In unserem kleinen Ausflug in die Gehäusekonstruktion erfahren Sie, welche Rolle die Seriengröße, Oberflächenbeschichtungen und die Einsatzsituation spielen, wenn es darum geht, auf welche Art ein Gewinde in ein Blech eingebracht wird. Außerdem besprechen wir die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Verfahren, um Gewinde in ein Blech zu bekommen.

Sollen Bauteile schnell und sicher miteinander verbunden werden, scheint das auf den ersten Blick eine mit Mutter und Schraube leicht zu lösende Aufgabe zu sein. So kommt zusammen, was zusammengehört oder zumindest zusammengehören sollte, damit am Ende ein schickes Metallgehäuse oder ein anderes Produkt auf dem Tisch steht.

Allerdings stehen auch diese Verbindungen vor so manchen Herausforderungen. Schließlich gilt es, abgerissene oder ausgerissene Gewinde zu vermeiden, dünnwandige Bleche zu verbinden oder ein präzises Nachschneiden der Gewinde nach der Oberflächenbehandlungen sicherzustellen.

Tatsächlich gibt es eine ganze Reihe unterschiedliche Verfahren, um Gewinde für eine Schraubverbindung in Bleche zu bekommen. Da sich die Verfahren für ganz unterschiedliche Anwendungsfälle eignen lohnt es sich, einen genaueren Blick auf die gängigen Verfahren zu werfen. So werden Ihre Verbindungen kostenoptimal und stabil.

1. Gewinde formen auf der Stanzmaschine

In nur einem Arbeitsgang und ganz ohne lästige Späne entstehen Gewinde im Blech auf unseren Trumpf Stanz- und Stanz-Laser-Maschinen.

Mit dem ein oder anderen Kniff gelingt das übrigens auch bei superdünnen Blechen. Wie das genau funktioniert, erzählt Ihnen Christian in einem kurzen Video.

Nochmal ganz langsam: Gewinde entstehen auf der Stanzmaschine indem zuerst ein Loch vorgestanzt und dann je nach Blechstärke ein Gewindedurchzug eingebracht wird. So entstehen auch in dünnen Blechen längere und damit ganz schön tragfähige Normgewinde.

Der Kniff ist, dass wir auf unseren Stanzmaschinen gleich noch eine Senkung mit einbringen können. So lässt sich die Schraube sauber vollständig hereindrehen und steht nicht über!

Schutzblech mit Lüftungslöchern montiert vor einem Lüfter

Rangezoomt: Bei dünnen Blechen sorgt ein Durchzug für genug Raum für das Gewinde

Ein Durchzug ist bei stärkeren Blechen nicht notwendig und der Gewindeformer kann dann direkt in das vorgestanzte Loch gedreht werden. Bei diesem Vorgang wird das Material durch die rotierende Bewegung des Werkzeugkopfes in die Lücken der Werkzeugform gedrängt. Diese geben exakt die Gewindekontur vor. Das Gewinde wird also nicht in das Blech geschnitten, sondern per Umformung eingebracht. Das ist übrigens auch der Grund, warum bei diesem Verfahren keine Späne entstehen!

Das passiert, wenn Gewinde ins Blech geformt werden:

Schutzblech mit Lüftungslöchern montiert vor einem Lüfter

Das Werkstück (rot) wird in die Werkzeugform (grau) gedrückt. So entsteht im Werkstück-Material ein Gewinde.

Genau diese Umformung und Verdrängung des Werkstück-Materials führt dazu, dass sich die Oberfläche des Materials verfestigt (Kaltverfestigung). Das Gewinde erhält so seine besonders hohe Belastbarkeit.

Die kleine Schließfalte an der Gewindespitze ist übrigens ein Zeichen dafür, dass ein Gewinde perfekt in das Blech geformt wurde. Der Funktion schadet diese Gewindelücke nicht.

Werfen wir doch mal einen Blick durchs Mikroskop. So wird deutlich, was ins Blech geformte Gewinde von geschnittenen Gewinden unterscheidet:

Schutzblech mit Lüftungslöchern montiert vor einem Lüfter

Faserverlauf beim Gewindeschneiden (links), Faserverlauf beim Gewindeformen (rechts)

Im Gegensatz zum Gewindeschneiden werden die einzelnen Materialfasern beim Gewindeformen nicht durchschnitten. Dadurch hat das geformte Gewinde vor allem an den Flanken nachweislich eine höhere statische und dynamische Festigkeit.

Welche Bearbeitungsschritte sind vor dem Formen des Gewindes in das Blech notwendig?

Für unsere Trumpf-Stanzmaschinen gibt es eine kleine Entscheidungshilfe, aus der wir in Abhängigkeit von der Blechstärke und dem Anspruch an die Festigkeitsklasse ablesen, ob Durchbrüche oder Vorstanzen notwendig sind.

Da dafür auch entscheidend ist, welcher Festigkeitsklasse das Gewinde entsprechen soll, gibt es vorab einen kleinen Exkurs in die Schrauben- und Muttern-Kunde.

Icon einer Schraube und einer Mutter

Exkurs: Verbindungstechnik Grundlagen – das passt wie die Schraube zur Mutter

Sowohl auf Schrauben als auch Muttern finden sich Angaben zur Festigkeitsklasse. Bei Schrauben wird die Zugfestigkeit (Zahl vor dem Punkt) und die Streckengrenze (Zahl nach dem Punkt) ausgewiesen.

Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit gibt an, welche Spannung vom Material maximal aufgenommen werden kann. Wird die Schraube einer größeren Belastung ausgesetzt, kann es zu Materialverformungen oder dem Abreisen des Schraubenkopfes kommen.

Die Berechnung der Zugfestigkeit ist super simpel: Zugfestigkeit (N/mm²) = Erste Zahl der Festigkeitsklasse x 100

Streckengrenze

Die Streckengrenze gibt an, wie weit sich eine Schraube dehnen lässt. Das funktioniert bei Metallschrauben ähnlich wie bei einem Gummiband, auch wenn sie zweifelsohne nicht dieselbe Dehnfähigkeit aufweisen 😉. Wird ein Gummiband nur ein wenig gedehnt, wird es nicht nur länger, ohne den Zug bzw. die Krafteinwirkung schrumpft das Band wieder zu seiner Ursprungslänge. Erreicht das Gummiband allerdings seine maximale Streckengrenze, ist das Material soweit gedehnt, dass es auch ohne Zug nicht mehr in seine Ursprungsform zurückgeht.

Die Berechnung der maximalen Streckengrenze ist nur unwesentlich komplizierter als die der Zugfestigkeit: Streckengrenze (N/mm²) = Erste Zahl der Festigkeitsklasse x Zweite Zahl der Festigkeitsklasse x 10

Beispiel: Schraube mit Festigkeitsklasse 8.8 Zugfestigkeit: 800 N/mm², Streckengrenze: 640 N/mm²

Und wie sieht es bei den Muttern aus?

Bei Muttern wird nur die Zugfestigkeit ausgewiesen und die Berechnung erfolgt wie oben beschrieben. Bei Muttern wir der Festigkeitsklasse manchmal eine “0” vorangestellt, also zum Beispiel 04. Das ist ein Indikator für eine Mutter mit eingeschränkter Belastbarkeit. Die vorangestellte 0 haben beispielsweise Muttern mit einer flachen Bauform. Sie haben ein kürzeres Innengewinde und sind deswegen nicht ganz so belastbar wie eine höhere Mutter.

Damit die Verbindung von Bauteilen mit Muttern und Schrauben auch hohen Beanspruchungen standhält sollte auf gleiche Festigkeitsklassen geachtet werden.

So, nun wissen Sie, was sich hinter der Spalte „Festigkeitsklasse“ verbirgt und sind bestens vorbereitet, um sich in den Entscheidungshilfen zurechtzufinden. Je nach Gewindedurchmesser, Mutternhöhe, Festigkeitsklasse und Materialdicke wird das Gewinde entweder mit Durchzug, direkt in das Blech oder mit Vorstanzen eingebracht. Die Praktische Tabelle liefert auf einen Blick das richtige Vorgehen für verschiedene Konstellationen.

Elektronikkühlung im Gehäuse über 3 parallel Lüfter

Entscheidungshilfen für geformte Gewinde
(in Anlehnung an: Trumpf (2013): Technische Information Gewindeformen)

Gewinde ins Blech zu formen bringt einige Vorzüge mit sich, die sich der folgenden Liste entnehmen lassen:

Vorteile Gewinde ins Blech formen

  • Geringere Durchlaufzeiten, da eine Komplettbearbeitung auf der Stanzmaschine möglich ist

  • Hohe Oberflächenqualität, da durch Vorgang des Verformens presspoliert

  • Kostengünstig aufgrund der Reduzierung der Durchlaufzeiten und des geringeren Bedarfs an Lagerflächen für Zwischenprodukte

  • Keine lästigen Späne, die vor der Weiterverarbeitung entfernt werden müssen

  • Hohe Passgenauigkeit des Gewindes

  • Hervorragende statische und dynamische Gewindefestigkeit

Ein paar Nachteile gibt es natürlich dennoch. Einer resultiert gerade aus der hervorragenden Festigkeit der Gewinde. Im Vergleich zu den geschnittenen Gewinden erweist sich das Nacharbeiten als deutlich problematischer.

Nachteile Gewinde ins Blech formen

  • Nachschneiden der Gewinde nicht möglich

  • Umformen auf der Stanzmaschine ist nicht für alle Werkstoffe anwendbar

  • Mindestabstand von 22 mm zwischen zwei Gewindedüsen notwendig, damit beim Prägen der zweiten Gewindedüse die erste nicht wieder platt gedrückt wird

Fazit zum Gewinde formen auf der Stanzmaschine

Bereits in unserem Beitrag zu Kostenoptimierung haben wir erklärt, wie clever das Formen von Gewinden ins Blech auf der Stanzmaschine ist. Nichtsdestotrotz gibt es Anwendungsfälle, bei denen andere Verfahren zum Schraubverbinden von Blechteilen überzeugen. Auf ein paar davon werfen wir nun mal einen genaueren Blick.

2. Gewinde einpressen

Das Einbringen von Gewinden mit Einpressbefestigern macht sich ebenfalls das Prinzip der Kaltverformung zunutze. Im Gegensatz zum Gewindeformen auf der Stanzmaschine wird hier allerdings ein vorgefertigtes Einpressgewinde in ein Aufnahmeloch eingesetzt.

Für einen sicheren Sitz des Gewindes sorgen Verzahnungen am Einpressbefestiger, die auch nach dem Prinzip der Kaltverformung durch Druck beim Einpressen mit dem Blech „verschmelzen“. Das Blech wird dabei in die Aussparungen gedrückt und reduziert so die Gefahr des Verdrehens und Ausreißens des Gewindes.

Was beim Einpressen von Einpressbefestigern ins Blech genau passiert und wie das Ganze im Fall von Einpressmuttern aussieht, lässt sich auf unserer Seite zur Fertigungstechnologie Einpressen im Video anschauen und genau nachlesen.

Elektronikkühlung im Gehäuse über 3 parallel Lüfter

So sehen eingepresste Gewinde nach einer anschließenden Pulverbeschichtung aus

Auch das Einbringen von Gewinde mit Einpressbefestigern ins Blech hat einige Vorzüge, die wir Ihnen nicht vorenthalten möchten:

Vorteile Gewinde einpressen

  • Präzise Positionierung und perfekte Rechtwinkligkeit der Gewinde

  • Hohe Gewindefestigkeit durch Kaltverfestigung

  • Keine lästigen Späne

  • Große Auswahl an unterschiedlichen Einpressbefestigern

  • Einpressen geht bei allen Oberflächenbeschichtungen

  • Einpressen ist auch in Edelstahl möglich

Gerade bei geringen Stückzahlen lohnt es sich nicht, das passende Gewindewerkzeug anzuschaffen, sofern es nicht schon im Werkzeugpool vorhanden ist. Einpressbefestiger sind dann eine echte Alternative. Welche Gewindewerkzeuge wir bereits in unserer Fertigung nutzen, erfahren Sie übrigens in unserem Infoportal.

Nachteile Gewinde einpressen

  • Vergleichsweise teuer

  • Zum Einpressen ist ein Zugang von beiden Seiten notwendig (Ober- und Unterwerkzeug)

  • Mindestabstand zur Außenkante muss eingehalten werden

  • Nicht alle möglichen Einpresselemente können in Edelstahl eingesetzt werden

  • Materialverdrängung durch Einpressteile kann Loch in unmittelbarer Nähe verformen

Fazit zum Einpressen von Gewinden

In den meisten Fällen ist das Einpressen etwas teurer als das Umformen auf der Stanzmaschine, bietet jedoch den großen Vorteil, dass es sich bei vielen Materialien und Oberflächenbeschichtungen einsetzen lässt.

3. Gewinde nieten

Gewinde lassen sich nicht nur einpressen. In Bauteile, bei denen Abkantungen oder Hohlkörper nur einen einseitigen Zugang ermöglichen, lassen sich Gewinde auch in das Blech nieten.

Dazu wird eine Nietmutter auf den Gewindedorn einer Handzange oder einer Nietpistole gesetzt und in ein um 0,1 mm größeres Loch eingebracht. Beim Setzen der Nietmutter verformt sich durch den Zug des Gewindeaufsatzes der Schaft der Nietmutter, so dass sie im Bauteil fixiert wird. Es entsteht der sogenannte Schließkopf.

Damit die Nietmutter auch wirklich fest im Blech sitzt, ist es wichtig, diese nicht mit zu geringem oder zu großem Hub zu setzen, um das richtige Verklemmen zu gewährleisten bzw. zu verhindern, dass die Nietmutter im Blech ausreißt.

Elektronikkühlung im Gehäuse über 3 parallel Lüfter

Blindnietmuttern gibt es in verschiedenen Größen und Formen. Die Variante links hat einen Hexagonschaft, die anderen beiden einen Rändelschaft. Beides sorgt für Sicherheit gegen Verdrehen.

Vorteile Gewinde nieten

  • Einseitiges Einbringen möglich, daher für schwer zugängliches System einsetzbar

  • Belastbare Gewinde auch in dünnwandigen Blechen

  • In Hohlprofilen (bspw. runden Rohren) einbringbar

  • Für Verdrehsichheit sorgen Nietmuttern mit Rändel- oder Sechskantschaft

  • Verschiedene Werkstoffe können verbunden werden

  • Geschlossener Schaft bei Blindnietmuttern sorgt für hohen IP-Schutz

Nachteile Gewinde nieten

  • Falsche Hubeinstellung führt zum Abreißen oder verhindert sichere Verklemmung

  • Geringeres Portfolio an Niet-Elementen im Vergleich zur Einpresstechnik

  • Kein automatisiertes Verfahren

  • Genietete Gewinde weisen größere Dimensionen auf als vergleichbare Einpressbefestiger

Fazit zum Gewinde nieten

Gerade bei nur schwer zugänglichen Stellen oder Hohlkörpern lassen sich mit Nietmuttern feste Verbindungen schaffen. Das Verfahren ist allerdings wenig automatisiert und damit auch weniger prozesssicher.

4. Gewinde schweißen

Einpressen und Nieten sind zwei Möglichkeiten, um Gewinde im Blech zu befestigen. Eine weitere Option ist es, die Mutter mit dem Gewinde einfach über einem Bohrloch festzuschweißen.

Mit ein paar Schweißpunkten lassen sich gängige Sechskantmuttern mit einem Bauteil verbinden. Daneben gibt es auch spezielle Anschweißmuttern. Diese haben mehrere spitze Schweißpunkte – sogenannte Schweißwarzen – sowie einen Zentrieransatz auf der Kontaktseite zum Bauteil und machen es dem Schweißer oder der Schweißerin besonders einfach.

Wird Strom durch das Bauteil und die Mutter geleitet, schmelzen diese Erhöhungen (siehe Widerstandsschweißen/Buckelschweißen) und erzeugen so die Verbindung zwischen Mutter und Blechteil.

Gestanzte Luftkiemen in Blechteil

Angeschweißte Gewinde

Vorteile Gewinde schweißen

  • Unlösbare Verbindung

  • Stabile Gewinde in dünnen Blechen

  • Besonders geeignet für schwer zugängliche Stellen

Nachteile Gewinde schweißen

  • Teurer im Vergleich zum automatisierten Einbringen von Gewinden auf der Stanzmaschine

  • Schweißgewinde können nicht bei allen Oberflächenveredelungen verwendet werden

  • Weniger geeignet für große Serien aufgrund der höheren Kosten und geringeren Prozesssicherheit

  • Wärmebedingter Verzug des Blechs bei dichter Bestückung einer Blechtafel mit Schweißmuttern

  • Korrosionsbehandlung nach Aufschweißen meist notwendig

Fazit zum Gewinde schweißen

Besonders die höheren Kosten im Vergleich zum Einbringen von Gewinden auf der Stanzmaschine oder per Einpressverfahren lassen das Anbringen von Schweißmuttern zunächst wenig attraktiv erscheinen. Allerdings eignet sich das Anbringen der Muttern mittels Schweißverfahren gerade für Stellen, die nur schwer erreichbar sind. So ist nicht nur das Anbringen der Mutter im Vergleich zu anderen Verfahren an unzugänglichen Stellen leichter, auch beim Anziehen der Schrauben entfällt durch die feste Verbindung das Gegenhalten der Mutter.

5. Gewinde (manuell) schneiden

Eine weitere Möglichkeit, Gewinde in das Blech einzubringen, ist es, sie mit einem Gewindebohrer direkt in eine vorhandene Bohrung im Bauteil zu schneiden. So hat vielleicht auch schon so mancher Hobbyhandwerker zu Hause bereits selbst für ein benötigtes Gewinde gesorgt.

Mit einem Schneidewerkzeug, dem Gewindebohrer, werden dabei mit kreisförmigen Bewegungen und dank Vorschubkraft die einzelnen Gewindegänge ins Material geschnitten.

Hierbei entstehen allerdings die lästigen Späne, die wir ja schon bei den spanlosen Verfahren erwähnt haben. Doch was ist eigentlich genau das Problem mit den Spänen?

Beim Gewindeschneiden können sogenannte Wickelspäne entstehen, die den Schneidkopf blockieren oder für einen Spänestau sorgen. In beiden Fällen steht die Fertigung still, bis die lästigen Späne entfernt werden. Doch das ist nicht alles: Späne sind besonders in Gehäusen für Elektronik lästig. An der falschen Stelle sorgen Sie im schlimmsten Fall für einen Kurzschluss und den Ausfall des Gerätes.

Vorteile Gewinde schneiden

  • Gewinde können sehr flexibel geschnitten werden

  • Geeignet für kleine Serien, wenn sich die Anschaffung von Serienwerkzeugen nicht lohnt

  • Möglich bei vielen Werkstoffen (bspw. Nichtblechteile)

  • Ein geschnittenes Gewinde kann jederzeit nachgeschnitten werden

Nachteile Gewinde schneiden

  • Teurer im Vergleich zum automatisierten Einbringen von Gewinden auf der Stanzmaschine

  • Prozesssicherheit ist geringer, unter anderem aufgrund der Gefahr von Spänen

  • Gerade bei tieferen Gewinden Probleme mit der Spanabfuhr möglich

Fazit zum Gewinde schneiden

Das Schneiden von Gewinden ist bei kleineren Serien und weniger tiefen Gehäusen effizient. Der große Vorteil ist die Flexibilität, sowohl beim Ort der Gewinde als auch beim Material.

6. Gewinde fräsen

Gewinde lassen sich auch mit Fräsen ins Gewinde einbringen. Allerdings werden dafür Werkzeugmaschinen benötigt, die gleichzeitig X-, Y- und Z-Achse steuern können. X- und Y-Achse bestimmen beim Fräsen den Gewindedurchmesser, während die Z-Achse die Steigung des Gewindes steuert.

Gestanzte Luftkiemen in Blechteil

Ein knapp 2 cm tiefes, gefrästes Gewinde

Vorteile Gewinde fräsen

  • Hohe Schnittgeschwindigkeit und Vorschub

  • Beinahe in allen Werkstoffen möglich

  • Unterbrochener Schnitt, sodass kleinere Späne anfallen

  • Ein geschnittenes Gewinde kann jederzeit nachgeschnitten werden

Nachteile Gewinde fräsen

  • Gewinde lassen sich nur an Stellen einbringen, die für den Fräskopf zugänglich sind

  • Geringere Tragkraft (fehlende Kaltverfestigung), daher Normtiefen der Gewinde beachten; längeres Gewinde notwendig

Fazit zum Gewinde fräsen

Das Gewindefräsen setzt CNC-Fräsen voraus, die mindestens eine 3-Achsbearbeitung ermöglichen. Der hohen Schnittgeschwindigkeit und breiten Möglichkeiten bei den Werkstoffen steht eine geringe Flexibilität beim Ort des zu schneidenden Gehäuses entgegen.

Gewinde formen leicht gemacht

Nach diesem kleinen Ausflug in die Gehäusekonstruktion stehen zwei Dinge fest:
1. Viele Wege führen zur Schraubverbindung zwischen zwei Teilen und

2. Keines der Verfahren ist eine perfekte Universallösung. Alle Möglichkeiten zum Einbringen von Gewinden haben ihre eigenen Vor- und Nachteile und ihren spezifischen Anwendungsbereich.

Wir prüfen daher für jedes Kundenprojekt genau, wie wir vorgehen, um stabile Verbindungen besonders kostengünstig umzusetzen. Melden Sie sich doch mal bei uns, wir besprechen die Möglichkeiten für Ihr Projekt gerne mit Ihnen. Rufen Sie uns einfach an (07151 959 30 0) an oder schreiben Sie uns eine Mail (konstruktion@merath.com).