Warum die Automobilindustrie den Großteil der Produktion von Kunststoffbefestigungselementen beansprucht
— Befestigung von Verkleidungsteilen, Sicherung von Kabelbäumen, Montage von Sensoren, Anbringung von Stoßfängerverkleidungen und Halterung von Innenraumkomponenten, die früher mit Metall vernietet oder verschraubt wurden.
Der Wechsel von Metall zu Kunststoff in der Automobilfertigung wird durch vier Faktoren vorangetrieben, die Stahl und Aluminium nicht gleichzeitig erfüllen können:
Gewichtsreduktion. Kunststoffbefestigungen wiegen 60–80% weniger als ihre Gegenstücke aus Stahl. Ein Kunststoff-Druckstift, der eine Türverkleidung im Innenraum befestigt, wiegt etwa 0,8 Gramm. Die Stahlschraube und die Klammer, die er ersetzt, wiegen 4–5 Gramm. Bei 2.000 Befestigungselementen pro Fahrzeug summiert sich dieser Unterschied auf rund 8 Kilogramm – Material, das zum Leergewicht, zum Kraftstoffverbrauch und zur Einhaltung der Emissionsvorschriften beiträgt, ohne einen strukturellen Mehrwert zu bieten. Bei Elektrofahrzeug-Plattformen, bei denen jedes eingesparte Kilogramm Gewicht die Reichweite über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg um schätzungsweise 1–3 km verlängert, ist die Gewichtsreduzierung durch Kunststoffbefestigungselemente nicht mehr optional.
Elektrische Isolierung. Stahlbefestigungen im Motorraum verursachen unbeabsichtigte Erdungspfade und galvanische Kopplungen. Eine Metallschraube, die durch eine Kabelbaumhalterung in ein Karosserieteil geschraubt wird, kann über Tausende von Temperaturwechselzyklen und Vibrationsstunden hinweg die Isolierung der Kabel abreiben und so zeitweise auftretende Kurzschlüsse verursachen, die Diagnosetechniker vor große Schwierigkeiten stellen. Kunststoffbefestigungselemente sind von Natur aus isolierend – Nylon 6/6 weist eine Durchschlagfestigkeit von etwa 16–20 kV/mm auf – und das Befestigungselement selbst kann nicht Teil eines unbeabsichtigten Stromkreises werden. Dies ist in den Hochspannungsarchitekturen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen von Bedeutung, wo ein durch Befestigungselemente verursachter Kurzschluss kein lästiger Fehler, sondern ein Sicherheitsrisiko darstellt.
Dämpfung von Geräuschen, Vibrationen und Rauheit (NVH). Eine verschraubte Metall-Metall-Verbindung überträgt Schwingungsenergie effizient durch die Struktur. Ein Kunststoffbefestigungselement – mit seinem niedrigeren Elastizitätsmodul (Nylon 6/6: ~3 GPa gegenüber Stahl: ~200 GPa) und seiner höheren Dämpfung – absorbiert Schwingungsenergie und reduziert Geräusche im Fahrgastraum. Quietschen und Klappern der Innenverkleidung, die auf Metallklammern zurückzuführen sind, gehören zu den häufigsten Garantiefällen in Qualitätsdatenbanken der Automobilindustrie. Die Lösung, die zunehmend in den Konstruktionsstandards der Erstausrüster (OEM) übernommen wird, besteht darin, die Metall-auf-Metall-Berührungsfläche durch Kunststoff-Befestigungssysteme vollständig zu eliminieren.
Galvanische Störfestigkeit und Kosteneinsparungen.
Arten von Kunststoffbefestigungselementen: Jenseits des Schrauben-Mutter-Paradigmas
Push-Pin-Befestigungselemente / Befestigungselemente vom Push-Typ
Der Push-Pin ist der in der Automobilproduktion am häufigsten verwendete Kunststoff-Befestigungselementtyp. Ein konischer oder gerippter Schaft mit einem Haltekopf wird durch ein vorgestanztes Loch in das Gegenbauteil gepresst. Flexible Lamellen oder Widerhaken spreizen sich hinter dem Bauteil, um einem Herausziehen entgegenzuwirken. Der Einbau erfolgt durch eine einzige lineare Bewegung, die weder eine Drehung noch eine Drehmomentkontrolle erfordert und keinen Zugang zur Rückseite der Verbindung benötigt. Zum Ausbau – falls eine Wartung erforderlich ist – wird ein gegabelter Hebel verwendet, der unter den Kopf geschoben wird und den Stift heraushebt.
Steckstifte dienen der nichttragenden Befestigung: Innenverkleidungen, Türverkleidungen, Armaturenbretter, Radlaufverkleidungen und Unterbodenschutzbleche. Die Auszugskraft eines typischen Steckstifts im Automobilbau liegt zwischen 50 und 200 N – ausreichend, um eine Verkleidung gegen Straßenvibrationen zu sichern, jedoch nicht ausreichend für tragende Konstruktionsverbindungen.
Schnappnieten
Schnappnieten verbinden zwei Bleche, indem sie sich hinter dem zweiten Blech ausdehnen, nachdem der Dorn hindurchgedrückt wurde. Im Gegensatz zu Metallblindnieten, die ein Setzwerkzeug erfordern und sich dauerhaft verformen, sind viele Kunststoff-Blindnieten wiederverwendbar – der Dorn lässt sich mit einem Stiftschlagzeuger wieder herausdrücken, um die Verbindung zu lösen. Diese Wiederverwendbarkeit ist ein wesentlicher Vorteil für Baugruppen, die regelmäßig gewartet werden müssen, wie beispielsweise Batterieabdeckungen, Sicherungskastendeckel und Inspektionsklappen.
Kabelklemmen und Kabelbaumhalterungen
Die Verlegung von Kabelbäumen ist gemessen an der Anzahl der Teile der mit Abstand größte Anwendungsbereich für Kunststoffbefestigungselemente in einem Fahrzeug. Kabelklemmen (auch als P-Klemmen, Tannenbaumklemmen oder Kabelbaumhalter bezeichnet) werden in vorgestanzte Löcher in der Fahrzeugkarosserie eingeklickt und halten Kabelbäume, Bremsleitungen, Kraftstoffleitungen und Sensorkabel in festgelegten Verlegungswegen. Der entscheidende Spezifikationsparameter ist die Haltekraft der Klemme im Befestigungsloch – eine Kabelbaumklemme, die sich durch Vibrationen löst, gibt ein Kabelbündel in einen Bereich frei, in dem es an Metallkanten scheuern kann, was zu einem latenten elektrischen Fehler führt.
Kunststoff-Befestigungselemente mit Gewinde (Schrauben, Bolzen, Muttern)
Kunststoffschrauben und -muttern gibt es zwar und sie funktionieren auch, doch unterscheiden sich die Konstruktionsregeln deutlich von denen für Metall. Ein Kunststoffgewinde kann die Vorspannung, die eine Metallschraube erreicht, nicht aushalten, da das Material unter anhaltender Spannung kriecht. Das praktische Drehmoment für eine M6-Schraube aus Nylon liegt typischerweise bei 0,5–1,5 N·m – das entspricht etwa 10–20% des Drehmoments, das eine gleichwertige Stahlschraube aufnehmen würde. Gewindebefestigungselemente aus Kunststoff kommen dort zum Einsatz, wo elektrische Isolierung, Chemikalienbeständigkeit oder Gewichtsreduzierung wichtiger sind als die Klemmkraft: bei der Befestigung von Leiterplatten an Kunststoffgehäusen, der Sicherung von Sensoren in korrosiven Umgebungen und der Befestigung von Bauteilen in chemischen Verarbeitungsanlagen.
Kabelbinder (Zip-Ties)
Kabelbinder sind technisch gesehen Befestigungselemente – sie üben eine Klemmfunktion um ein Kabelbündel aus – und sind gemessen an der Stückzahl das meistverkaufte Befestigungsprodukt aus Kunststoff. In einem einzigen Fahrzeug werden allein für die Verlegung von Kabelbäumen 50 bis 200 Kabelbinder verwendet. Als Material kommt fast ausschließlich Nylon 6/6 zum Einsatz, das aufgrund seiner Kombination aus Zugfestigkeit, Flexibilität und Hitzebeständigkeit bei Temperaturen im Motorraum ausgewählt wurde. Für Anwendungen unter der Motorhaube werden wärmestabilisierte Kabelbinder aus Nylon 6/6 (ausgelegt für eine Dauerbelastung von 125 °C) vorgeschrieben, während Standard-Nylon-Kabelbinder (ausgelegt für 85 °C) für die Verkabelung im Innenraum und am Fahrgestell verwendet werden.
Eine vollständige Taxonomie von
Polymerfamilien: Eine Matrix der Materialeigenschaften
| Zugfestigkeit (MPa) | HDT bei 1,82 MPa (°C) | Dauerbetriebstemperatur (°C) | Wasseraufnahme (24 h) | Relative Kosten | Wichtige Eigenschaft | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Nylon 6/6 (PA66) | 75–85 (trocken) / 55–65 (feucht) | 65–75 | 85–120 | 2.3–2.8% | 1,0 (Ausgangswert) | Das beste Preis-Leistungs-Verhältnis insgesamt |
| PEEK | 95–110 | 155–165 | 240–260 | 0.10–0.15% | 40–60× | Hervorragende thermische und chemische Beständigkeit |
| Polypropylen (PP) | 30–38 | 50–60 | 80–100 | < 0,01% | 0.4–0.6× | Beste Chemikalienbeständigkeit im Verhältnis zum Preis |
| Polycarbonat (PC) | 60–70 | 125–135 | 110–125 | 0.12–0.18% | 1.5–2.5× | Hohe Schlagfestigkeit, transparent |
| PVC (hart) | 40–55 | 60–70 | 55–65 | 0.05–0.15% | 0.6–0.8× | Selbstlöschend, säure- und laugenbeständig |
| PTFE | 20–30 | 50–55 (unbesetzt) | 250–260 | < 0,01% | 15–25× |
Nylon 6/6 macht schätzungsweise 70–80% der gesamten Produktion von Kunststoffbefestigungselementen aus. Die Gründe dafür liegen auf der Hand: Es ist das kostengünstigste Polymer mit ausreichender Festigkeit und Hitzebeständigkeit für den Einsatz im Fahrzeuginnenraum und in der allgemeinen Industrie, es lässt sich mit hoher Geschwindigkeit spritzgießen und weist dabei eine hervorragende Fließfähigkeit in dünnen Bereichen auf, und seine mechanischen Eigenschaften sind anhand jahrzehntelanger Produktionsdaten, die durch Klassifizierungsnormen für Nylon.
Der entscheidende Konstruktionsaspekt bei Nylon-Befestigungselementen ist die Feuchtigkeitsanpassung. Nylon 6/6 nimmt bei 24-stündigem Eintauchen 2,3–2,8% Wasser pro Gewichtseinheit auf (ASTM D570) und bis zu 8–9% bei Sättigung in feuchten Umgebungen. Mit steigendem Feuchtigkeitsgehalt sinkt die Zugfestigkeit – von etwa 80 MPa im trockenen Formzustand auf 55–60 MPa bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% im Gleichgewichtszustand. Das Befestigungselement quillt zudem auf: Ein Bauteil aus Nylon 6/6 nimmt pro 1% Feuchtigkeitsaufnahme etwa 0,6% an Abmessungen zu. Das bedeutet, dass eine Nylon-Schraube in einer feuchten Umgebung schwächer und etwas größer ist als dieselbe Schraube in einer trockenen Umgebung. Konstrukteure berücksichtigen dies, indem sie für Passungsberechnungen die Maße im „trocken im Formzustand“ und für Belastungsberechnungen die konditionierten Festigkeitswerte verwenden.
Wärmestabilisiertes Nylon 6/6 (mit Kupferhalogenid oder anderen antioxidativen Additiven) erweitert den Dauereinsatztemperaturbereich von 85 °C auf etwa 125 °C, wodurch es sich für Anwendungen unter der Motorhaube eignet, die nicht in direktem Kontakt mit den Abgasen stehen. Glasfaserverstärktes Nylon (PA66-GF30, 30%-Glasfaser, bezogen auf das Gewicht) erhöht die Zugfestigkeit auf ca. 160–180 MPa und die HDT auf 240–250 °C; die Faserverstärkung macht das Material jedoch anisotrop – die Festigkeit variiert je nach Fließrichtung während des Formprozesses – und die Kerbempfindlichkeit nimmt zu.
PEEK: Wenn die Kosten gegenüber der Leistung zweitrangig sind
PEEK (Polyetheretherketon) ist das Hochleistungspolymer, das Ingenieure einsetzen, wenn Nylon nicht ausreicht. Mit einer Dauergebrauchstemperatur von 240–260 °C liegt es im gleichen thermischen Einsatzbereich wie einige Metalle. Seine Zugfestigkeit von 95–110 MPa kann im Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht mit geglühtem Weichstahl mithalten. Seine chemische Beständigkeit deckt fast alle Stoffe ab, mit Ausnahme von konzentrierter Schwefel- und Salpetersäure bei erhöhten Temperaturen. Und seine Kriechfestigkeit – die Eigenschaft, die thermoplastische Befestigungselemente bei Anwendungen mit Dauerbelastung am stärksten einschränkt – ist um eine Größenordnung besser als die von Nylon.
Der limitierende Faktor sind die Kosten. PEEK-Rohmaterial kostet pro Kilogramm etwa 40- bis 60-mal so viel wie Nylon 6/6. Eine PEEK-M6-Schraube kostet $2–5 pro Stück, während ein gleichwertiges Nylon-Produkt $0,05–0,10 kostet. PEEK-Befestigungselemente kommen in Bauteilen für Luft- und Raumfahrttriebwerke, in Anlagen zur Handhabung von Halbleiterwafern, in Bohrlochwerkzeugen für die Öl- und Gasindustrie, in medizinischen Implantaten sowie überall dort zum Einsatz, wo ein Metallbefestigungselement entweder korrodieren, Strom leiten oder ein unzumutbares Gewicht verursachen würde.
Polypropylen (PP): Chemische Beständigkeit zum günstigen Preis
Befestigungselemente aus Polypropylen werden fast ausschließlich aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit eingesetzt. PP wird bei Raumtemperatur von nur sehr wenigen Substanzen angegriffen – konzentrierte oxidierende Säuren, chlorierte Lösungsmittel und einige Kohlenwasserstoffe bei erhöhten Temperaturen bilden die wichtigsten Ausnahmen. Für Armaturen an Säurelagertanks, Laborgeräte, Befestigungselemente für Batteriekästen und Komponenten in chemischen Verarbeitungsanlagen bieten PP-Befestigungselemente eine Korrosionsbeständigkeit, die der von PTFE nahekommt, und das zu etwa 3–5% der Kosten.
Der Nachteil: Die mechanischen Eigenschaften sind schlecht. Die Zugfestigkeit von PP liegt mit 30–38 MPa am niedrigsten unter den sechs wichtigsten Polymerfamilien. Eine HDT unter 60 °C bedeutet, dass PP-Befestigungselemente nicht in der Nähe von Wärmequellen eingesetzt werden können. Die Kriechfestigkeit ist schlecht – eine PP-Schraube, die bei erhöhter Temperatur einer Dauerbelastung ausgesetzt ist, verliert innerhalb weniger Stunden fast ihre gesamte Vorspannung. PP-Befestigungselemente sind ausschließlich aufgrund ihrer chemischen Verträglichkeit geeignet und sonst für nichts.
Polycarbonat (PC): Schlagzähigkeit und Transparenz
Befestigungselemente aus Polycarbonat besetzen eine Nische: Anwendungen, die eine hohe Schlagzähigkeit bei gleichzeitiger optischer Transparenz oder elektrischer Isolierung erfordern. Die Izod-Schlagzähigkeit von Polycarbonat (600–850 J/m, gekerbt) gehört zu den höchsten aller ungefüllten Thermoplaste – ein Befestigungselement aus PC absorbiert einen Aufprall, der ein Teil aus Nylon oder PP mit derselben Geometrie zerbrechen würde. Dies ist von Bedeutung für Abdeckungen von Schutzausrüstungen, Befestigungselemente in Schaltschränken, die rauer Behandlung ausgesetzt sind, sowie für transparente Befestigungselemente in medizinischen Geräten, bei denen eine Sichtprüfung der Verbindung erforderlich ist.
PVC: Selbstlöschend und kostengünstig
Befestigungselemente aus Hart-PVC erfüllen zwei spezielle Funktionen: Als Beschläge für Schaltschränke in Anwendungen, in denen selbstverlöschendes Verhalten (UL 94 V-0 ohne Zusatzstoffe) vorgeschrieben ist, und als Befestigungselemente für die chemische Verarbeitung im Einsatz mit Säuren und Laugen. PVC ist aufgrund seines Chlorgehalts von Natur aus flammhemmend – es verkohlt und erlischt von selbst, sobald die Flammenquelle entfernt wird, ohne dass zusätzliche Flammschutzmittel erforderlich sind, die im Laufe der Zeit auslaugen können.
PTFE: Nahezu universelle chemische Inertheit
PTFE-Befestigungselemente sind die letzte Wahl, wenn es um chemische Verträglichkeit geht. Während die Prozessflüssigkeit Nylon auflöst, Polypropylen spröde macht und Polycarbonat Spannungsrisse verursacht, bleibt PTFE unversehrt. Bei Raumtemperatur wird es von praktisch nichts angegriffen, außer von geschmolzenen Alkalimetallen und Fluorgas unter erhöhtem Druck. Sein Reibungskoeffizient (0,05–0,10 gegenüber Stahl, der niedrigste aller Feststoffe) macht PTFE-Schrauben bereits an sich zu effektiven Reibungsarmen.
Die mechanischen Nachteile sind erheblich: Die Zugfestigkeit von 20–30 MPa beträgt ein Drittel der von Nylon und ein Fünftel der von PEEK. PTFE-Befestigungselemente können keine nennenswerten strukturellen Lasten aufnehmen. Sie werden aufgrund ihrer chemischen Beständigkeit und nicht aufgrund ihrer Festigkeit ausgewählt.
Versagensmechanismen: Wie sich Kunststoffbefestigungselemente zersetzen
Kriechen (Kaltfluss)
Kriechen ist die langsame, dauerhafte Verformung eines Polymers unter anhaltender Belastung unterhalb seiner Streckgrenze. Es handelt sich um ein viskoelastisches Phänomen – die Polymerketten gleiten im Laufe der Zeit aneinander vorbei, wodurch sich die Klemmkraft des Befestigungselements verringert, bis sich die Verbindung lockert oder das Befestigungselement bricht.
Das Kriechen verläuft nichtlinear mit der Temperatur. Ein Befestigungselement aus Nylon 6/6, das bei 23 °C nach 1.000 Stunden noch 80% seiner ursprünglichen Vorspannung beibehält, behält bei 80 °C über denselben Zeitraum möglicherweise nur noch 30% bei. Aus diesem Grund werden Gewindebefestigungselemente aus Kunststoff so gut wie nie in Anwendungen mit Dauerbelastung bei erhöhten Temperaturen eingesetzt. Die Faustregel lautet: Wenn eine Verbindung nach 1.000 Betriebsstunden eine Mindestklemmkraft erfordert und die Betriebstemperatur 50% der HDT des Polymers übersteigt, Metallbefestigungselemente mit Isolierung sollte Kunststoff ersetzen, da Polymer gemäß dem Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip.
Jeder Kunststoff verfügt über eine Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT), die gemäß ASTM D648 bei einer festgelegten Belastung (in der Regel 1,82 MPa für technische Anwendungen) gemessen wird. Dabei handelt es sich nicht um einen Schmelzpunkt, sondern um einen praktischen Indikator: die Temperatur, bei der sich ein Standardprüfkörper unter Belastung um 0,25 mm durchbiegt. Ein Kunststoffverbindungselement, das oberhalb seiner HDT eingesetzt wird, verliert seine Formstabilität und kann die Geometrie der Verbindung nicht aufrechterhalten.
Der langfristige thermische Abbau erfolgt unterhalb der HDT durch oxidative Kettenspaltung – Polymerketten brechen bei erhöhten Temperaturen in Gegenwart von Sauerstoff, wodurch das Molekulargewicht sinkt und das Material spröde wird. Wärmestabilisierte Nylon-Typen enthalten Antioxidationsmittel, die diesen Prozess verlangsamen und die Lebensdauer bei Temperaturen im Motorraum um Jahre verlängern. Nicht stabilisierte Nylon-Befestigungselemente in Anwendungen unter der Motorhaube können innerhalb von 12 bis 24 Monaten spröde werden.
UV-Zersetzung
UV-Strahlung (Wellenlänge 290–400 nm) spaltet durch Photodegradation die Polymerketten auf, was zu Oberflächenkreidung, Mikrorissen und einem Verlust der Zugfestigkeit führt. Nylon 6/6 ist besonders UV-empfindlich – ungeschützte Nylon-Befestigungselemente, die direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind, verlieren innerhalb von 12–24 Monaten im Außenbereich 30–50% ihrer Zugfestigkeit. UV-stabilisierte Typen (mit Ruß oder gehinderten Amin-Lichtschutzmitteln, HALS) verlängern die Lebensdauer im Außenbereich auf 5–10 Jahre. Ruß ist der wirksamste und kostengünstigste UV-Stabilisator für Nylon, weshalb die meisten für den Außenbereich geeigneten Kunststoffbefestigungselemente schwarz sind.
Chemische Korrosion und umweltbedingte Spannungsrissbildung
Der chemische Abbau von Kunststoffbefestigungselementen lässt sich in drei Kategorien einteilen: Auflösung (das Polymer löst sich in der Chemikalie auf, wie sich Polystyrol in Aceton auflöst), chemische Reaktion (das Polymer wird angegriffen und abgebaut, wie beispielsweise Nylon durch starke Säuren hydrolysiert wird) und Spannungsrissbildung unter Umwelteinflüssen (ESC – eine Kombination aus Zugspannung und chemischer Umgebung, die zu einem Sprödbruch bei Spannungswerten führt, die weit unter der Streckgrenze des Materials liegen).
ESC ist besonders heimtückisch, da es ohne sichtbaren chemischen Angriff auftritt. Ein Polycarbonat-Befestigungselement, das unter mäßiger Montagebeanspruchung mit einem Fett auf Kohlenwasserstoffbasis in Kontakt steht, kann nach wochenlanger Einwirkung spontan brechen, während eine unbelastete PC-Probe in demselben Fett keine Verschlechterung zeigt. Der Mechanismus: Die Chemikalie dringt in Mikroporen des beanspruchten Polymers ein, plastifiziert die Polymerketten an der Rissspitze und ermöglicht so die Rissausbreitung bei Spannungen, die an der Luft unbedenklich wären. Die ESC-Beständigkeit muss für die jeweilige Kombination aus Polymer, Chemikalie und Belastung überprüft werden – es gibt keine allgemeingültige Kompatibilitätstabelle.
Eine umfassende
Einbau und Ausbau: Werkzeuge und Techniken
Entfernungswerkzeuge
Das gegabelte Werkzeug zum Entfernen von Verkleidungsteilen – eine flache Klinge mit einer V-förmigen Kerbe an der Spitze – ist das Universalwerkzeug zum Entfernen von Kunststoffbefestigungen. Die Gabel gleitet unter den Befestigungskopf, wird gegen die Oberfläche der Verkleidung gehebelt und zieht den Stift heraus, ohne die umgebende Verkleidung zu beschädigen. Professionelle Werkzeuge bestehen aus glasfaserverstärktem Nylon (das Werkzeug selbst veranschaulicht das Material, das es entfernt). Sets mit 5–11 verschiedenen Hebelformen decken Druckstifte, Tannenbaumklammern, Schnappnieten und Kabelbaumhalterungen für zahlreiche Fahrzeugmarken ab.
Der häufigste Fehler beim Selbermachen: Die Verwendung eines Flachkopfschraubendrehers, der die Verkleidung um den Kopf des Befestigungselements herum beschädigt. Der Kratzer ist dauerhaft und sichtbar. Das $8-Verkleidungswerkzeugset ist die günstigste Karosserieversicherung, die ein Fahrzeughalter abschließen kann.
Einbau: Hinweise zum Anzugsmoment
Kunststoffschrauben erfordern eine weitaus präzisere Drehmomentregelung als Metallbefestigungselemente. Der Bereich bis zum Bruchdrehmoment ist eng: Bei einer M6-Nylonschraube kommt es in einer Nylonmutter bei etwa 1,5–2,0 N·m zum Gewindebruch. Das empfohlene Anzugsdrehmoment liegt typischerweise bei 0,5–1,0 N·m – ein Bereich, den die meisten für Metallbefestigungselemente konzipierten Montagewerkzeuge nicht zuverlässig einhalten können. Drehmomentbegrenzte Schraubendreher oder Elektroschrauber mit präziser Drehmomentregelung sind für die Serienmontage von Kunststoff-Gewindebefestigungselementen praktisch unverzichtbar.
Bei Steckstiften und Blindnieten wird die Einpresskraft so gering gehalten, dass eine manuelle Montage möglich ist – in der Regel beträgt die Einpresskraft pro Stift 30–80 N. Automatisierte Montagestationen verwenden pneumatische oder servogesteuerte Einpresswerkzeuge mit Kraftüberwachung, um falsch ausgerichtete Bohrungen oder fehlende Aufnahmen zu erkennen, bevor das Fahrzeug zur nächsten Station weiterfährt.
Auswahlhilfe: Auswahl des passenden Polymers für die jeweilige Anwendung
| Anwendungsumgebung | Temperaturbereich | Exposition gegenüber Chemikalien | Empfohlenes Polymer | Warum |
|---|---|---|---|---|
| Innenausstattung für Kraftfahrzeuge | -30 bis 80 °C | Keine nennenswerten | Nylon 6/6 | Kostenoptimal, ausreichende Festigkeit, gutes Kriechverhalten bei Kabinentemperaturen |
| Unter der Motorhaube (abseits des Auspuffs) | -40 bis 125 °C | Öl-, Kühlmittelspritzer | Wärmestabilisiertes Nylon 6/6 oder GF-Nylon | Der Temperaturbereich ist ausreichend, die chemische Beständigkeit angemessen |
| Unter der Motorhaube (in der Nähe von Auspuff/Turbolader) | -40 bis 200 °C | Öl, Kraftstoff, Bremsflüssigkeit | PEEK | Das einzige Polymer mit anhaltendem thermischem Spielraum |
| Batteriepack / Hochspannung für Elektrofahrzeuge | -40 bis 85 °C | Elektrolytdampf (Li-Ionen) | Nylon 6/6 oder PP | Elektrische Isolierung; Überprüfung der Beständigkeit des ESC gegenüber Elektrolyt |
| Chemikalienlagertank | 0 bis 40 °C | Konzentrierte Säuren | PP oder PVC | PP für Säure, PVC für Säure und Laugen; keine Gefahr der Metallkorrosion |
| Labor / Reinraum | 15 bis 30 °C | Lösungsmittel, Reagenzien | PTFE oder PEEK | Allgemeine chemische Inertheit |
| Architektur im Außenbereich | -20 bis 60 °C | UV-Strahlung, Regen | UV-stabilisiertes Nylon 6/6 (Ruß) | UV-stabilisiertes Nylon erreicht eine Lebensdauer von 5–10 Jahren im Außenbereich |
| Anlagen zur Lebensmittelverarbeitung | 0 bis 100 °C | Lebensmittelsäuren, Reinigungschemikalien | Nylon 6/6 (FDA-konforme Typen) oder PEEK | Einhaltung der FDA-Vorschriften, chemische Beständigkeit gegenüber Reinigungsmitteln |
| Schaltkasten (für den Innenbereich) | 0 bis 60 °C | Keine nennenswerten | Nylon 6/6 oder PVC (falls V-0 erforderlich ist) | Nylon aus Kostengründen; PVC nur, wenn Selbstlöschfähigkeit vorgeschrieben ist |
| Schaltschrank (für den Außenbereich) | -20 bis 80 °C | UV-Strahlung, Regen, mögliche Chemikalienabdrift | UV-stabilisiertes Nylon 6/6 oder PC |
Normen und Spezifikationen
klassifiziert Nylon-Spritzguss- und Extrusionsmaterialien und definiert das Nomenklatursystem, das zwischen Nylon 6, Nylon 6/6, Nylon 6/10 sowie deren verstärkten und wärmestabilisierten Varianten unterscheidet. Eine Zeichnung für Befestigungselemente, in der “PA66 gemäß ASTM D4066” angegeben ist, gibt zwar das Basispolymer an, spezifiziert jedoch nicht das Additivpaket – Wärmestabilisierung, UV-Stabilisierung oder Glasfasergehalt müssen separat angegeben werden, da legt lediglich die Klassifizierung des Basispolymers fest.
ISO 1043 legt die standardisierten Symbole und Abkürzungen für Kunststoffe fest – “PA66” für Nylon 6/6, “PEEK” für Polyetheretherketon, “PP” für Polypropylen und so weiter. Diese Symbole, die gemäß , sind weltweit auf den Kennzeichnungen von Formteilen und in technischen Zeichnungen zu finden.
UL 94 ist der Standard für die Entflammbarkeit von Kunststoffen, und die Klassifizierungen V-0, V-1, V-2 und HB sind die am häufigsten genannten Brandschutzanforderungen in Normen für elektrische und elektronische Geräte. Ein Kunststoffbefestigungselement im Inneren eines Schaltschranks eines in Nordamerika oder Europa verkauften Produkts unterliegt fast immer einer UL-94-Einstufungsanforderung, die in den Sicherheitszertifizierungsunterlagen des Produkts festgehalten ist.
ASTM D638 legt die Zugprüfung für Kunststoffe fest – die Grundlage für die in Polymer-Datenblättern angegebenen Zugfestigkeitswerte. ASTM D648 definiert die HDT-Prüfung. ASTM D570 definiert die Wasseraufnahme. Zusammen bilden diese drei Normen die Grundlage für die mechanischen und umweltbezogenen Eigenschaften bei der Spezifikation von Kunststoffmaterialien für Befestigungselemente.
Eine umfassende Übersicht über Test-Frameworks und Spezifikationsanforderungen finden Sie im
Häufig gestellte Fragen
Nein, mit einer einzigen Ausnahme. Kunststoffbefestigungselemente verfügen nicht über die erforderliche Zugfestigkeit oder Kriechfestigkeit für tragende Verbindungen, bei denen die Klemmkraft über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden muss. Baustahl und Edelstahl bleiben die einzigen geeigneten Werkstoffe für tragende Schraubverbindungen. Die Ausnahme: glasfaserverstärkte Nylon-Befestigungselemente in strukturellen Anwendungen mit geringer Belastung, bei denen elektrische Isolierung und Korrosionsbeständigkeit die Hauptanforderungen sind – Leiterplattenbefestigung, Sensorhalterungen und nichttragende Halterungen in korrosiven Umgebungen. Konsultieren Sie die Kriechbruchdaten für das jeweilige Polymer bei der Betriebstemperatur, um sicherzustellen, dass die erforderliche Klemmkraft über die gesamte Lebensdauer aufrechterhalten bleibt.
Warum lösen sich meine Nylonschrauben ständig?
Die wahrscheinlichste Ursache ist Kriechrelaxation und nicht ein durch Vibrationen bedingtes Lösen. Eine Nylonschraube, die unter dauerhafter Spannung steht, verliert mit der Zeit an Vorspannung, da sich die Polymerketten unter Belastung neu anordnen. Die Geschwindigkeit dieses Vorgangs steigt exponentiell mit der Temperatur an. Lösungen: Reduzieren Sie die anfängliche Vorspannung auf ein Maß, das das Polymer gemäß den Daten zum Kriechmodul aushalten kann; Wechseln Sie zu einem Metallgewindeeinsatz im Kunststoffbauteil, wobei eine Metallschraube die Klemmkraft aufbringt; oder gestalten Sie die Verbindung so um, dass das Kunststoffbefestigungselement eher als Halterung denn als Klemme fungiert – das Befestigungselement verhindert das Auseinanderfallen der Teile, trägt jedoch keine Druckvorspannung.
Wie kann ich feststellen, aus welchem Polymer ein Kunststoffbefestigungselement besteht?
Formteile aus Kunststoff sind häufig mit dem Polymer-Symbol gemäß ISO 1043 (PA66, PP, PC usw.) und gegebenenfalls mit einer Angabe zum Glasfaseranteil (GF30 = 30%-Glasfaser) gekennzeichnet. Sind sie nicht gekennzeichnet, liefert ein Verbrennungstest eine grobe Identifizierung: Nylon brennt mit einer blau-gelben Flamme und riecht nach verbrannter Wolle oder Haaren; PP brennt mit einer blauen Flamme und tropft, wobei es nach Kerzenwachs riecht; PVC ist selbstlöschend und setzt bei der Verbrennung beißende Chlorwasserstoffdämpfe frei (nicht einatmen); PC verkohlt und erlischt von selbst, wobei ein phenolartiger Geruch entsteht. Zur endgültigen Identifizierung senden Sie eine Probe zur FTIR-Analyse an ein Materialprüflabor.
Sind Kunststoffbefestigungselemente für den Einsatz im Freien geeignet?
Nur wenn UV-stabilisiert. Standard-Nylon 6/6 ohne UV-Stabilisierung verliert innerhalb von 12–24 Monaten bei direkter Sonneneinstrahlung erheblich an Zugfestigkeit. UV-stabilisiertes Nylon (das typischerweise Ruß in einer Menge von 2–3% enthält) behält seine mechanischen Eigenschaften im Außenbereich 5–10 Jahre lang bei. Schwarze Kunststoffbefestigungselemente sind fast immer UV-stabilisiert; naturfarbene (cremefarbene) und farbige Befestigungselemente sind es möglicherweise nicht, es sei denn, im Datenblatt ist die UV-Stabilisierung ausdrücklich angegeben. Für kritische Außenanwendungen sollten Sie UV-stabilisiertes Material spezifizieren und dies mit dem Lieferanten abklären.
Wie hoch ist die Temperaturgrenze für Nylon-Befestigungselemente unter der Motorhaube eines Autos?
Literaturverzeichnis
ASTM International. “ASTM D4066 – Standardklassifizierungssystem für Nylon-Spritzguss- und Extrusionsmaterialien (PA).”
Wikipedia. “Kriechverhalten (Verformung).”
Internationale Organisation für Normung. “ISO 1043-1:2011 – Kunststoffe – Symbole und Abkürzungen – Teil 1: Grundpolymere und ihre besonderen Eigenschaften.”
