Selbstschneidende und Gewindeschrauben

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Überblick über selbstschneidende und Gewindeschrauben

Schrauben sind zylinderförmige Befestigungselemente, die in aller Regel aus Edelstahl gefertigt sind und über einen schneckenförmigen Grat verfügen, der sehr präzise in die zentral angebrachte Stahlsäule eingeschnitten ist. Dieser Grat wird auch „Außengewinde“ genannt. Dabei sind sogenannte Gewindeschrauben so konstruiert, dass sie mit Hilfe einer separaten Mutter befestigt werden können, deren Innengewinde präzise auf die Konturen des Gewindes der jeweiligen Schraube abgestimmt ist, und die mühelos mit einem Gabel-, Band- oder Inbusschlüssel in Position gebracht werden kann.

Selbstschneidende Schrauben sind in aller Regel keilförmig realisiert und können mit ihrem Außengewinde beim Einführen in ein weicheres Material durch einen Schraubenzieher selbst ein Gewinde schneiden (der Abstand zwischen den Rillen des schneckenförmigen Gewinde ist konstant und wird auch als „Steigung“ bezeichnet). Selbstschneidende Schrauben dienen meist dazu, Objekte an Ort und Stelle zu halten (z. B. ein Regal an einer Wand), während Gewindeschrauben vielmehr eingesetzt werden, um andernfalls separate Gegenstände miteinander zu verbinden (z. B. Teile von Möbelstücken, die selbst zusammengebaut werden müssen).

Beide Schraubenarten verfügen über einen Kopf mit einem etwas größeren Durchmesser; bei Schrauben befindet sich eine Vertiefung in dem Kopf, mit deren Hilfe eine feste Verbindung mit einem Schraubendreher hergestellt werden kann. Zu den am weitesten verbreiteten Schraubenköpfen zählen die Varianten „Schlitz“ (eine einzelne, gerade Vertiefung über die gesamte Länge des Kopfes), „Phillips“ und „Pozidriv“ (bzw. „Supadriv“), doch es gibt auch viele weitere Optionen.

Gewindeschrauben können überraschenderweise ähnliche Vertiefungen aufweisen, sodass auch sie mit Hilfe von Schraubendrehern befestigt werden. Ein besonders weit verbreitetes Design für Gewindeschrauben ist die sogenannte Sechskantkappe - ein sechseckiger Stahlkopf, der mit Hilfe eines Bandschlüssels festgezogen werden kann. Eine Alternative stellt der „Innensechskant“ dar: Dabei weist die Vertiefung des Kopfes die Form eines Sechsecks auf, sodass die Schraube mit Hilfe eines sogenannten Inbus-Schlüssels festgezogen werden kann. Letztlich besteht die praktische Funktion des etwas größer dimensionierten Kopfes hauptsächlich darin, zu verhindern, dass die Schraube zu tief in das Material eingeführt wird.

Doch obwohl der Kopf von Edelstahl-Schrauben aller Art in den meisten Fällen einen größeren Durchmesser aufweist als der keilförmige Gewindestab, gibt es natürlich auch Ausnahmen. Schlossschrauben, zum Beispiel, verfügen über einen kuppelförmigen Kopf, der nicht mit einem Werkzeug gedreht werden kann (eine eckige Stahlmanschette direkt unterhalb des Kopfes dient zum Teil dazu, das Verdrehen der Schraube beim Anziehen der Mutter am gegenüberliegenden Ende zu verhindern). Auf ähnliche Weise werden Ankerschrauben nicht in Beton oder ähnliches eingedreht sondern vielmehr eingesteckt, während ihre J-förmige Spitze für festen Halt sorgt.

Der Großteil aller Schrauben weist ein sogenanntes Rechtsgewinde auf, d. h. sie werden im Uhrzeigersinn angezogen. In manchen Fällen sind jedoch auch Schrauben mit einem Linksgewinde erhältlich, die gegen den Uhrzeigersinn angezogen werden. Letztere kommen oftmals bei Anwendungen zum Einsatz, wo ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn anliegen könnte (zum Beispiel am linken Pedal eines Fahrrads), das eine Schraube mit herkömmlichem Rechtsgewinde lockern würde.

 

Geschichte

Archytas von Tarentum (428 - 350 v. Chr.) – von vielen als Gründervater der Mechanik angesehen – gilt als Erfinder der Gewindeschraube. Seine Idee aus dem Jahr 400 v. Chr. kam hauptsächlich in Pressen zum Einsatz, mit deren Hilfe Traubensaft und Olivenöl über einen Schraubmechanismus gewonnen werden konnte.

Archimedes (287 - 212 v. Chr.) wird die Entwicklung sogenannter „Wasserschrauben“ zum Anheben von Wasser zugeschrieben, die im weiteren Verlauf vor allen Dingen von den Römern eingesetzt wurden, um Minen trocken zu legen. Aufzeichnungen belegen, dass Heron von Alexandria im ersten Jahrhundert nach Christus eine Beschreibung von Schrauben anfertigte.

Die größten Fortschritte in der Herstellung von Schrauben erfolgten jedoch erst im achtzehnten Jahrhundert. Die erste Drehbank mit halbautomatisch bewegtem Werkzeugschlitten wurde 1750 von Antoine Thout entwickelt, bei dem die Längsbewegung über einen Spindelantrieb erzeugt wird. Später kamen Drehbänke auch zur Herstellung von Schrauben zum Einsatz und erlaubten dabei bisher ungeahnte Ergebnisse in der Genauigkeit und Regelmäßigkeit der keilförmigen Gewinde. Populär wurden sie vor allen Dingen durch den britischen Erfinder und Werkzeugbauer Henry Maudslay, der zum Ende des achtzehnten Jahrhunderts schraubenschneidende Drehbänke entwickelte.

Ab 1760 wurden Schrauben massenhaft in großen Fabriken gefertigt, doch aufgrund der fehlenden Standardisierung traten immer wieder gewaltige Schwierigkeiten auf. 1841 wurde dieses Problem von Joseph Whitworth gelöst: Er untersuchte eine große Anzahl an Schrauben aus einer britischen Fabrik und schlug zwei grundlegende Standards vor – zum einen sollte die Anzahl an Gewindeabschnitten pro Zoll bei den unterschiedlichsten Durchmessern immer gleich sein, und zum anderen sollten die Gewindeflanken allesamt in einem Winkel von 55 Grad angeordnet sein. 1864 verbesserte der amerikanische Erfinder William Sellers das Design und schlug einen 60-Grad-Winkel für das Gewinde vor, der zunächst in den USA und später weltweit zum Standard erklärt wurde.

1908, etwa drei Jahrzehnte vor der sogenannten Phillips-Schraube, entwickelte der kanadische Ingenieur P. L. Robertson die erste Vierkantschraube. Anfang der 1930er-Jahre griff Henry Phillips dieses Design auf und brachte die erste Phillips-Schraube auf den Markt.

 

Technische Aspekte

Das Material, das mit Abstand am häufigsten zur Herstellung von Schrauben aller Art verwendet wird, ist Stahl; doch insbesondere Schrauben, die in hohem Maße unterschiedlichsten Umwelteinflüssen standhalten müssen oder in Anwendungen mit besonders hoher Korrosionsgefahr zum Einsatz kommen (darunter chirurgische Schrauben, die in den menschlichen Körper eingesetzt werden), können auch aus widerstandsfähigen Materialien wie Edelstahl, Titan, Silizium-Bronze, Messing oder Monel hergestellt werden. Bei Verbindungen, die nicht zwingend die Robustheit von Metallschrauben erfordern, können auch bestimmte Kunststoffformen (v.a. PTFE und Nylon) verwendet werden. Diese zeichnen sich durch ausgesprochen hohe Korrosionsbeständigkeit aus.

Bei manchen Schrauben sind Nummern in den Kopf eingelassen (am häufigsten 5.8, 8.8 und 10.9). Diese Nummern geben Auskunft über das ISO-Rating der Stärke der jeweiligen Schraube: So beschreibt die Nummer vor dem Dezimalzeichen, bis zu welcher Belastung die Schraube angezogen werden kann (die sogenannte „äußerste Zugfestigkeit“). Die Ziffer nach dem Dezimalzeichen ist hingegen etwas komplexer: Sie beschreibt das Verhältnis zwischen der sogenannten Streckgrenze (d. h. der Punkt, an dem das Material dauerhaft verformt ist) und der äußersten Zugfestigkeit, multipliziert mit 10. Besonders robuste Schrauben verfügen über ein Rating von 8,8 oder mehr.

Zudem hat sich das metrische Schraubengewinde nach ISO-Norm inzwischen weitestgehend gegen ältere Standards aus anderen Ländern durchgesetzt.

 

Inwiefern unterscheiden sich selbstschneidende Schrauben von Gewindeschrauben?

Während eine absolut eindeutige und allgemein geltende Unterscheidung zwischen diesen beiden Schrauben erst noch festgelegt werden muss, wird weitläufig akzeptiert, dass eine selbstschneidende Schraube – wie ihr Name schon sagt – ihr Innengewinde selbst schneidet, wenn sie in ein weicheres Material eingeführt wird, während eine Gewindeschraube in eine vorgebohrte Öffnung eingeführt wird und dann mit einer Mutter, deren Innengewinde exakt auf das Außengewinde der Schraube passt, angezogen wird (mit Hilfe eines Gabel-, Band- oder Inbusschlüssels anstelle eines Schraubendrehers).