Bitte das richtige Bit


Titelthema a:lot 04 - Herbst 2012

Das Schrauben ist seit Jahrhunderten eine der wichtigsten Verbindungsformen in der Fertigungs- und Reparaturtechnik. Dennoch ist das Thema keineswegs altmodisch. Der komplexe Prozess befindet sich dank immer kleinerer Werkstücke und der innovativen Ideen vieler Hersteller in einem steten Wandel. a:lot wirft deshalb einen Blick auf die neuesten Entwicklungen und wagt einen Blick in die Zukunft des Schraubens.

Dieser Fall schien unerklärlich zu sein: Zwei Mitarbeiter hatten dieselbe Tätigkeit zu verrichten und dafür dasselbe Präzisionswerkzeug zur Verfügung. Sie sollten elektronische Baugruppen in Gehäuse schrauben. Während bei einem der Mitarbeiter die Fehlerquote im normalen Toleranzbereich lag, hatte der andere außergewöhnlich viele Probleme und führte das auf Mängel am Elektroschrauber zurück. Ein Fachmann des Herstellers stellte jedoch fest, dass kein Gewährleistungsfall vorlag, sondern schlicht eine unglückliche Jobwahl des Mitarbeiters. Er hätte an einem Arbeitsplatz, der weniger Feingefühl und Konzentration erfordert, vermutlich bessere Ergebnisse erzielt.
„Es gibt Werker, die haben hunderttausende Verschraubungen hinter sich und haben das richtige Drehmoment im Handgelenk“, berichtet Reinhard Fuchs, Geschäftsführer von ADT Fuchs, einem renommierten Anbieter von Schraubtechnik. Doch auf das bloße Gefühl können sich viele Hersteller nicht verlassen. Insbesondere in sicherheitssensiblen Fertigungen, wie zum Beispiel in der Autoindustrie, bleibt jegliches Gefühl außen vor. Dort werden sämtliche Verschraubungen maschinell vorgenommen, elektronisch dokumentiert und die Aufzeichnungen über Jahre hinweg aufbewahrt. Tritt irgendwann mal ein Fehler an dem fraglichen Bauteil auf, muss sein Fertigungsprozess lückenlos dokumentiert sein.

Schrauben ist eine Verbindungstechnik der Zukunft

Eine komplett automatisierte Verschraubung lohnt sich aber nur dort, wo besondere Gründe, wie zum Beispiel Sicherheitsfragen, dies gebieten oder über einen längeren Zeitraum hinweg stets derselbe Prozess wiederholt wird. Dafür müssen alle Variablen eines Schraubvorgangs gleich bleiben, wie zum Beispiel die Position, Anzahl und Größe der Schrauben sowie das Drehmoment. Weil in allen anderen Fällen eine maschinelle Verschraubung nicht wirtschaftlich wäre, wird sie nur teilautomatisiert oder ganz von Menschenhand vorgenommen. Damit dabei die Produktivität hoch und die Fehlerquote gering ist, sollten die Mitarbeiter gut geschult sein. Ständige Innovationen der Hersteller helfen, den Prozess insgesamt stetig zu verbessern.
Dass das Schrauben trotz der zahlreichen Fehlermöglichkeiten dieser Verbindungstechnik nach wie vor weit verbreitet ist, hat seinen guten Grund. Nieten, Kleben, Löten, Schweißen sind zwar gute Alternativen, nur lassen sich alle diese Verbindungen nicht mehr ohne Weiteres wieder lösen. Federklemmen, Klick- und Schnappverbindungen haben diesen Nachteil zwar nicht, dafür sind ihre Einsatzmöglichkeiten in Bezug auf den benötigten Platz und die Qualität der Verbindung begrenzt. Michael Abel, Leiter der Produktentwicklung bei Wera, glaubt deshalb, dass das Schrauben auch zukünftig eine wichtige Verbindungstechnik sein wird. Lediglich die zunehmende Miniaturisierung setzt diesem Prozess grenzen. „Bei einer bestimmten Größe ist einfach Schluss“, sagt der Fachmann.


Moment mal!

Die wichtigste Hilfsgröße in der Schraubtechnik ist das Drehmoment. Dieser Wert wird verwendet, um die Güte und Festigkeit einer Schraubverbindung zu messen und zu beurteilen, weil die eigentlich relevante Klemm- oder Vorspannkraft nicht messbar ist. Da aber nur etwa zehn Prozent des Drehmoments in die Klemmkraft fließen, ist dieser Wert nicht zuverlässig (die restliche Kraft wird für Reibungsverluste im Gewinde und unter dem Schraubenkopf verbraucht).
Das Drehmoment hat den Vorteil, dass es bereits während des Schraubprozesses gemessen werden kann. Das kann sowohl bei Handwerkzeugen als auch bei solchen, die elektrisch betrieben werden, erfolgen. Das Drehmoment kann zerstörungsfrei mit manuellen und elektrischen Messgeräten ermittelt werden. Da dafür wiederum eine Kraft auf die Schraube einwirkt, wird das Drehmoment durch die Prüfung verändert. Insbesondere bei der manuellen Überprüfung kann dieser Einfluss erheblich sein.

Das richtige Werkzeug für falsche Schrauben

Ein Engpass im Schraubprozess, der sich oftmals nur begrenzt oder gar nicht beeinflussen lässt, sind die Schrauben selbst. Sie werden vielfach in großen Fertigungslosen im Kaltpressverfahren hergestellt, was zwangsläufig zu hohen Toleranzen führt. Die angegebene Größe der Antriebsöffnung stimmt dann zwar in einem großen statistischen Bereich, rechts und links davon sind die Abweichungen aber so groß, dass Norm-Werkzeuge nicht mehr ausreichend greifen. In der Folge werden die Schrauben durch den Schraubprozess zerstört und/oder die Schraubverbindung ist nicht zuverlässig. Es muss also nicht unbedingt menschliches Versagen vorliegen, wenn die Schrauben reihenweise kaputtgehen. In extremen Fällen muss für solche Schrauben eigens ein passendes Werkzeug angefertigt werden.
Die Chancen für menschliche Fehler im Schraubprozess sind allerdings groß. Es gibt zwar Normen für Schrauben, davon allerdings eine solche Vielzahl, dass der Vielfalt keine Grenzen gesetzt sind. Hinzu kommt, dass amerikanische und asiatische Standards von den europäischen abweichen. Die Folge ist, dass das Schraubwerkzeug sehr sorgsam ausgesucht werden sollte, wenn das Ergebnis optimal sein soll. Im täglichen Arbeitsprozess gelingt das nicht immer. Insbesondere bei wechselnden Schraubengrößen ist die Verlockung groß, mit ein und demselben Bit alle Schrauben anzuziehen oder zu lösen. Im Zweifel ist das eine teure Nachlässigkeit, weil sie sowohl die Schrauben als auch das Werkzeug beschädigt.

Die Schraubtechnik wird ständig verbessert

Bei Verschraubungen, die von Hand vorgenommen werden, treten Schäden am Schraubendreher nicht so schnell auf. Die Größe des Griffs verhält sich meistens proportional zur Länge der Klinge, damit ein dem Werkzeug und der Schraube angemessenes Drehmoment eingebracht wird. Anders ist es bei Bits. Die kleinen Metallspitzen sind der Schwachpunkt bei der maschinellen Verschraubung. Durch die hohe Beanspruchung sind sie ein ernst zu nehmender Verbrauchsgegenstand. Nicht nur ihre sachgemäße Handhabung, sondern auch die sorgfältige Auswahl guter und geeigneter Bits führt zu einer unmittelbaren Reduzierung der Betriebskosten (s. Kasten).
Es ist aber nur dann sinnvoll, die Mitarbeiter für die Besonderheiten der Schraubtechnik zu sensibilisieren, wenn der Arbeitsplatz beziehungsweise die Werkstatt angemessen ausgestattet sind. Gerade in kleineren Betrieben wird dieser Faktor manchmal unterschätzt. Schrauben scheint eine so gewöhnliche und weithin bekannte Tätigkeit zu sein, dass man dabei vermeintlich nichts falsch machen kann und mit einer selbst zusammengestellten Ausstattung gut zurechtkommt. Tatsächlich beweist nicht zuletzt das riesige Angebot an Schraubtechnik, dass dieses Thema sehr komplex ist und ein hohes Fehlerpotenzial in sich birgt. Hinzu kommt, dass die Schraubtechnik keineswegs so ausgereift ist, wie es scheinen mag. Es kommen ständig Innovationen auf den Markt, die ganz neue Möglichkeiten eröffnen. Es lohnt sich also, nicht nur auf Bewährtes zu setzen, sondern sich durch eine fachmännische Beratung das individuelle Verbesserungspotenzial aufzeigen zu lassen.

Keramik & Co. für besondere Einsatzbereiche

Bei den Schraubprozessen in der Elektronikfertigung geht es in der Hauptsache darum, Baugruppen mit dem Gehäuse zu verbinden. Dafür sind die Aufnahmepunkte und die Schraubengrößen in der Regel bereits durch den Konstrukteur vorgegeben. Er muss dabei einen Kompromiss finden, der viele Aspekte wie Sicherheit, Stabilität und das Platzangebot berücksichtigt. Das Ergebnis ist für den Schraubprozess nicht immer günstig, weil die Aufnahmepunkte oftmals schlecht erreichbar sind und/oder auf verschiedenen Ebenen liegen. Die zunehmende Miniaturisierung der Geräte führt außerdem zu besonderen Herausforderungen an die Schraubtechnik.
Die Auswahl des Schraubwerkzeugs ist in der Elektronikfertigung von besonders hoher Bedeutung. Neben der Güte der Verschraubungen sind oft weitere Aspekte zu beachten, die in anderen industriellen Schraubprozessen keine Rolle spielen. Vor allem elektrostatische und magnetische Einflüsse müssen in einigen Fertigungsprozessen ausgeschlossen werden. Viele Produktserien gibt es deshalb auch in einer ESD-Ausführung. Für spezielle Einsatzbereiche stehen Schraubendreher aus Keramik zur Verfügung.


Innovativer Stabschrauber von Wetec

Sind die Schrauben richtig drin? Wurde keine Schraube vergessen? Diese Fragen gehören mit dem neuen Stabschrauber von Wetec ab sofort der Vergangenheit an. Er verfügt nämlich über eine weltweit einzigartige Abschaltautomatik, die genau das geforderte Drehmoment auf die Schraube bringt. Misslingt das aus irgendeinem Grund, stellt der Stabschrauber den Fehler fest und unterbricht die Fortsetzung des Schraubprozesses.
Erst wenn der Fehler behoben wurde, kann die Arbeit fortgesetzt werden. Überdies können Anzahl, Position und Reihenfolge der Schraubvorgänge an einem Werkstück festgelegt werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass einzelne Schrauben vergessen werden. Der neue Stabschrauber kann bequem über die Steuereinheit programmiert werden. Auch Dokumentationen und Auswertungen der Schraubvorgänge sind möglich.

Schlauer Stabschrauber für geringe Fehlerquote

Bei den in der Regel eingesetzten Elektroschraubern ist das Angebot groß. Die vielfältigen Funktionen, die diese Werkzeuge haben können, spiegeln sich vor allem im Preis wider. Während einfache Akku-Schrauber bereits im niedrigen dreistelligen Bereich zu haben sind, kosten komplexe Systeme mit Steuereinheit und Gelenkarm an die 4.000 Euro. Der große Vorteil von Elektroschraubern mit Steuereinheit ist, dass sich das gewünschte Drehmoment einstellen und damit recht zuverlässig auf die Schraube bringen lässt. Überdies können die Schraubvorgänge mit diesen Geräten dokumentiert und ausgewertet werden. Fehlerquellen lassen sich auf diese Weise aufspüren und beseitigen.
Die Hauptfehlerquelle beim Einsatz von Elektroschraubern sind die Werker, die sie bedienen. Wie das Eingangsbeispiel zeigt, ist die Fehlerquote von der Konzentration und der Ernsthaftigkeit, aber auch dem motorischen Geschick des jeweiligen Mitarbeiters abhängig. Letztlich können auch Willkür und Sabotage dazu führen, dass Werkstücke fehlerhaft verschraubt sind. Um solche Fehlerquellen auszuschließen, gibt es seit Neuestem einen völlig neuen Stabschrauber (s. Kasten).
Für einen schnellen und sicheren Schraubprozess ist die Zuführung der Schrauben von großer Bedeutung. Vibrationswendelförderer haben sich bei Schrauben mit ungünstigen Abmessungen bewährt. Auch bei besonders hohen Anforderungen an die Förderleistung wird dieses Verfahren oft verwendet. Soll hingegen das Fördergut besonders schonend behandelt werden, ist der Hubschienenförderer das geeignete Hilfsmittel. Dieses hat zudem den Vorteil, dass es leiser arbeitet als andere Verfahren. Können die Schrauben nicht mit einem Schlauchsystem zugeführt werden, wird alternativ das Pick-and-Place-Verfahren angewendet.

Text: Volker Neumann


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