Verbindungstechnik Von der Berechnung zur Montage: Der Weg zu sicheren Schraubverbindungen

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Eine präzise Modellierung bildet die Grundlage für sichere Schraubverbindungen und spart Zeit und Kosten. Berechnungen auf Basis der FEM-Methode und Simulationen mit digitalen Zwillingen optimieren dabei die Entwicklung und erkennen Fehler frühzeitig.

Vor dem Schrauben steht die Analyse. Denn jedem Schraubfall geht eine sorgfältige Berechnung und Modellierung voraus. Mithilfe von standardisierten Methoden, wie sie beispielsweise im Datenblatt VDI 2230 beschrieben sind, können Ingenieure von vornherein gewährleisten, dass Schraubverbindungen zuverlässig und sicher sind. Hierfür stehen den Entwicklern digitale und virtuelle Hilfsmittel zur Verfügung. Nicht nur Schrauben- und Verbindungselemente werden dabei zunehmend in die digitale Welt gespiegelt, auch die Funktionen von Schraubwerkzeuge lassen sich in Form von digitalen Zwillingen auf Herz und Nieren überprüfen. Das spart Zeit und Geld bei der Entwicklung, sorgt aber vor allem dafür, dass weder bei der Montage noch im späteren Einsatz unerwartete Ereignisse auftreten.

„Die Erkenntnisse aus der Modellierung helfen dabei, Produkte effizienter, sicherer und kostengünstiger zu gestalten“, erklärt Reinhard Blömer, Geschäftsführer des Softwareunternehmens MDesign. In der Konzeptphase unterstützen diese Erkenntnisse die Bewertung von Designalternativen. Variantenstudien und die richtige Materialauswahl sind dabei entscheidende Größen, die in der Designphase berücksichtigt werden. Schließlich fließen alle Erkenntnisse beim Prototyping, während den Tests und in der Fertigung wieder in die nächste Produktentwicklung oder -verbesserung ein.

Bei der Modellierung gilt es besonders auf Lastangriffe, Geometrien, Reibung und deren Streuung sowie Material- und Temperatureinflüsse zu achten – insbesondere dann, wenn unterschiedliche Materialien verwendet werden. „Eine präzise Einschätzung dieser Faktoren kann sowohl das Versagen der Verbindung als auch eine Überdimensionierung vermeiden“, betont Blömer. Wichtige ist dabei, die Eigenschaften der Oberflächen und die Steifigkeit der Bauteile genau zu kennen. „In der Schraubtechnik sind das die maßgeblichen Größen neben dem Einfluss aus dem Montageprozess, in dem dann die Simulationen des Anzugs und Werkzeugs von Bedeutung sind “, weiß Niels Rabbe, beim Werkzeughersteller Atlas Copco Tools zuständig für Product Development & Compliance.

Standards geben die Leitplanken vor

Bei der Modellierung und Berechnung von Schraubverbindungen kommen verschiedene Methoden zum Einsatz, die sich in ihren Ansätzen und Anwendungsbereichen unterscheiden, sich teilweise aber auch überschneiden können. Eine der am häufigsten verwendeten Methoden im Maschinenbau ist die VDI 2230, die sich in mehrere Blätter unterteilt: Blatt 1 für den Nachweis, Blatt 2 für die Lastermittlung und Blatt 3 für die Montage von Schraubverbindungen. Diese Methode bietet detaillierte Berechnungsansätze für verschiedene Belastungsarten und spezifische Sicherheitsanforderungen, die insbesondere für industrielle Anwendungen im Maschinenbau relevant sind.

Darüber hinaus basieren weitere methodische Grundlagen auf dem Eurocode, insbesondere Eurocode 3, sowie auf AD- und EN-Merkblättern. Der Eurocode 3 wird hauptsächlich im Bauwesen eingesetzt und verwendet Last- und Widerstandsfaktormethoden, um strenge Sicherheitsanforderungen zur strukturellen Integrität von Bauwerken zu erfüllen.

Die Berechnungen nach AD-Merkblättern und EN-Normen sind dagegen speziell auf Druckbehälter und andere druckführende Komponenten ausgerichtet. Diese Methoden konzentrieren sich auf die Berücksichtigung von Druck- und thermischen Belastungen und setzen hohe Sicherheitsanforderungen für Systeme voraus, die unter Druck stehen.

Einfach gute Verbindungen

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Finite-Elemente-Methode: Frühzeitige Erkennung von Fehlerquellen

„In den letzten Jahren hat sich die Nutzung von Modellierung und Simulation in Bezug auf Schraubverbindungen weiterentwickelt. Bei der Entwicklung von Schraubverbindungen kommt zunehmend eine Kombination aus numerischen Finite-Elemente-Methoden (FEM) und analytischen Nachweisen zum Einsatz“, sagt Reinhard Blömer.

Eine genaue Definition der FEM-Methode gibt Shiva Kumar Manoharan, Business Development Manager FT beim Schraubtechnik-Spezialisten Kistler Remscheid: „FEM ist ein mathematischer Berechnungsansatz, bei der ein Körper durch eine abzählbare (finite) Anzahl von Elementen verteilt und dargestellt wird und die Übertragung der Lösung zwischen benachbarten Elementen durch eine Formfunktion bestimmt wird.“

Die FEM wird heute in allen Bereichen des Ingenieurwesens eingesetzt. Die Pioniere, die diese Berechnungsansatz zur Lösung von Strukturproblemen einsetzten, waren im Bauwesen bei der Konstruktion von Talsperren tätig. Die größten Industriezweige, in denen FEM eingesetzt wird, sind die Automobil- und die Luft- und Raumfahrtindustrie, wo FEM zur Bestimmung des kritischen Strukturverhaltens, wie Vibrationen, Crash und Belastbarkeit verschiedener Komponenten und manchmal sogar auf der Ebene des gesamten Fahrzeugs/Flugzeugs verwendet wird. Andere Anwendungen finden sich bei Fahrrädern, medizinischen Implantaten, medizinischen Geräten, Smartphones und Hochhäusern, um nur einige zu nennen.

FEM-Berechnungen werden zur frühzeitigen Erkennung und Vermeidung von Versagen in sicherheitskritischen Schraubenverbindungen bereits in der Konstruktionsphase eingesetzt. „Spätestens bei Vorserienversuchen und Erprobungen, wenn Probleme mit sicherheits- oder funktionskritischen Bauteilen auftreten, können FEM-Simulationen als Hilfsmittel in der Fehleranalyse eingesetzt werden“, sagt Manoharan.

Digitalisierung und künstliche Intelligenz beschleunigen die Analyse

Zukünftig werden diese Berechnungsmethoden laut Reinhard Blömer auch durch KI-gestützte Assistenten in Softwaretools erweitert werden, was eine noch genauere und effizientere Entwicklung ermöglichen soll.

Digitale Technologien ermöglichen bereits heute präzisere Entwicklung von Schraubwerkzeugen, indem sie datengestützte Handlungsempfehlungen in Echtzeit liefern. Dies unterstützt nicht nur die Produktivitätssteigerung, sondern trägt auch erheblich zur Qualitätsverbesserung bei, indem die Performance der eingesetzten Werkzeuge proaktiv auf höchstem Niveau gehalten und die Produktionsprozesse kontinuierlich verbessert werden.

„Ein bedeutender Fortschritt in diesem Kontext ist die Erstellung digitaler Zwillinge von Schraubwerkzeuge. Diese digitalen Abbilder ermöglichen es, sehr reale Simulationen durchzuführen, wie sich eine Schraubmontage unter gegebenen mechanischen Bedingungen und spezifischer Parametrierung der Schraubwerkzeuge auswirken wird,“ erklärt Niels Rabbe. In Kombination mit dem FEM-basierten Designmodul können so konstruktive Bedingungen genau analysiert und simuliert werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

„Unsere Vision ist es, dass jeder kritische Schraubfall seinen eigenen digitalen Zwilling erhält. Dies würde der Fertigung ermöglichen, schnell und effizient auf Veränderungen in der Lieferkette und Produktion zu reagieren und somit eine flexible und robuste Produktionsumgebung zu schaffen,“ so Rabbe weiter.

Die genannten Lösungen und Innovationen werden auch auf der Regionalmesse Schraubtec präsentiert, wo sie im Detail mit den Experten diskutiert werden können.

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