Simulation in der Entwicklung Sonderschrauben entwickeln: Dank Simulation immer die richtige Verbindung

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Schrauben finden sich überall – genormt und in riesigen Stückzahlen. Wo Normschrauben für eine Befestigungsaufgabe nicht mehr ausreichen, beginnt die Produktpalette von Kamax. Sonderschrauben oder in Spezialform – die Gewindespezialisten aus Homberg/Ohm entwickeln und liefern, was der Kunde wünscht. Dass hierbei Simulation und Berechnung eine wichtige Rolle spielen, ist keine Überraschung: Kamax arbeitet mit Ansys und lässt sich dabei von Inneo unterstützen.

Kamax ist ein technologisch weltweit führender Hersteller hochfester Verbindungselemente und kompetenter Partner für die Entwicklung und Produktion komplexer Kaltformteile. Spezielle Schrauben für die Automobilindustrie waren schon seit der Gründung des Familien­unternehmens im Angebot: Pleuelschrauben, Radbefestigungsschrauben oder auch hochfeste Schrauben nach Normvorschrift wurden schon damals in der alten Fassfabrik in Osterode produziert. Der Firmenname deutet schon auf die Kernkompetenz des Unternehmens hin, denn „Kmax“ steht im ­Maschinenbau für maximale Festigkeit. Heute hat das Unter­nehmen seinen Hauptsitz im hessischen Homberg (Ohm).

Das Produktspektrum umfasst Schrauben in Größen etwa von M6 bis M24. Handelsübliche Schrauben haben eine Festigkeitsklasse von 6.6, 8.8 oder – hier beginnt die höhere Festigkeit – von 10.8. Kamax fertigt Schrauben bis 17.8U. Da der vordere Wert ein Hundertstel der Zugfestigkeit in Newton pro Quadratmillimeter der Querschnitts­fläche darstellt, hält eine Schraube mit Festigkeitsklasse 17.8 gewaltige 1.700 N/mm2 aus, das entspricht ungefähr dem Gewicht von zwei Elefanten und ist mehr als das Doppelte einer 8.8-Schraube. Hochfeste Schrauben können deshalb im Durchmesser kleiner dimensioniert werden, sie benötigen weniger Platz und sind leichter.

Vielfalt an Sonderschrauben

Der Gewindespezialist fertigt darüber hinaus eine große Vielfalt von Sonderschrauben, die sich oft im Motor und Fahrwerk von Autos finden, beispielsweise die selbstentwickelte KX Head, die im Kopf 30 Prozent weniger Gewicht mitbringt. Andere Schrauben sind elektrisch isolierend und verhindern, dass sie Strom übertragen. Hohlschrauben verbinden beispielsweise Bremsleitungen mit dem Bremssattel, die Bremsflüssigkeit fließt durch die hohle Schraube.

Unter dem Namen KXpanded entwickelte der Hersteller Halteschrauben für E-Batterien in LKW, die mit 60 Zentimeter Länge für Gewindegröße M8 sehr lang ist. Zudem stellt dieser Anwendungsfall hohe Anforderungen an die Geradheit der Schrauben. Diese Schrauben brachten die Fertigungsmaschinen, die auf Drahtmaterial das Gewinde rollen und den Kopf stauchen, an ihre Grenzen. Solch lange Bauteile lassen sich auf den bestehenden Maschinen nicht an beiden Enden bearbeiten. Zudem würden sich die Schrauben bei der folgenden Wärmebehandlung verziehen. So werden Schraubenschaft und Schraubenkopf nun getrennt gefertigt und in einem patentierten Verfahren miteinander verstemmt. Dabei kommt vorvergütetes Material zum Einsatz, so dass kein Verzug auftritt.

Berechnung der Lastfälle

„Ohne Ansys hätten wir das nicht gewagt“, erinnert sich Maximilian Schaller, Leiter des Kompetenzfelds Simulation. „Dank der Berechnung konnten wir sicher sein, dass die Verstemmung die notwendigen Kräfte zuverlässig überträgt.“ Tatsächlich war diese Neuentwicklung der Anlass, Ansys einzuführen. Kamax evaluierte dazu eine ganze Reihe von Systemen, um sich schließlich für das vom Ellwangener Systemhaus Inneo präsentierte Ansys zu entscheiden. Ein wichtiger Grund für die Entscheidung war neben der Funktionalität die Tatsache, dass die nahegelegene technische Hochschule ebenfalls mit diesem System arbeitet und so Fachkräfte einfacher zu rekrutieren sind.

„Bei Fragen zur Berechnung konnten wir uns immer an einen technischen Mitarbeiter von Inneo wenden und schnell Unterstützung bekommen“, erinnert sich Schaller. „So lernten wir direkt in der Praxis, wie Ansys zu bedienen ist. Das war sehr effizient und wir bekamen schnell eine Vorstellung, wo uns Ansys im Entwicklungsprozess helfen kann. Inzwischen haben wir zwei Ansys-Lizenzen und berechnen alle Lastfälle außer Kaltumformungen mit diesem System. Im Bereich der Hohlschrauben haben wir schon darüber nachgedacht, Strömungssimulation zu nutzen, haben diese Idee aber bisher noch nicht umgesetzt.“

Passgenaue Lösungen für Sonderschrauben entwickeln

Die KXpanded-Schrauben sind ein gutes Beispiel für die Kompetenzen von Kamax: Außergewöhnliche Formen sowie speziell entwickelte und oft patentierte Werkstoffe ermöglichen Lösungen weit außerhalb dessen, was „normale“ Schrauben leisten können. Schaller fügt hinzu: „Dabei ist es immer sehr wichtig, die Anforderungen des Kunden genau zu verstehen, um eine passgenaue Lösung zu finden. Diese Art, auf den Kunden einzugehen, finden wir auch bei Inneo. Wir hatten von Beginn an direkten Zugriff auf Spezialisten, die uns schnell weiterhelfen können.“

Die Mitarbeiter des Schraubenherstellers wurden mit Hilfe von Individualtrainings in Ansys eingeführt, wobei Inneo nicht nur Ansys im Blick hatte, sondern beispielsweise auch erklärte, wie man CAD-Modelle so aufbaut, dass sie sich optimal in Ansys nutzen lassen. „Die Zusammenarbeit war immer sehr unkompliziert“, so Schaller, „bisher konnten alle Fragen, die wir hatten, über den Support geklärt werden.“

„Auf unser Unternehmen kommen neue Herausforderungen zu“, fasst Schaller zusammen. „Mit dem Aufstieg der E-Mobilität werden andere Anwendungsfälle kommen, die ersten davon finden wir schon jetzt, beispielsweise in den isolierenden Schrauben für die Verbindungstechnik. Neue Technologien entwickeln sich, bestehende Technologien wie die Brennstoffzelle gewinnen an Bedeutung. Welche sich wirklich durchsetzen, ist unklar, aber mit Ansys und Inneo haben wir das Werkzeug und den Partner, der uns in jedem Fall weiterhelfen wird.“

Der Autor Dipl.-Ing. Ralf Steck ist freier Fachjournalist  für die Bereiche CAD/CAM, IT und Maschinenbau in Friedrichshafen.