Intelligente Werkzeuglokalisierung: Optimale Schraubparameter für weniger Setzerscheinungen

Setzerscheinungen an Schraubverbindungen können schwerwiegende Konsequenzen haben. Das gilt zum Beispiel für Elektrofahrzeuge. Lose Schrauben führen im schlimmsten Fall zum Brand der Batterie – eine Gefahr für Mensch und Umwelt. Damit das nicht passiert, hat Atlas Copco intelligente Lösungen zur Lokalisierung von Werkzeugen entwickelt. Sie sorgen dafür, dass die verschiedenen Schraubvorgänge mit den richtigen Werkzeugen und den optimalen Schraubparametern durchgeführt werden. Damit jede Schraube perfekt sitzt.

Bei Elektrofahrzeugen spielen Busbars eine wichtige Rolle. Sie bestehen in der Regel aus Aluminium oder Kupfer und werden eingesetzt, um eine elektrische Leistung zu übertragen. Sie sind deswegen auch unter der Bezeichnung Stromschiene bekannt. Bei der Montage einer Batterie werden Stromschienen auf Batteriemodulen verschraubt. Ein kritischer Vorgang, denn verschiedene Materialien wie Zink und Kupfer treffen an den Kontaktflächen aufeinander. Dabei wird die erforderliche Klemmkraft durch einen Schraubvorgang aufgebracht. Die optimale Parametrierung der Anzugsvorschrift ist entscheidend für die Montagequalität. Denn in Folge des Klemmkraftverlusts kann sich die Schraubverbindung lockern. Die Materialoberflächenspitzen glätten sich unmittelbar nach dem Anzug, wodurch die Schraubverbindung „entspannt“ wird. Man spricht in dem Fall von den sogenannten Setzerscheinungen. 

„Bei den Setzerscheinungen verändert sich der Werkstoff zeitabhängig. Der größte Teil des Setzvorgangs ist bereits innerhalb von 10 bis 15 Millisekunden nach der Montage abgeschlossen. Das Setzen verstärkt sich jedoch während des Betriebs. Bei der Verschraubung eines Elektronikbauteilgehäuses konnten wir unmittelbar nach der Verschraubung einen Setzverlust von 9,5 Prozent ermitteln, nach sieben Tagen waren es bereits 23,6 Prozent“, erklärt Malte Mählck, Product Manager Werkzeuglokalisierung bei Atlas Copco. Vorspannkraftverluste in den Schrauben können im schlechtesten Fall dazu führen, dass sich Komponenten bzw. Schrauben selbstständig lösen. Im Fall der Batteriemontage im Auto stellt dies ein erhebliches Sicherheitsrisiko für Mensch und Umwelt werden. Treten Spannungsverluste auf, kann sich Hitze entwickeln, Schrauben lockern sich und die Batterie kann in Folge eines Kurzschlusses anfangen zu brennen. 

Die entscheidende Frage ist deshalb: Wie lassen sich die Setzverluste so weit wie möglich minimieren?
Bei einer Verschraubung wird durch das Werkzeug ein Drehmoment auf die Schraube aufgebracht. Dabei entsteht die Vorspannkraft, die eine Klemmkraft in den verspannten Bauteilen erzeugt. Sie sorgt dafür, dass die Bauteile zusammenhalten. Lässt sie nach, entstehen Setzverluste. „Im Test haben wir unmittelbar nach der Verschraubung mit 8 Nm einen Wert von 7,2 Nm gemessen, weil die ersten Fäden auf der Materialoberfläche bereits beim Verschrauben abgebrochen sind. Ein neues Verschraubungsprogramm in den drei Schritten „Alnziehen-Lösen-Wieder anziehen“ hat dazu geführt, dass die Ergebnisse mit   7,8 bis 7,9 Nm wieder innerhalb des Toleranzfensters des Zielwertes lagen,“ erklärt Mählck. Diese Variante ist aber nur eine Möglichkeit von vielen, um eine sichere Verschraubung mit weniger Setzverlusten zu gewährleisten. Entscheidend ist eine konsequente Schraubfallanalyse und die Optimierung der verschiedenen Schraubparameter.

Die Analysen können im Atlas Copco Schraublabor und in der Produktion vor Ort durchgeführt werden.
 

Auch die korrekte Reihenfolge der einzelnen Verschraubungen gewährleistet ILS, das mit einer innovativen Bildverarbeitungstechnologie ausgestattet ist. Die Einhaltung der richtigen Reihenfolge ist unter anderem bei der kreisrunden Verschraubung entscheidend. Damit der Druck auf den einzelnen Schrauben nicht nachlässt, müssen diese im Wechsel auf den einander gegenüberliegenden Seiten angezogen werden. So bleibt die Spannung gleichmäßig, die Setzerscheinungen werden reduziert. Wichtig ist: Die optimalen Verschraubungsparamater erzielen nur dann die bestmöglichen Ergebnisse, wenn die einzelnen Schritte in der richtigen Reihenfolge durchgeführt werden.