten Bauteilen mit Direktverschraubungen, anderen
Verfahren und unterschiedlichen Werkstoffen können Hybridprodukte wirtschaftlich hergestellt
werden [Las18]. Das Direktverschrauben eignet sich vor allem für die Kleinserienfertigung und
die Herstellung großer Produkte auf kleinen Anlagen. Dies ist wirtschaftlich vorteilhaft, da die
Anschaffungskosten der Anlagen in einem ungünstigen Verhältnis zur Baugröße stehen.
Voruntersuchungen an der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) [MHH22], [MH23] zeigen, dass die
bestehenden Richtlinien für spritzgegossene Thermoplastbauteile des Deutschen Verbandes für
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. (DVS-Richtlinie 2241-1 [DVS17]) nur bedingt auf die
Direktverschraubung von additiv gefertigten Bauteilen anwendbar sind. Additiv gefertigte Bauteile
werden schichtweise aufgebaut. Daraus resultiert eine verfahrensbedingte Anisotropie, die bei
der Auslegung und Konstruktion berücksichtigt werden muss. Darüber hinaus bieten die
wegfallenden Restriktionen des Spritzgießens ein großes Optimierungspotenzial für additiv
gefertigte Bauteile. [KKV17, KS15]
1.2 Zielsetzung
In diesem Forschungsprojekt soll die Direktverschraubung von additiv gefertigten
Kunststoffbauteilen untersucht werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht darin, erste
Gestaltungs- und Anwendungsempfehlungen für die Direktverschraubung von additiv gefertigten
Bauteilen zu generieren. Für das Aufstellen der Empfehlungen werden in einem ersten Schritt
additiv gefertigte Bauteile für die Direktverschraubung charakterisiert, um die generelle Eignung
von additiv gefertigten Bauteilen für die additive Fertigung abzuschätzen. Ausgehend von der

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Charakterisierung werden im Anschluss geeignete Geometrievariationen zur Steigerung der
Verbindungseigenschaften untersucht. Bewertet werden dabei für die Direktverschraubung
typische Qualitätskriterien. Hierzu zählt der Verschraubungsprozess, wobei insbesondere der
Momentenverlauf im Fokus steht. Darüber hinaus wird die Kurzzeitfestigkeit, der Verlauf der
Vorspannkraftrelaxation und die Wiederholverschraubbarkeit von additiv gefertigten
Schraubdomen untersucht. Abschließend werden aus den Ergebnissen der angestrebten
Untersuchungen erste Gestaltungs- und Anwendungsempfehlungen abgeleitet und aufgestellt.
Die Empfehlungen sollen den Einsatz der additiven Fertigung, insbesondere für kleine und
mittlere Unternehmen (KMU), im industriellen Kontext erleichtern. Durch die werkzeuglose
Fertigung sind die Verfahren der additiven Fertigung sehr flexibel und für den Einsatz in der
individualisierten Kleinserienproduktion besonders für KMU interessant [GEW+12]. Die
Integration von additiv gefertigten Kunststoffteilen in Baugruppen kann KMU helfen,
Produkteinführungszeiten (time-to-Market) zu reduzieren. Dies ermöglicht einem KMU, auf den
sich immer schneller verändernden Märkten, mit den großen Unternehmen (GUs) konkurrieren
zu können. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der additiven Fertigung (AM) und durch
Wachstum des Marktes sinken die Fertigungskosten stetig. Zudem steigt die Bedeutung von
Serienanwendungen. Die Kosten reduzieren sich insbesondere im Bereich der Materialien sowie
der Anlagen, z. B. durch größere Baukammern und steigende Aufbauraten [May18]. Für KMU
sind aufwendige Untersuchungen zum Verschrauben von additiv gefertigten Bauteilen nicht oder
nur schwer finanzierbar. KMU können an dieser Stelle durch frei verfügbare Richtlinien unterstützt
werden. Aktuell gibt es keine Richtlinien zum Direktverschrauben additiv gefertigter
Kunststoffbauteile. Gegenwärtige Richtlinien, wie die DVS-2241, beziehen sich auf
thermoplastische spritzgegossene Bauteile [DVS17]. Die Zielsetzung leitet sich somit aus dem
Bedarf an Gestaltungs- und Anwendungsempfehlungen für KMU und dem einhergehend
Potential entsprechender Empfehlungen ab.
2 Stand der Technik
In diesem Kapitel werden grundsätzliche Kenntnisse, die für das Verständnis der durchgeführten
Arbeiten vorausgesetzt werden, erläutert. Im ersten Teil werden hierfür zunächst die Grundlagen
der Direktverschraubung erläutert. Darauffolgend wird die additive Fertigung in Grundsätzen
beleuchtet, um das nötige Verständnis für die eingesetzten Verfahren zu vermitteln. Abschließend
werden erste Ergebnisse aus der Kombination der beiden Technologien vorgestellt.
2.1 Direktverschraubung
Die Direktverschraubung ist die am weitesten verbreitete Verbindungsart bei Kunststoffen.
Aufgrund gewindeformender Schrauben ist das Verfahren sehr wirtschaftlich [NN12]. Es
ermöglicht das Lösen und die wiederholte Verschraubung sowie eine hohe definierte
Kraftübertragung bei großer Prozesssicherheit [NN07, Pot04]. Die Qualität der Verbindung ist
maßgeblich definiert durch die Eigenschaften des Kunststoffs, die Geometrie des Schraubdoms,
die Schraubengeometrie und die Art der Beanspruchung [NN19, WMF91].

Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21902N
Abbildung 1: Grundkörper eines Einschraubauges mit charakteristischen Maßen [Ehr08]
Die wichtigsten zu dimensionierenden Größen beim Auslegen eines Schraubtubus sind der
Kernlochdurchmesser d k , die Einschraublänge l E und der Außendurchmesser d A . Bei der
Auslegung ist hier unter anderem die durch das Gewindeformen der Schraube entstehende
Radialdehnung zu berücksichtigen [Ehr08]. Bei der Auslegung von direkt zu verschraubenden
Spritzgussbauteilen können die Kennwerte für die spätere Verschraubung aufgrund der
Komplexität der Einflussgrößen häufig nur überschlägig berechnet werden [Ona82].
Bei der Direktverschraubung von Thermoplasten wird das Gegengewinde mittels
Materialverdrängung durch die Flankengeometrie der Schraube geformt. Dafür entfällt der
Arbeitsschritt des Gewindeschneidens und es kann auf Einlegeteile, in Form von Inserts,
verzichtet werden. Für die Steuerung des Verschraubungsprozesses ist das an der Schraube
anliegende Drehmoment die bestimmende Größe. [NN05]
Abbildung 2: Momenten- (links) und Vorspannkraftverlauf (rechts) bei der Montage [DVS17]
Dieses setzt sich wie folgt zusammen. Sobald die Schraube in den Schraubtubus eingeschraubt
wird, liegt das Gewindeformmoment M F an. Zeitgleich kommt das linear zunehmende
Gewindereibmoment M R hinzu. Beide zusammen ergeben das Eindrehmoment M E , welches bis
zur Auflage des Schraubenkopfes linear zunimmt. Ab der Auflage des Schraubenkopfes steigt
das benötigte Drehmoment stark an, bis das Überdrehmoment M Ü bei einem Versagen vorliegt.
Um eine ausreichende Vorspannkraft zu gewährleisten, wird die Schraube bis zum Erreichen des
Anzugsmomentes M A weiter angezogen [Ona82, Cov16].
M Azul = M E + 1 3 … 1 2 ∗ (M Ü − M E )

Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21902N
Das Anzugsmoment (Gleichung 1) sollte zwischen dem Eindrehmoment und dem
Überdrehmoment liegen, um eine hohe Prozesssicherheit sicherzustellen [DVS17].
Schraubtuben werden hauptsächlich gegen Kopfzugbelastungen ausgelegt. In vielen
Anwendungen müssen Vorspannkräfte über die Nutzungsdauer gewährleistet sein, z. B. zum
Sichern gegen Relativbewegungen. Hierbei ist der durch die Relaxation des Kunststoffs
erfolgende Vorspannkraftabbau zu berücksichtigen. Das Verhältnis von Eindreh- zu
Überdrehmoment dient bei der Direktverschraubung als maßgebende Größe zur Bewertung der
Prozesssicherheit [DP02].
Das Versagen bei Direktverschraubungen wird in den Schraubenauszug, den Schraubenbruch,
das Aufreißen des Tubus sowie das Abreißen des Tubus aufgeteilt [Ehr08]. Je nach Gestaltung
ist der Tubus gegen unterschiedliche Versagensarten zu dimensionieren [Tom00]. Anzustreben
ist das Versagen durch Schraubenauszug. Dies ermöglicht die Reparatur mit einer größeren
Schraube oder einem Insert [DVS17].
Abbildung 3: Abhängigkeit der Auszugskraft von der Einschraublänge (links) und der Wanddicke des Einschraubtubus
(rechts) [Dra99]
Die Auszugskraft wird maßgeblich durch die Einschraublänge, den Außendurchmesser des
Tubus sowie den Kernlochdurchmesser bestimmt (vgl. Abbildung 3). Weitere Richtwerte zur
Auslegung von thermoplastischen Spritzguss-Tuben liefert die DVS-Richtlinie 2241.
2.2 Additive Fertigung
Die additive Fertigung ist ein materialauftragendes Verfahren. Das heißt, die Bauteile werden
schichtweise aufgebaut. Ausgangspunkt ist ein STL-Modell (engl.: Standard Triangulation
Language). Eine Software teilt das Modell in einzelne Schichten auf. Anschließend wird der
Aufbau der einzelnen Schichten aus Kontur und Rasterlinien computergestützt berechnet. Die so
aufbereiteten Daten können danach an die Maschine übergeben werden, die das entsprechende
Bauteil Schicht für Schicht aufbaut. Für die additive Fertigung von Kunststoffbauteilen werden
unterschiedliche Technologien verwendet [Kle16, LLR+17].
Hier ist aufgrund seiner weiten Verbreitung und den vergleichsweisen geringen
Anschaffungskosten das Fused Deposition Modeling (FDM) zu nennen. Dieses Verfahren ist der
Werkstoffextrusion zugeordnet. Bei diesem Verfahren wird ein auf einer Spule aufgewickeltes
Kunststofffilament aufgeschmolzen und mittels einer Düse schichtweise auf die Bauplattform
aufgetragen. Das abgelegte Filament verbindet sich bei der Ablage mit der darunterliegenden
Schicht. Mit zwei Düsen ist die Kombination von zwei Kunststoffen in einem Bauteil möglich. Das
Verfahren benötigt Stützstrukturen für starke Überhänge. Weiterhin ist die minimale Schichtdicke
vergleichsweise groß [OMM+15].
Ein weiteres Verfahren aus dem Bereich der Werkstoffextrusion ist das Kunststoff Freiformen
(KF). Bei diesem Verfahren muss der Ausgangswerkstoff in Form von Kunststoffgranulat