Festigkeiten und Verhalten im Einsatz

Kunststoffschrauben werden in den verschiedensten Fällen eingesetzt, um mögliche Schäden am eigenen Modell zu vermeiden, wenn es denn doch mal zu einer "unsanfteren Begegnung" zwischen "Hindernis und Modell" kommen sollte. Am bekanntesten sind dabei sicher mit Kunststoffschrauben montierte Fahrwerke oder Tragflächen.

Immer wieder taucht in diesem Zusammenhang die Frage auf; ja hält das denn mit so einer Schraube? Oder soll man nicht doch besser eine Schraube aus Metall nehmen? Dann aber mit dem Risiko, dass im Falle des Falles, die Schraube nicht als Sollbruchstelle fungieren kann und alle Belastungen bei einem Crash zu 100prozent auf das Modell übertragen werden!

Ich möchte hier etwas Hilfe anbieten um besser einschätzen zu können, ob eine Kunststoffschraube den zu erwartenden Belastungen standhalten kann, oder eher doch nicht...

Material von Kunststoffschrauben

Die meisten Kunststoffschrauben die im Modellbauhandel und auch beim Schraubenhändler erhältlich sind, sind aus Polyamid oder POM (Polymerblend aus polaren Polymeren, die haben gute Gleiteigenschaften und sind verschleissfest). Die meisten Schrauben sind aber aus Polyamid, oder genauer Polyamid PA66.

PA66 ist ein thermoplastischer Kunststoff, der durch Erwärmung in fast jede beliebige Form gebracht werden kann (Spritzguss, Tiefziehen usw.). Das heisst natürlich auch, dass mit steigenden Temperaturen die Festigkeit von PA66 deutlich abnimmt, so wie bei den meisten Kunststoffen.
PA66 hat aber noch eine weitere Eigenschaft die wichtig ist; das Material nimmt Wasser auf (auch aus der Luft). Bei Raumtemperatur (23°C) sind das rund 2.8% des Gewichtes. Trockenes PA66 ist bei 60°C etwa so spröde, wie wir es bei Temperaturen von -10 bis 0°C her kennen. Die Festigkeit bleibt in etwa gleich, aber die Elastizität des Werkstoffes wird sehr stark davon beeinflusst. So werden Teile die aus PA66 hergestellt werden in vielen Fällen zuerst eine gewisse Zeit gelagert, damit sie Wasser aufnehmen können, oder sie werden regelrecht im heissen Wasser gekocht, damit sie elastischer werden um gleich danach eingebaut zu werden, ohne das sie brechen (aber das eigentlich nur am Rande :-)...)

Maximale Tragfähigkeit von Kunststoffschrauben

Werte für PA66 (trocken)

Werte für POM

Quelle: "Konstruieren mit Kunststoffen" von Gunter Erhard

Wenn wir also 25% dieser Werte bei 50°C für Sommerliche Temperaturen nehmen lassen sich in etwa folgende Werte aus den beiden Grafiken herauslesen, vereinfacht (10N gleichgesetzt mit 1kg)

Zulässige Belastungen im Praktischen Betrieb (ca. 25% von obigen Bruchlasten in den Grafiken)

	M3	M4	M5	M6	M8
PA66	6.75 kg	10.6 kg	18.6 kg	25.8 kg	40.8
POM	6.2 kg	9.8 kg	14.2 kg	14.5 kg	25.8 kg

Klemmkraftabnahme über die Zeit

(Reine) Kunststoffe (Also keine Verbundwerkstoffe wie GFK oder CFK) haben die Eigenschaft das unter Belastung mit der Zeit der Last nachgeben und sich langsam verformen. Dieser Prozess des elastischen Verformens ist theoretisch immer vorhanden.

Ein Beispiel: Wenn man eine Kunststoffschraube anzieht geschieht das gleiche wie bei einer Metallschraube, sie wird wie eine Feder gespannt und baut so die Klemmkraft auf. Da wir es hier aber mit einer Kunststoffschraube zu tun haben nimmt die Spannung in der Schraube langsam ab, weil das Material der Schraube mit der Zeit der Kraft nachgibt! Das ist in der folgenden Grafik dargestellt:

Quelle: "Konstruieren mit Kunststoffen" von Gunter Erhard

Wie man hier sieht baut eine Kunststoffschraube in den ersten 20h einen doch beachtlichen Anteil der Klemmkraft ab, dann läuft die Kurve immer flacher aus (sie wird aber nie ganz horizontal werden, nach einer unendlichen Zeit wird die Klemmkraft auf Null sein...).
Aber Achtung; wer jetzt meint das man nach 20h einfach etwas nachziehen kann und dann halte es für immer der irrt! In so einem Fall Beginnt man sozusagen wieder bei Null und ist wieder am Anfang der Kurve, Kunststoffe sind halt keine Metalle!

Was heisst das jetzt für uns Modellbauer? Sicher ist, bei allen Verschrauben mit Kunststoffschrauben, die nur für einen Tag montiert sind muss dieser Umstand nicht weiter berücksichtigt werden (Tragflächenbefestigung z.B.), denn am Abend werden die Verbindungen wieder gelöst.
Ganz anders ist das aber beim Montieren von Höhenleitwerken oder Fahrwerken mit Kunststoffschrauben. Das sind meistens Verbindungen die man einmal anzieht und dann meistens als "erledigt" betrachtet. Wenn man also feststellt, das man nur mit "extremen" festziehen der Kunststoffschraube einen sicheren Sitz des Bauteils erreicht, sollte man sich vor Augen führen das je nach Fall ein drittel bis ein viertel der Klemmkraft durch die Elastizität der Kunststoffschraube verloren geht! Das soll jetzt natürlich nicht heissen nie mehr Kunststoffschrauben verwenden, aber man sollte wissen wie sich diese Schrauben im Einsatz verhalten, dann können auch eher unnötige Risiken vermieden werden.

In diesem Sinne weiterhin einen guten Flug auch mit Kunststoffschrauben :-)

Letzte Aktualisierung: 05. März 2006	Kontakt
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