Kunststoff statt Metall: Wann Kunststoffschrauben, Muttern und Unterlegscheiben die bessere Wahl sind

Metallische Verbindungselemente gehören im Maschinenbau, in der Elektrotechnik und in vielen industriellen Anwendungen seit Jahrzehnten zum Standard. Doch nicht jede Verbindung benötigt die hohe Festigkeit von Stahl oder Edelstahl.

In zahlreichen Anwendungen können Kunststoffschrauben, Kunststoffmuttern und Kunststoff-Unterlegscheiben technische Vorteile bieten und eine interessante Alternative zu metallischen Verbindungselementen darstellen.

Insbesondere Eigenschaften wie geringes Gewicht, elektrische Isolation, Korrosionsbeständigkeit und die große Auswahl technischer Kunststoffe machen Verbindungselemente aus Kunststoff für Konstrukteure und Einkäufer interessant.

Entscheidend ist jedoch die richtige Auswahl. Denn Kunststoff ist nicht grundsätzlich besser als Metall – und Metall nicht automatisch die technisch bessere Lösung.

In diesem Beitrag zeigen wir, wann Verbindungselemente aus Kunststoff sinnvoll eingesetzt werden können, welche Vorteile unterschiedliche Kunststoffe bieten und welche Faktoren bei der Auswahl berücksichtigt werden sollten.

Warum Verbindungselemente aus Kunststoff?

Bei der Auswahl eines Verbindungselements stehen zunächst häufig Abmessung, Gewinde und mechanische Belastbarkeit im Vordergrund. Mindestens ebenso wichtig sind jedoch die Bedingungen, denen das Bauteil während seiner späteren Verwendung ausgesetzt ist.

Dazu zählen beispielsweise:

• Feuchtigkeit und Korrosion

• elektrische Anforderungen

• Temperatur

• chemische Medien

• Gewicht

• Reibung und Verschleiß

• Empfindlichkeit angrenzender Oberflächen

• mechanische Belastungen

Genau hier können Verbindungselemente aus Kunststoff interessante Eigenschaften bieten.

Eine Schraube aus Polyamid lässt sich beispielsweise nicht allein anhand ihrer Geometrie mit einer Stahlschraube vergleichen. Der verwendete Werkstoff verändert das gesamte Eigenschaftsprofil des Bauteils.

Die eigentliche Frage lautet deshalb nicht:

„Ist Kunststoff besser als Metall?“

Sondern:

„Welcher Werkstoff bietet für die konkrete Anwendung die sinnvollsten Eigenschaften?“

1. Geringes Gewicht als konstruktiver Vorteil

Kunststoffe besitzen im Vergleich zu vielen Metallen eine deutlich geringere Dichte. Bei einem einzelnen Verbindungselement erscheint dieser Unterschied zunächst gering.

Werden jedoch hunderte oder tausende Schrauben, Muttern, Scheiben oder Abstandshalter innerhalb einer Baugruppe eingesetzt, kann sich daraus eine relevante Gewichtseinsparung ergeben.

Das kann beispielsweise interessant sein für:

• Fahrzeugtechnik

• Gerätebau

• Elektro- und Elektronikindustrie

• Leichtbaukonstruktionen 

• mobile Geräte 

• Maschinen- und Anlagenbau

Gewichtsreduzierung ist damit nicht ausschließlich eine Frage großer Strukturbauteile. Auch zahlreiche kleine Komponenten können in Summe einen Beitrag leisten. 

2. Elektrisch isolierende Eigenschaften

Einer der wichtigsten Gründe für den Einsatz von Kunststoffschrauben und Kunststoffmuttern ist die elektrische Isolation vieler Kunststoffe.

Während metallische Verbindungselemente elektrisch leitfähig sind, können geeignete Kunststoffbauteile eingesetzt werden, wenn eine elektrische Trennung verschiedener Komponenten gewünscht ist.

Typische Einsatzbereiche finden sich beispielsweise in: 

• elektrischen Geräten 

• Schaltschränken 

• Sensorik 

• Mess- und Regeltechnik 

• Elektronikbaugruppen 

• Anlagen mit elektrisch zu trennenden Komponenten 

Auch Kunststoff-Unterlegscheiben und Abstandshalter können hierbei eine wichtige Funktion übernehmen. Sie ermöglichen eine räumliche beziehungsweise elektrische Trennung zwischen einzelnen Komponenten.

Die konkrete Eignung muss dabei immer anhand des eingesetzten Kunststoffs und der jeweiligen elektrischen Anforderungen beurteilt werden.

3. Korrosion vermeiden

Stahlbauteile können unter ungünstigen Umgebungsbedingungen korrodieren. Zwar stehen mit Edelstahl oder verschiedenen Beschichtungen Lösungen zur Verfügung, dennoch können Kunststoffe bei geeigneten Anwendungen eine interessante Alternative darstellen. 

Viele Kunststoffe korrodieren nicht im klassischen Sinne wie metallische Werkstoffe.

Das kann insbesondere bei Anwendungen interessant sein, bei denen Verbindungselemente regelmäßig Feuchtigkeit oder bestimmten Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.

Ein weiterer Vorteil: Es wird gegebenenfalls keine zusätzliche metallische Oberflächenbeschichtung benötigt.

Die Korrosionsbeständigkeit sollte jedoch nicht mit einer universellen Beständigkeit gegenüber sämtlichen Medien gleichgesetzt werden. Die chemische Belastung und der verwendete Kunststoff müssen immer gemeinsam betrachtet werden. 

4. Chemische Beständigkeit gezielt nutzen 

Nicht jeder Kunststoff reagiert gleich auf Säuren, Laugen, Öle, Kraftstoffe, Lösungsmittel oder andere chemische Medien.

Genau darin liegt aber eine große Stärke technischer Kunststoffe: Für unterschiedliche Anforderungen können gezielt verschiedene Werkstoffe ausgewählt werden.

Je nach Bauteil und Verfügbarkeit kommen beispielsweise folgende Kunststoffe infrage:

Polyamid (PA) 

Ein weit verbreiteter technischer Kunststoff für Verbindungselemente. Polyamid bietet eine interessante Kombination aus mechanischen Eigenschaften, geringem Gewicht und wirtschaftlicher Verarbeitung.

Polyoxymethylen (POM) 

POM zeichnet sich unter anderem durch gute Maßhaltigkeit, geringe Reibung und gute mechanische Eigenschaften aus. 

Polypropylen (PP) 

PP besitzt eine geringe Dichte und bietet bei verschiedenen Medien eine gute chemische Beständigkeit.

PTFE 

PTFE wird insbesondere dort interessant, wo eine sehr hohe chemische Beständigkeit und besondere Gleiteigenschaften benötigt werden.

PVDF 

PVDF kann für anspruchsvolle chemische und technische Anwendungen interessant sein. 

PEEK 

PEEK gehört zu den Hochleistungskunststoffen und wird unter anderem eingesetzt, wenn höhere Temperaturen und anspruchsvolle technische Bedingungen eine Rolle spielen.

Die Auswahl sollte deshalb nie ausschließlich anhand des Begriffs „Kunststoff“ erfolgen. Der konkrete Werkstoff entscheidet maßgeblich über die späteren Eigenschaften des Verbindungselements. 

5. Empfindliche Oberflächen schützen

Metallische Schrauben, Muttern und Scheiben können empfindliche Oberflächen beschädigen oder sichtbare Spuren hinterlassen.

Hier können Verbindungselemente beziehungsweise Zwischenelemente aus Kunststoff Vorteile bieten.

Ein klassisches Beispiel sind Kunststoff-Unterlegscheiben. 

Sie können unter anderem eingesetzt werden, um: 

• Kontaktflächen voneinander zu trennen 

• empfindliche Oberflächen zu schützen 

• direkte Metall-auf-Metall-Kontakte zu vermeiden 

• Kräfte über eine größere Fläche zu verteilen 

• konstruktive Abstände zu realisieren 

Je nach Anwendung stehen hierfür unterschiedliche Geometrien und Werkstoffe zur Verfügung.

Kunststoffschrauben: Wo liegen ihre Stärken?

Kunststoffschrauben können überall dort interessant sein, wo die mechanische Belastung innerhalb des zulässigen Bereichs liegt und gleichzeitig spezifische Materialeigenschaften benötigt werden.

Neben individuellen Ausführungen stehen zahlreiche Kunststoffschrauben in bekannten DIN-Geometrien zur Verfügung. 

Dazu zählen beispielsweise: 

• Sechskantschrauben 

• Zylinderschrauben 

• Senkschrauben 

• Flachkopfschrauben 

• Gewindestifte 

• Gewindestangen 

Damit lassen sich viele bekannte Verbindungskonzepte grundsätzlich auch mit Kunststoffkomponenten umsetzen. 

Allerdings ist eine Kunststoffschraube kein direkter 1:1-Ersatz für eine Stahlschraube. 

Festigkeit, Steifigkeit, Temperaturverhalten, Kriechverhalten und zulässige Anzugsmomente unterscheiden sich teilweise erheblich. 

Genau deshalb sollte der Werkstoff bereits während der Konstruktion berücksichtigt werden. 

Kunststoffmuttern als Ergänzung der Verbindung

Passend zu Kunststoffschrauben stehen auch Kunststoffmuttern in verschiedenen Geometrien zur Verfügung.

Typische Ausführungen sind beispielsweise: 

• Sechskantmuttern 

• Hutmuttern 

• Flügelmuttern 

• Flanschmuttern 

• Rändelmuttern 

Sie können gemeinsam mit Kunststoffschrauben eingesetzt werden oder – abhängig von der Konstruktion – mit anderen Werkstoffen kombiniert werden.

Besonders interessant sind Kunststoffmuttern dort, wo geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Isolation oder eine materialgerechte Verbindung im Vordergrund stehen.

Kunststoff-Unterlegscheiben: kleines Bauteil mit großer Wirkung

Unterlegscheiben werden häufig als einfache Normteile betrachtet. Tatsächlich können sie jedoch zahlreiche technische Aufgaben übernehmen. 

Kunststoff-Unterlegscheiben können beispielsweise zur: 

• Lastverteilung 

• elektrischen Isolation 

• Oberflächenschonung 

• Abstandserzeugung 

• Trennung unterschiedlicher Materialien

eingesetzt werden. 

Neben klassischen Abmessungen entsprechend bekannter DIN-Geometrien können Unterlegscheiben aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. 

Hierzu gehören beispielsweise Polyamid, PTFE, PEEK, Hart-PVC, Weich-PVC, Hartpapier, Vulkanfiber oder Neopren. 

Dadurch lässt sich die Scheibe deutlich genauer an ihre jeweilige Aufgabe anpassen, als es die reine Geometrie zunächst vermuten lässt. 

PA, POM, PP, PTFE oder PEEK – welches Material ist das richtige? 

Die Wahl des Kunststoffs sollte immer anhand der konkreten Einsatzbedingungen erfolgen.

Ein Konstrukteur sollte unter anderem folgende Fragen beantworten:

Welche mechanischen Kräfte treten auf?

Zug-, Druck- und Scherkräfte beeinflussen die Werkstoffauswahl. 

Welche Temperaturen sind zu erwarten? 

Nicht jeder Kunststoff eignet sich für dauerhaft erhöhte Temperaturen. 

Kommt das Bauteil mit Chemikalien in Kontakt?

Die Beständigkeit gegenüber dem konkreten Medium muss geprüft werden. 

Ist elektrische Isolation erforderlich? 

Dann können bestimmte Kunststoffe gegenüber metallischen Lösungen Vorteile bieten.

Welche Maßhaltigkeit wird benötigt? 

Feuchtigkeitsaufnahme und thermische Ausdehnung können die Abmessungen eines Kunststoffbauteils beeinflussen. 

Welche Stückzahl wird benötigt? 

Auch die wirtschaftlich sinnvollste Fertigungstechnologie hängt von der benötigten Menge ab. 

Gerade der letzte Punkt wird häufig unterschätzt. 

Nicht jedes Kunststoffteil muss im Spritzguss hergestellt werden 

Bei großen Stückzahlen ist der Kunststoffspritzguss häufig ein wirtschaftlich interessantes Herstellungsverfahren. Die erforderlichen Werkzeugkosten müssen sich jedoch über die entsprechende Stückzahl amortisieren.

Für kleinere Mengen oder besondere Geometrien können andere Verfahren sinnvoller sein.

Je nach Bauteil kommen beispielsweise infrage: 

• Stanzen 

• CNC-Drehen 

• CNC-Fräsen 

• Wasserstrahlschneiden 

• Laserschneiden 

• 3D-Druck 

• Spritzguss 

Eine Unterlegscheibe, ein Abstandshalter oder ein kundenspezifisches Verbindungselement sollte deshalb nicht automatisch einem bestimmten Fertigungsverfahren zugeordnet werden. 

Geometrie, Material, Toleranzen und Stückzahl entscheiden gemeinsam darüber, welcher Fertigungsweg wirtschaftlich sinnvoll ist. 

Wo Kunststoff Metall nicht ersetzen sollte 

So vielfältig die Vorteile von Kunststoff sind: Es gibt Anwendungen, in denen metallische Verbindungselemente eindeutig die bessere Wahl darstellen.

Das betrifft insbesondere Konstruktionen mit sehr hohen mechanischen Belastungen oder Anforderungen, die vom gewählten Kunststoff nicht zuverlässig erfüllt werden können.

Kritisch betrachtet werden sollten unter anderem: 

• sehr hohe Vorspannkräfte 

• hohe dauerhafte Zugbelastungen 

• extreme Temperaturen 

• sicherheitskritische Schraubverbindungen 

• hohe Anforderungen an Steifigkeit 

• ausgeprägte Dauerbelastungen 

Hinzu kommt das Kriechverhalten von Kunststoffen. 

Unter einer dauerhaft anliegenden Belastung können sich Kunststoffe über längere Zeiträume verformen. Dieser Effekt muss insbesondere bei dauerhaft vorgespannten Schraubverbindungen berücksichtigt werden.

Die richtige Entscheidung kann deshalb durchaus lauten:

Metall verwenden. 

Technisch sinnvoll ist nicht der maximale Einsatz von Kunststoff, sondern der Einsatz des richtigen Werkstoffs an der richtigen Stelle. 

Typische Einsatzbereiche von Kunststoff-Verbindungselementen

Kunststoffschrauben, Kunststoffmuttern, Unterlegscheiben, Abstandshalter und weitere Verbindungselemente kommen in zahlreichen Branchen zum Einsatz. 

Maschinen- und Anlagenbau 

Hier können Kunststoffelemente beispielsweise zur Isolation, Abstandserzeugung, Befestigung von Abdeckungen oder zum Schutz empfindlicher Komponenten verwendet werden.

Elektro- und Elektronikindustrie

Elektrisch isolierende Eigenschaften machen Kunststoff-Verbindungselemente für zahlreiche Anwendungen in elektrischen und elektronischen Baugruppen interessant. 

Fahrzeugtechnik 

Geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und unterschiedliche Materialeigenschaften können Kunststoffkomponenten auch für Fahrzeuganwendungen interessant machen.

Gerätebau 

Kunststoffschrauben, Muttern, Scheiben und Abstandshalter ermöglichen kompakte und materialgerechte Befestigungslösungen. 

Chemisch belastete Anwendungen 

Mit entsprechend ausgewählten Werkstoffen können Verbindungselemente auch dort eingesetzt werden, wo chemische Beständigkeit eine wesentliche Rolle spielt.

Standardteil oder kundenspezifisches Kunststoffteil?

Viele Anforderungen lassen sich mit bestehenden Norm- und Standardteilen lösen.

Das ist häufig die wirtschaftlichste Variante.

Wenn Abmessungen, Geometrie, Material oder Funktion von den verfügbaren Standardteilen abweichen, kann jedoch ein kundenspezifisches Kunststoffteil nach Zeichnung sinnvoll sein. 

Dabei muss nicht zwangsläufig ein neues Spritzgusswerkzeug entstehen. 

Abhängig von Stückzahl, Geometrie und Werkstoff können auch spanende oder andere Fertigungsverfahren wirtschaftlich interessant sein. 

Eine sinnvolle Vorgehensweise lautet daher: 

Zuerst prüfen, ob ein Standardteil die Anforderungen erfüllt. Anschließend untersuchen, welcher Fertigungsweg für eine individuelle Lösung technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist. 

Häufige Fragen zu Verbindungselementen aus Kunststoff (FAQ)

Sind Kunststoffschrauben genauso belastbar wie Stahlschrauben? 

Nein. Die mechanischen Eigenschaften unterscheiden sich deutlich. Kunststoffschrauben sollten deshalb entsprechend der tatsächlichen Belastung und des verwendeten Materials dimensioniert werden.

Welche Vorteile haben Kunststoffschrauben gegenüber Metallschrauben?

Je nach Werkstoff können geringes Gewicht, elektrische Isolation, Korrosionsbeständigkeit, chemische Beständigkeit und die Schonung angrenzender Bauteile wichtige Vorteile darstellen.

Welcher Kunststoff eignet sich am besten für Schrauben? 

Das lässt sich nicht pauschal beantworten. Polyamid ist für viele Standardanwendungen interessant, während beispielsweise PEEK für deutlich anspruchsvollere Einsatzbedingungen infrage kommen kann. Entscheidend sind Temperatur, Belastung, Umgebung und weitere technische Anforderungen. 

Können Kunststoffschrauben mit Metallmuttern kombiniert werden? 

Grundsätzlich sind Materialkombinationen möglich. Dabei müssen jedoch unter anderem Gewindegeometrie, Belastung, Reibungsverhältnisse und zulässiges Anzugsmoment berücksichtigt werden. 

Wann sollte PEEK statt Polyamid verwendet werden? 

PEEK kann interessant werden, wenn höhere Temperaturbeständigkeit, anspruchsvolle chemische Bedingungen oder besondere technische Anforderungen bestehen. Aufgrund der deutlich höheren Materialkosten sollte der Einsatz jedoch gezielt geprüft werden. 

Können Kunststoff-Verbindungselemente nach Zeichnung gefertigt werden? 

Ja. Neben Standard- und Normteilen lassen sich zahlreiche Verbindungselemente und technische Kunststoffteile kundenspezifisch fertigen. Das geeignete Fertigungsverfahren hängt insbesondere von Geometrie, Werkstoff, Toleranzen und Stückzahl ab. 

Fazit: Kunststoff statt Metall ist keine Materialfrage, sondern eine Konstruktionsentscheidung

Kunststoffschrauben, Kunststoffmuttern und Kunststoff-Unterlegscheiben sind weit mehr als einfache Alternativen zu Metallteilen. 

Richtig eingesetzt können sie technische Funktionen übernehmen, die mit metallischen Verbindungselementen nur eingeschränkt oder mit zusätzlichem konstruktivem Aufwand realisierbar wären.

Elektrische Isolation, geringes Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, Oberflächenschonung und die vielfältigen Eigenschaften technischer Kunststoffe eröffnen zahlreiche Einsatzmöglichkeiten.

Gleichzeitig müssen Belastbarkeit, Temperatur, Kriechverhalten, chemische Umgebung und weitere Anforderungen sorgfältig berücksichtigt werden. 

Die entscheidende Frage lautet deshalb nicht: 

„Kunststoff oder Metall?“ 

Sondern: 

„Welche Kombination aus Geometrie, Werkstoff und Fertigungsverfahren bietet für die konkrete Anwendung die technisch und wirtschaftlich beste Lösung?“ 

Genau hier setzt Kufast an. 

Neben Kunststoffschrauben, Kunststoffmuttern, Kunststoff-Unterlegscheiben, Abstandshaltern sowie weiteren Norm- und Standardteilen aus Kunststoff unterstützt Kufast auch bei kundenspezifischen Kunststoffteilen nach Zeichnung. 

Dabei steht nicht ein bestimmtes Fertigungsverfahren im Vordergrund. Abhängig von Material, Geometrie und Stückzahl wird geprüft, welcher Fertigungsweg für die jeweilige Anwendung sinnvoll ist. 

Sie suchen ein Verbindungselement aus Kunststoff oder möchten prüfen, ob sich ein bisher metallisches Bauteil sinnvoll durch eine Kunststofflösung ersetzen lässt? Sprechen Sie uns gerne an – gemeinsam prüfen wir die passende technische und wirtschaftliche Lösung.

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