Moderne Verkehrsflugzeuge bestehen zu mehr als der Hälfte ihres Strukturgewichts aus Leichtbauwerkstoffen. Beim Airbus A350 XWB entfallen nach Airbus-Angaben 53 % des Gesamtgewichts auf Kohlefaserverbundwerkstoffe (CFK), [1] und auch die Boeing 787 Dreamliner besteht zur Hälfte aus Composite-Strukturen. [2] Titanschrauben und CFK-Bauteile sind in dieser Welt keine Ausnahme mehr - sie sind der Standard.
Doch genau diese Materialkombination stellt die Schraubtechnik vor Herausforderungen, die mit klassischen Anzugsverfahren nicht beherrschbar sind. Wer hier ausschließlich auf Drehmomentvorgaben vertraut, riskiert Delamination, Kaltverschweißen oder eine Klemmkraft, die weit außerhalb des zulässigen Fensters liegt. Dieser Beitrag erklärt, warum - und welche Messtechnik die Antwort liefert.
CFK in der Schraubverbindung: Drei Risiken, die Konstrukteure kennen müssen
1. Delamination durch überhöhte Flächenpressung
CFK ist in Faserrichtung extrem belastbar - senkrecht dazu, also in Dickenrichtung, verhält es sich grundlegend anders. Bei FKV-Bauteilen im geschlossenen Kraftfluss einer vorgespannten Schraubenverbindung liegen meist andere Schädigungsabläufe als der klassisch betrachtete Schraubenbruch vor, [3] nämlich örtliche Laminatschädigungen in Form von Delamination oder Zwischenfaserbruch.
Die zulässige Grenzflächenpressung unter dem Schraubenkopf ist bei CFK-Laminaten deutlich geringer als bei metallischen Werkstoffen. Forschungsergebnisse der Universität der Bundeswehr München ermitteln anhand von Schallemissionsmessungen eine maximal zulässige Flächenpressung von 140 N/mm² für duroplastische CF-Laminate. [4] Zum Vergleich: Stahl verträgt ein Vielfaches davon. Wer diesen Grenzwert überschreitet, schädigt das Laminat dauerhaft - oft ohne sichtbare Außenwirkung.
Die Konsequenz für die Montage: Unterlegscheiben mit definierter Auflagefläche sind Pflicht, und die tatsächlich eingebrachte Klemmkraft muss präzise kontrolliert werden. Ein zu hohes Anzugsmoment ist hier kein Sicherheitspuffer - es ist ein Schadensmechanismus.
2. Setzverhalten und Vorspannkraftverlust durch Kriechen
Der Vorspannkraftverlust in CFK-Schraubenverbindungen wird durch das Kriechverhalten der Laminate in Dickenrichtung beeinflusst. [4] Das Harz-Matrix-System gibt unter dauerhafter Druckbelastung nach - ein Effekt, der sich über Stunden und Tage fortsetzt und temperaturabhängig verstärkt.
Das Setzen beschreibt das Einebnen von Oberflächenrauigkeiten an Bauteil- und Trennfugenoberflächen sowie an den Verbindungselementen selbst. [5] Beim Kriechen hingegen können weitaus größere Vorspannkraftverluste auftreten, die sich über einen deutlich längeren Zeitraum erstrecken. Für die Luftfahrt bedeutet das: Die Restklemmkraft nach dem Setzen muss für alle Lastfälle nachweislich ausreichen - eine Anforderung, die ohne belastbare Messdaten aus dem Schraubprozess nicht erfüllbar ist.
3. Reibungsstreuung macht reines Drehmoment unzuverlässig
Hier liegt das eigentliche Kernproblem: Die aus dem Anzugsmoment resultierende Vorspannkraft wird maßgeblich von den schwankenden Reibbeiwerten sowie der Drehmomentsstreuung des Schraubgerätes beeinflusst. [6] Dabei muss zwischen Kopfreibung und Gewindereibung unterschieden werden.
Die Summe dieser schwankenden Reibungseinflüsse führt dazu, dass selbst bei hoher Drehmoment-Wiederholgenauigkeit Schwankungen der resultierenden Vorspannkraft von 50 % und mehr auftreten können. [7] Bei CFK-Verbindungen, wo das Toleranzfenster zwischen "zu wenig Klemmkraft" (Verbindung versagt) und "zu viel Klemmkraft" (Delamination) ohnehin eng ist, ist diese Streuung inakzeptabel.
Kritisches Toleranzfenster bei CFK: Zwischen unzureichender Klemmkraft und laminatschädigender Flächenpressung liegt bei CFK-Verbindungen oft nur ein schmales Fenster. Reines Drehmomentanziehen kann dieses Fenster nicht zuverlässig treffen – die Reibungsstreuung ist zu groß.
Titan: Leicht, korrosionsbeständig - und tückisch beim Anziehen
Titanschrauben sind in der Luftfahrt wegen ihrer hervorragenden Kombination aus Festigkeit und geringem Gewicht unverzichtbar. Titan ist fester als Stahl und fast so leicht wie Aluminium, [8] was es zum bevorzugten Verbindungselement in CFK-Strukturen macht.
Doch Titan bringt ein spezifisches Risiko mit: das Kaltverschweißen, auch Fressen genannt. Kaltverschweißen tritt beim sehr engen Kontakt von Metalloberflächen unter Einsatz von Druck und resultierender Reibung auf; wenn die passivierende Oxidschicht an der Oberfläche beschädigt wird, kann Kaltverschweißung auftreten. [9] Bei Titan ist dieser Effekt besonders ausgeprägt, weil die natürliche Titanoxidschicht beim Anziehen mechanisch abgerieben wird und die blanken Metalloberflächen direkt in Kontakt kommen.
Das Ergebnis: Die Schraube lässt sich nicht mehr lösen - oder bricht beim Versuch. In der Luftfahrt, wo Wartbarkeit und definierte Demontage sicherheitsrelevant sind, ist das ein ernstes Problem.
Warum Titan die Reibungsstreuung weiter erhöht
Titanschrauben haben im Vergleich zu beschichteten Stahlschrauben eine höhere und vor allem weniger stabile Reibzahl. Schmiermittel oder Beschichtungen, die das Kaltverschweißen verhindern sollen, verändern die Reibungsverhältnisse erheblich - und damit die Beziehung zwischen Anzugsmoment und tatsächlicher Vorspannkraft. Schmierstoffe und Schraubenkleber reduzieren die Reibzahl zwischen den Gewinden, weshalb das Anzugsmoment entsprechend angepasst werden muss. [10]
Für den Monteur bedeutet das: Das vorgeschriebene Anzugsmoment allein sagt wenig darüber aus, ob die gewünschte Klemmkraft tatsächlich erreicht wurde. Die Verbindung muss analysiert werden - nicht nur angezogen.
Die Lösung: Drehmoment-Drehwinkel-Analyse mit dem QUANTEC MCS®
Das Drehwinkelverfahren adressiert genau die Schwäche des reinen Drehmomentverfahrens. Ab dem Beginn der eigentlichen Drehwinkelverschraubung wird reibungsunabhängig angezogen; die Gesamtvorspannkraft-Streuung ist demzufolge geringer als beim rein drehmomentgesteuerten Schraubverfahren. [7]
Der physikalische Hintergrund: Die Axialkraft verhält sich proportional zum Drehmoment - die Dehnung proportional zum Drehwinkel. [6] Über den Drehwinkel lässt sich die Längung der Schraube und damit die Klemmkraft deutlich genauer und reproduzierbarer einstellen als über ein reines Drehmoment. Reibungsschwankungen im Gewinde, die ein reines Momentverfahren verfälschen würden, spielen beim Winkelverfahren eine deutlich geringere Rolle.
Festpunktlose Drehwinkelmessung: Der entscheidende Unterschied
Klassische Drehwinkelmessungen benötigen einen festen Referenzpunkt am Bauteil - eine Anforderung, die in der Praxis oft nicht erfüllbar ist, besonders bei schwer zugänglichen Verbindungen in Flugzeugstrukturen. Das QUANTEC MCS® Analysewerkzeug von GWK löst dieses Problem mit seiner festpunktlosen Drehwinkelmessung: Der Winkel wird direkt am Werkzeug erfasst, ohne externe Referenz.
Das Ergebnis ist ein vollständiges Drehmoment-Drehwinkel-Diagramm für jeden einzelnen Schraubvorgang. Dieses Diagramm zeigt:
- Den Anzugsbereich: Steigt die Kurve linear an, verhält sich die Verbindung elastisch und korrekt.
- Anomalien im Anzugsverlauf: Unregelmäßigkeiten im Kurvenverlauf weisen auf Setzeffekte, Reibungssprünge oder beginnendes Fressen hin - noch während des Anziehens.
- Das Erreichen der Streckgrenze: Der Knick im Drehmoment-Drehwinkel-Verlauf ist eindeutig identifizierbar und verhindert sowohl Unteranzug als auch Überanzug.
- Vergleichbarkeit über Chargen: Mehrere Schraubvorgänge lassen sich überlagern und statistisch auswerten - die Basis für Prozessfähigkeitsuntersuchungen nach VDI/VDE 2645-3.
Was das QUANTEC MCS® in der Praxis leistet
Das QUANTEC MCS® Analysewerkzeug ist das kompakte Schraublabor für Entwicklung und Qualitätssicherung. Mit seiner robusten Alu-Titan-Konstruktion und einer Messgenauigkeit von ±1 % zwischen 10 und 100 % des Nennbereiches liefert es die Datenqualität, die für sicherheitskritische Luftfahrtverbindungen erforderlich ist.
Für CFK/Titan-Verbindungen bedeutet das konkret:
| Herausforderung | Risiko ohne Analyse | Lösung mit QUANTEC MCS® |
|---|---|---|
| Reibungsstreuung bei Titan | Vorspannkraft ±50 % vom Sollwert | Drehwinkel-Auswertung reibungsunabhängig |
| Delamination durch Überanzug | Laminatschädigung, nicht sichtbar | Klemmkraft-Obergrenze überwachbar |
| Kaltverschweißen | Schraube nicht lösbar, Bruchgefahr | Anomalie im Kurvenverlauf frühzeitig erkennbar |
| Setzverhalten | Vorspannkraftverlust nach Montage | Setzverhalten quantifizierbar, Nachziehstrategie ableitbar |
| Dokumentationspflicht | Keine Rückverfolgbarkeit | Vollständige Kurvendokumentation, WLAN-Datenübertragung |
Die Kompatibilität mit QuanLab Pro® und QS-Torque ermöglicht die lückenlose Archivierung aller Schraubdaten - eine Anforderung, die in der Luftfahrt nicht verhandelbar ist.
Erleben Sie die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse an Ihrem konkreten CFK/Titan-Schraubfall – im GWK-Labor oder direkt bei Ihnen vor Ort.
QUANTEC MCS® Live-Demo anfragenProzessvalidierung: Vom Einzelversuch zur reproduzierbaren Serie
Die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse mit dem QUANTEC MCS® ist nicht nur ein Werkzeug für die Entwicklung - sie ist die Grundlage für die Prozessvalidierung in der Serienmontage.
Aufnahme des vollständigen Drehmoment-Drehwinkel-Diagramms unter realen Bedingungen: Werkstoff, Oberflächenzustand, Schmiermittel, Anzugsgeschwindigkeit. Identifikation von Reibungsklassen und Setzverhalten.
Ableitung des optimalen Anzugsfensters: Mindest-Klemmkraft (Verbindungsfunktion), Maximal-Klemmkraft (Delaminationsgrenze bei CFK). Definition von Drehmoment- und Drehwinkel-Grenzwerten.
Statistische Auswertung mehrerer Schraubvorgänge nach VDI/VDE 2645-3 mit dem Q-CHECK® QS- und Audit-Werkzeug. Nachweis der Prozessfähigkeit für die Serienmontage.
Einsatz des OPERATOR® Produktionswerkzeugs mit WLAN-Datenübertragung und SPS-Kommunikation (OPERATOR® EST01) für die lückenlose Dokumentation jeder Verbindung in der Linie.
Regelmäßige Überprüfung der Werkzeuggenauigkeit durch DAkkS-akkreditierte Kalibrierung – stationär im GWK-Labor oder mobil vor Ort beim Kunden.
Warum reines Drehmoment in der Luftfahrt nicht ausreicht
Das drehmomentgesteuerte Anziehen hat sich in vielen Branchen als Standard etabliert - wegen seiner einfachen Handhabung. Doch das Drehmomentverfahren soll Schrauben typischerweise nur zwischen 60 und 70 Prozent auslasten, um sie bei eventuell höherer Reibung nicht abzureißen. [11] Diese bewusste Unterdimensionierung ist in der Luftfahrt keine Option: Jedes Gramm zählt, und jede Verbindung muss ihre volle Funktion erfüllen.
Hinzu kommt: Ungefähr 90 % des Anzugsmoments werden zum Überwinden der Reibung benötigt, [12] nur ein kleiner Anteil erzeugt tatsächlich die gewünschte Vorspannkraft. Bei variablen Reibungsverhältnissen - wie sie bei Titanschrauben mit und ohne Schmiermittel auftreten - ist die resultierende Klemmkraft kaum vorhersagbar.
Die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse schließt diese Lücke: Sie macht den Schraubprozess transparent, reproduzierbar und auditierbar.
Fazit: Leichtbau braucht Messtechnik auf Augenhöhe
CFK und Titan haben die Leistungsfähigkeit moderner Luftfahrtstrukturen revolutioniert. Die Verbindungstechnik muss mit dieser Entwicklung Schritt halten. Das enge Klemmkraft-Fenster bei CFK-Laminaten, das Kaltverschweißungsrisiko bei Titanschrauben und das ausgeprägte Setzverhalten beider Werkstoffe lassen sich mit reinem Drehmomentanziehen nicht beherrschen.
Die Drehmoment-Drehwinkel-Analyse mit dem QUANTEC MCS® - basierend auf festpunktloser Drehwinkelmessung - liefert die Datenbasis, die für sichere, reproduzierbare und dokumentierte Leichtbau-Verbindungen in der Luftfahrt erforderlich ist. Nicht als Zusatzaufwand, sondern als integraler Bestandteil eines validierten Schraubprozesses.
Sprechen Sie mit unseren Experten über Ihre CFK- oder Titan-Verbindung. Wir analysieren Ihren Schraubfall und zeigen Ihnen, wie Sie Klemmkraft und Prozesssicherheit zuverlässig nachweisen.
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