Expertengespräche

Das Thema Schraubenverbindungen scheint auf den ersten Blick überschaubar zu sein. Sicher, wenn es um das Lösen der Schraube zum Abnehmen des Deckels eines Taschenrechners geht. Konstruktionen im Stahlbau wie etwa funktionale Industriehallen oder phantasievolle Stahlkonstruktionen im Hochbau verlangen nach Angaben des Statikers bei den Verbindungselementen ein System aus Schraube, Scheibe und Mutter. Diese Schraubenverbindungen müssen baustatische sowie wirtschaftliche Anforderungen erfüllen. Die fachgerechte Herstellung der geschraubten Fügestellen fordert Kompetenz. OStR Michael Höhler hat zu diesem Thema für seine Metallbaufachklasse im Dezember ein Expertengespräch an der DRS in Neuwied verstanstaltet und berichtet in diesem Beitrag darüber.

Es geht um die Entwicklung der Fachkompetenz zur Herstellung unterschiedlicher Verbindungsstellen bei Stahlbaukonstruktionen, Hand in Hand mit Experten aus der Praxis. Mit Rene Steuth, technischer Außendienstmitarbeiter Gedore Tool Center, und Dirk Wingendorf, technischer Fachberater der Firma Lösomat, konnten zwei Praxisvertreter engagiert werden, die bereit waren, ihre Fertigkeiten und Kenntnisse in die Qualifizierung der Azubis einzubringen. Beteiligt waren die Fachklasse für Metallbauer und die Fachklasse für Technische Zeichner, deren Schüler sich alle im dritten Ausbildungsjahr befinden.

Die Vorbereitung der Schüler

Geschraubte Baugruppen können Rahmenbinder, Trägeranschlüsse und -stöße oder auskragende geschweißte oder gewalzte Profile mit Stirnplattenanschluss an einer Unterkonstruktion sein. Die starke fachliche Segmentierung hat in der Entwicklung des Metallbaus eigenständige Branchen hervorgebracht, die mithin für den Bereich der beruflichen Erstausbildung eine umfangreiche Qualifizierung der Nachwuchskräfte erforderlich machen. Die berufsschulische Ausbildung begegnet diesem Anspruch durch kompetenzorientierten Unterricht, der die Befähigung des Metallbauers zum selbständigen Planen, Durchführen und Kontrollieren der beruflichen Arbeiten zum Ziel hat. In der Stahlbaubranche zählt die Herstellung und Kontrolle von Schraubenverbindungen als wichtiges lösbares Fügeverfahren zu den typischen Arbeiten. Das Herstellen einer Verbindung von Montageplatten mittels Scheiben und Maschinenschrauben an einem Anbauteil scheint in einer spontanen Prozessbeschreibung keine außergewöhnliche Herausforderung zu sein. Jedenfalls haben das einige Schüler so im vorangegangen Unterrichtsgespräch angegeben. Dabei wurden allerdings der „Drehmomentschlüssel“ und die Bedeutung des fachgerechten Einsatzes dieses Werkzeugs schon benannt.

Azubi stellt Halle seines Betriebs als Projekt vor

Martin Götz, Schüler der Metallbauer-Fachklasse, beschrieb im vorbereitenden Unterricht den Bau einer Stahlhalle. Er schilderte die Herstellung der vorgegebenen Schraubenverbindungen mittels Drehmomentschlüssel und organisierte Zeichnungen der Halle für den Unterricht. Die Halle fungierte als Realobjekt mit einer motivierenden Wirkung für die Schüler, da dieses Projekt aus der Lerngruppe eingebracht wurde. Für den Einstieg in das Expertengespräch war dieses Bauvorhaben mit Blick auf die Schraubenverbindungen durchaus lernförderlich. So übernahm Götz zu Beginn des Expertengesprächs eine kurze Vorstellung der Hallenkonstruktion anhand der technischen Zeichnung. Die Dimension der vorschriftsmäßigen Herstellung von Schraubenverbindungen im Stahlbau wurde den Lernenden jedoch verstärkt im mathematischen Teil deutlich, als Berechnungen zur Festigkeit von Schraubenverbindungen angestellt wurden. Die Differenzierung der unterschiedlichen Beanspruchungen (Abscherung, Lochleibung), der Beanspruchbarkeiten und das erforderliche Erfassen von Beiwerten zur Berechnung der Bemessungs- und Grenzwerte der entstehenden Kräfte in der Fügestelle führten in der Lerngruppe zur Erkenntnis, dass doch besondere Kompetenzen entwickelt werden müssen, um definierte Verbindungen mittels vorschriftsmäßiger Schraubengarnituren nach Berechnung herstellen zu können.

Wenn spezielle Fachinhalte, wie beispielsweise die Anwendung aktueller Normenänderungen, erarbeitet werden sollen, wird der Praxisorientierung bei der Unterrichtsplanung ein hoher Stellenwert beigemessen. Mit den oben genannten Fachleuten wurden Techniker renommierter Werkzeughersteller als Praxispartner gefunden, mit denen unter anderem die jeweiligen Funktionen und die Auswahl von Schraubwerkzeugen und deren Features für bestimmte Einsätze und die Prüfung von Schraubenverbindungen erarbeitet werden sollten. Auch fachliche Verknüpfungen zu der Vielzahl an geltenden Normenformaten sollten im Dialog erfolgen. Der Autor entwickelte folgende Lernsituation: Der Kragarm dient, an einen Betonuntergrund montiert, als Unterkonstruktion für eine begehbare Bühne. Es geht um die Herstellung der GV-Verbindung von Kragarm und Unterkonstruktion.“

In Vorgesprächen mit den externen Fachleuten hat der Autor weitere differenziertere Aufgaben erstellt und als Lernjob zusammengefasst. Mit dessen  Bearbeitung sollen die Schüler im Unterricht neues Wissen konstruieren. Die Experten hatten ihre Präsentationen in Abstimmung mit dem Autor und im Kontext der Angaben des gültigen Lehrplans (vgl. Kultusministerkonferenz 2002) adressatenorientiert konzipiert. Diese Präsentationen lieferten sowohl den Input für die Erarbeitung neuer Lerninhalte als auch Impulse für zielführende Fachgespräche zwischen den Schülern und den Experten (vgl. Höhler 2013). Ergänzend kamen als Realobjekte Werkzeuge sowie Musterverschraubungen lernförderlich zum Einsatz.

Dienlich dazu waren auch Informationen aus dem Fachbuch für die Partner- und Gruppenarbeit. Theoretische Grundlage bildeten auszugsweise folgende fachliche Schwerpunkte, in denen die Schüler ihre Kompetenzen entwickelt haben und dadurch für das Expertengespräch gut vorbereitet waren:

• die statischen Anforderungen den Bauteilen einer Stahlhalle zuordnen
• anforderungsgerechte Auswahl unterschiedlicher Trägerarten wie zum Beispiel Walzträger, Wabenträger, Fachwerkträger
• Stützen nach der Lastaufnahme und der Konstruktion unterscheiden und auswählen
• Fachbegriff „Schraubengarnitur“ beschreiben
• Kontaktflächenbehandlung gemäß dem Typ der Schraubenverbindung planen 
• Beanspruchungen und Beanspruchbarkeiten je nach Bedingungen unterscheiden und berechnen
• Schraubenverbindungen je nach Beanspruchung auf Zug, Abscherung und Lochleibung berechnen
• Bemessungswerte für unterschiedliche Beanspruchungen und Beanspruchbarkeiten berechnen

Das Fachgespräch mit Experten

Als Einstieg berichtete Schüler Martin Götz von der Stahlhallen-Konstruktion, an deren Montage er beteiligt war. Er schilderte die Herstellung der Schraubenverbindungen an den Rahmenbindern und den Fußplatten der Stützen und betonte, als Werkzeug den Drehmomentschlüssel verwendet zu haben.

Mit der Frage nach der Funktionsweise des Werkzeugs und nach der durchgeführten Prüfung der Schraubenverbindungen bahnte der Lehrer im Anschluss die Erarbeitungsphase des Unterrichts an. Er verwies auf die obligatorisch zu bearbeitenden und den Schülern bereits ausgehändigten Aufgabenstellungen rund um die beschriebene Lernsituation. Die Experten Steuth und Wingendorf wurden als ausgewiesene Techniker vorgestellt, die ihre Kompetenz für die Vermittlung von Fachinhalten sowie für die konstruktiven Fachdialoge zur Verfügung stellen.

Zu Beginn seines instruktiven Vortrags erläuterte Steuth die Bedeutung von normgerecht hergestellten und geprüften Schraubenverbindungen anhand praktischer Beispiele. Die Schüler wurden unmittelbar über den Bezug zu bereits selbst im Verlauf der Ausbildung durchgeführten Schraubarbeiten im Metallbau mit eingebunden. Der Referent bat die Schüler, ihre bisherigen Kenntnisse aus der betrieblichen Praxis in der Herstellung von Schraubenverbindungen wiederzugeben. Ein Schüler berichtete, dass er die Mutter mit aller Kraft so fest als möglich anzieht. In erheiternder Weise wurde umgehend aus dem Plenum diese Arbeitsweise mit den Worten „nach fest kommt ab“ kommentiert. Der Experte griff dieses oft praktizierte intuitive Vorgehen kritisch auf. Er hob in Zusammenhang mit der Art und Aufgabe der Verschraubung die Bedeutung der nach Norm zu erfolgenden Herstellung der Verbindung hervor. Unterschieden wurde an dieser Stelle zwischen nicht planmäßig vorgespannten und planmäßig vorspannbaren Schraubenverbindungen, die entweder nicht vorwiegend ruhender Belastung (Hebezeuge, Automobilindustrie) oder ruhender Belastung ausgesetzt seien. Letzteres trifft auch für die Schraubenverbindung in der für den Arbeitsauftrag verwendeten Lernsituation zu, ergänzte der Pädagoge und wies auf die Beachtung der beschriebenen Ausführungsform als GV-Verbindung hin. Mit diesem Impuls wurde in der Lerngruppe herausgearbeitet, dass die Schraubenmontage mit Vorspannung erfolgen muss.

Während des Expertengesprächs wurde der Ausbau der Fachkompetenz mit folgenden Schwerpunkten angestrebt:

• Die normgerechte Schraubengarnitur angeben.
• Die erforderliche Schraubenlänge berechnen.
• Unterschiedliche Anzugsverfahren entsprechend des Arbeitsprozess auswählen.
• Das Anzugsmoment der Schraubenverbindung für die vorliegende Aufgabe ermitteln und das Anzugswerkzeug auswählen.
• Die unterschiedlichen Möglichkeiten (Verfahren) zur Prüfung des erreichten Drehmoments erläutern sowie die entsprechende Vorschrift DIN EN 1090-2 angeben.
• Das Funktionsprinzip eines Kraftvervielfältigers benennen.

In seinem weiteren Vortrag brachte Steuth Beispiele aus der Automobilindustrie und aus dem Stahlbau. Dabei ging er auch auf die Notwendigkeit der fachgerechten Prüfung der Verschraubungen nach DIN EN 1090-2 ein. Er hob kritisch hervor, dass „bei vielen kleineren Unternehmen die Dokumentation (fehlt), sodass später Probleme bei der Nachweispflicht entstehen“. Nicht selten sei es auch schon zum Abbau der Konstruktion gekommen, weil dem Auftraggeber beziehungsweise der prüfenden Stelle keine Dokumentation vorgelegt werden konnte. Die Schüler knüpften mit diesen Aussagen kritisch an ihre eigene betriebliche Erfahrungswelt an. Der Azubi Fadi Traini attestierte dem Referenten in der Nachbesprechung zum Expertengespräch „sehr gute Kompetenz, die Inhalte waren auf unser Unterrichtsthema ausgerichtet und lassen sich in der Praxis gut verwerten.“

Schüler bearbeiten Arbeitsauftrag

Gemäß dem zu bearbeitenden Lernjob sollten die Schüler nach diesen einführenden Informationen von Steuth in Arbeitsgruppen die Auswahl der Schraubengarnitur für die Montage des Kragarms an die Unterkonstruktion vornehmen. Dazu war es erforderlich, sich die technische Zeichnung und die Stückliste zu verdeutlichen, um durch eine Berechnung die Ausgangslänge der Schrauben festzulegen. Die Schüler mussten sich anhand des Tabellenbuches mit den Normen für die Schrauben, Scheiben (EN 14399-4) und Muttern (EN 14399-4) vertraut machen.

Schließlich wurden die Arbeitsergebnisse durch die Gruppensprecher veröffentlicht und verglichen. In lebendigen Fachgesprächen im Plenum wurde die Lösung als normgerechte Angabe der ausgewählten Schraubengarnitur für die vorgegebene GV-Verbindung ermittelt und an die Tafel geschrieben. Der Fachlehrer wies auf die Kontaktflächenbehandlung bei der GV-Verbindung hin, mit der laut Anhang zur DIN EN 1090-2 eine bestimmte Rauigkeit der zueinander positionierten Bauteiloberflächen erreicht werden muss.

Fachgerechter Einsatz von Schraubwerkzeugen

„Welche Kriterien muss ein Schraubwerkzeug im Stahlbau erfüllen,“ lautete die Frage von Steuth am Ende seiner Präsentation über Werkzeuge. Er ergänzte die Schülerantworten mit folgenden Informationen:

• Größe und Durchmesser des Geräts
• Handlich und robust
• Geprüftes Gerät (mit aktuellem Drehmomentprüfzertifikat)
• Hohe Wiederholgenauigkeit und präzise Drehmomente (± 4 %)

Den Schülern war aus ihrer Praxiserfahrung heraus die Funktionsfähigkeit und die Länge des Hebelarms am wichtigsten. Schüler Manuel Torster beschrieb seine Erfahrungen im Umgang mit dem Drehmomentschlüssel und den notwendigen Einsatz des Werkzeugs für die Kontrolle des Drehmoments bei der Autoreifenmontage. Andere Schüler gaben an, mit der Ratsche zu arbeiten, aber das Drehmoment nicht zu kontrollieren. Experte Steuth beurteilte diese Vorgehensweise als in vielen Fällen nicht fachgerecht und verwies auf die betriebliche Gewährleistung für die zu prüfende Schraubenverbindung. Die Schüler erfuhren zur mechanischen Funktion die Unterscheidung zwischen dem auslösenden und dem anzeigenden Drehmomentschlüssel. Ergänzt wurden die Ausführungen durch Erklärungen zur Kurzweg-Auslösung, Langweg-Auslösung sowie zur Rutschkupplung. Gänzlich neu war die Funktion des elektronischen Drehmomentschlüssels, inklusive der Auswertungssoftware, die für professionelle Anwendungen die Dokumentation der aufgebrachten Drehmomente übernimmt.

Interesse zeigten die Berufschüler vor allem an der Genauigkeit der Messergebnisse und deren Bedeutung in der Praxis. Die Experten erläuterten unterschiedliche Typen von Drehmomentschlüssel, die zum besseren Verständnis als Realobjekte in die Lerngruppe gegeben wurden. Der Fokus lag bei der Berechnung des sogenannten Stichmaßes mit Hilfe der Formel zur Drehmomentberechnung. Steuth verdeutlichte damit die Wirkung dieser Größe auf das aufzubringende Drehmoment des Kragarms bei Verlagerung des Drehpunktes. Diese ergab sich konstruktiv bedingt bei verschiedenen Typen an Drehmomentschlüsseln. Hier zeigten die Schüler besondere Aufmerksamkeit und stellten Fragen an den Experten, die durch bereits vorhandene Kenntnisse aus der Festigkeitsberechnung zielgerichtet formuliert und zur konstruktiven Vernetzung ihres Wissens genutzt wurden. Die Vorführung am Modell durch den Fachmann unterstützte den Lernprozess. Alexander Kalt und Johannes Apelt lobten im Rückblick den Referenten, „der auf uns eingegangen ist und Fragen direkt beantwortet hat“.

In Zusammenhang mit dem Lernjob erläuterte Steuth die Anwendung der Tabelle zur Ermittlung des Vorspannmoments für die Herstellung der Schraubenverbindung gemäß DIN EN 1090-2. Die Schüler nutzten rege die Möglichkeit, im Fachgespräch ihre Kompetenz so zu erweitern, dass sie auch die erforderliche Drehmomentermittlung für andere Verbindungstypen und Schraubengrößen vornehmen können. Bei der Auswahl des Drehmomentschlüssels für die vorliegende Aufgabe gab der Experte insbesondere für die Technischen Zeichner zu bedenken, dass „die Konstruktion unbedingt die Montage berücksichtigen muss. Das heißt die Dimension des Werkzeugs muss mit bedacht werden, um dieses richtig einsetzen zu können“.

Nach dem Verfahren des Schraubenanzugs gefragt, erläutere der Experte, dass „beim Drehwinkelverfahren die Reibung keine große Rolle für die Herstellung der Vorspannkraft spielt. Unabhängig von der Art der Schraubenverbindung ist das Drehwinkelverfahren dem Drehmomentverfahren vorzuziehen, weil die Schmierung keinen Einfluss auf die Vorspannkraft hat.“ Dazu lobte Schüler Fadi Traini in der Feedbackrunde, dass „Probleme aus der Praxis besprochen wurden, die so nicht in den Büchern stehen“.

Mit Erklärungen zu unterschiedlichen Drehmoment-Prüfverfahren und dem Verweis auf entsprechende Anwendungen im nachfolgenden Workshop endete die Präsentation von Steuth, der zum zweiten Teil des Expertengesprächs überleitete.

Exkurs in die Hochmoment-Schraubtechnik

Da die Azubis aufgrund ihrer betrieblichen Tätigkeit und des bisherigen Unterrichts auf die manuelle Drehmomenterzeugung fixiert sind, weckte Experte Dirk Wingendorf mit seinem Thema „handbetriebene Schrauber“ Neugierde. Seine Info, dass „große Maschinen und Anlagen wie Hydraulikpressen, in der Karosserieherstellung oder bei Windkraftanlagen Schraubenverbindungen erfordern, die häufig mit mehreren tausend Newtonmeter Drehmoment hergestellt werden müssen“, erzeugte Interesse für die Hochmoment-Schraubtechnik. Er ergänzte im Überblick das Spektrum der auf dem Markt eingesetzten Maschinentypen des Schrauberherstellers Lösomat wie folgt: Hochmoment Elekroschrauber, Hochmoment Pneumatikschrauber, Hydraulikschrauber. Ein technisches Highlight sei aktuell „der weltweit erste Akkuschrauber bis 4.000 Nm, der sich flexibel und schnell auf die verschiedensten Schraubfälle einstellt“.

Im Weiteren wurde der Einsatzbereich eines Hochmoment Pneumatikschraubers besprochen. Dieser sei für Anwendungen notwendig, die aus Gründen der Arbeitssicherheit keinen Funkenflug aus dem Betrieb eines Elektromotors dulden. Als Beispiel nannte der Experte Schraubarbeiten an Apparaturen in der chemischen Industrie. Als mechanisches Wunderwerk stellte der Praxisvertreter den Kraft- oder auch Drehmomentvervielfältiger vor. Mit diesem Gerät, das es nach Aussage des Herstellers schon seit vierzig Jahren auf dem Markt gibt, lassen sich Drehmomente für die Schraubenmontage von über 50.000 Nm erzeugen. Wingendorf erläuterte anhand des Schnittmodells eines Kraftvervielfältigers dessen Funktion und benannte zum Abschluss seiner Präsentation das Planetengetriebe als Herzstück, verantwortlich für die Kraftübertragung.

Austesten der Geräte

Den Schülern sollte durch die Handhabung der umfangreich zur Verfügung gestellten Werkzeuge und Maschinen ermöglicht werden, unter Begleitung der Experten den Umgang mit den hochwertigen Drehmomentschlüsseln, Drehmomentprüfgeräten und Akkuschraubern auszutesten. Beim Ausprobieren der Geräte nutzten die Schüler die Möglichkeit, mit den Fachleuten in Dialog zu treten und die fachgerechte Anwendung der Werkzeuge anhand verschraubter Modellplatten zu testen.⇥red ◊