Jürgen Bartsch beschreibt in diesem Gastbeitrag das Verfahren des Sprengnietens zur Befestigung von Bauteilen unter Anwendung von Explosivstoffen. Die Verwendung und der Einsatz im Flugzeugbau sowie weitere diverse patentierte Verfahren werden erläutert.

Schnitt durch eine Sprengnietung

Sprengnietung – Geschichte einer explosiven Verbindung

Das Nieten ist eine der ältesten Verbindungstechniken in der Metallverarbeitung, denn die Ursprünge dieser Technik lassen sich bis in die Bronzezeit zurückverfolgen. Beim Nieten wird der Werkstoff der zu verbindenden Bauteile nicht beeinflusst und es können auch unterschiedliche Metalle dauerhaft miteinander verbunden werden.

In den 1930er Jahren war der Niet Stand der Technik und das wohl gebräuchlichste, billigste und sicherste Verbindungselement und in Bezug auf leichte Durchführung der Verbindung sowie einwandfreie Übertragung der Kräfte allen anderen Verbindungselementen vorzuziehen.

Einige Nieten
Abb. 1: Konventionelle Nieten

Der Niet, bestehend aus Schaft und Setzkopf, wird nach Einführen in das Nietloch am Setzkopf durch einen Vorhalter angedrückt und der auf der anderen Seite des zu nietenden Gegenstandes herausragende Teil des Nietschaftes durch Schläge oder gleichförmigen Pressdruck gestaucht, breitgedrückt und gleichzeitig entsprechend geformt.

Einen großen Nachteil besaß die Durchführung einer Nietverbindung allerdings: Sie erforderte die beiderseitige Zugänglichkeit bei dem zu nietenden Objekt. Das schloss Nietungen bei schwer erreichbaren Stellen aus.

Arbeiter beim Nieten
Abb. 2: Anbringen von Nieten im Flugzeugbau

Derartige Fälle traten insbesondere beim Flugzeugbau auf, wenn es z. B. darum ging, geschlossene Kasten- und Rohrkonstruktionen durch Nietung herzustellen.

Man war daher schon längere Zeit bemüht, für diese „Problemzonen“ besondere Nietverfahren zu entwickeln. Der ursprünglich fast ausnahmslos eingesetzte Hohlniet kam nur für Verbindungen von untergeordneter Bedeutung wie z. B. Endkappen und leichten Verkleidungen in Betracht. Einen Fortschritt bedeutete der Übergang zum Dornniet. Doch eine wirkliche Lösung kam erst mit dem damals revolutionären Sprengniet auf den Markt.

Sprengnietung – Geschichte einer explosiven Verbindung

In zahlreichen Publikationen wird immer davon ausgegangen, dass die Brüder Karl und Otto Butter, Ingenieure der Rostocker Heinkel Flugzeugwerke, in den 1930er Jahren die Sprengnietung erfunden hätten. Doch eigentlich begann die Geschichte des Sprengnietes schon viel früher…

Bereits 1921 erhielt der Engländer Frank Allan das Deutsche Reichspatent Nr. 369395. Darin heißt es: „Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung oder Sicherung von Bolzen oder Nieten in Metallplatten oder ähnlichen Bauteilen und einen Bolzen oder Niet zur Ausführung des Verfahrens. Der Erfindung gemäß wird in einer inneren Kammer des Bolzen- oder Nietschaftes ein Explosivstoff untergebracht. Bei der Explosion des Explosivstoffes erfährt der Schaft des Nietes oder Bolzens eine solche Gestaltsveränderung, dass er in der Metallplatte oder in den miteinander zu verbindenden Metallplatten einen unbedingt sicheren Sitz erhält.“

Patent Sprengniet
Abb. 3: Zeichnung aus dem Patent von Frank Allan (vor und nach der Explosion)

Frank Allan sah als möglichen Anwendungsbereich seiner Erfindung die „Verbindung von Stahlplatten, bei welchen ein Zugang zur Rückseite der Platte schwierig oder unmöglich ist, beispielweise unter Wasser bei der Bergung von Schiffen.“

Über eine praktische Anwendung der Allan’schen Sprengnieten ist nichts bekannt geworden und es ist daher anzunehmen, dass dieser interessante Vorschlag damals nicht weiter verfolgt wurde.

Erst über ein Jahrzehnt später ist in Deutschland der grundlegende Gedanke Allans wieder aufgenommen worden. Als im September 1934 der Flugzeugingenieur Otto Butter Schwierigkeiten beim Einsatz von englischen Lizenznieten hatte, die nicht nur teuer, sondern auch für bestimmte Flugzeugbereiche ungeeignet waren, bat er seinen Bruder Karl, der in einem schlesischen Hüttenwerk arbeitete, um Rat. Dieser schlug ihm die Verwendung von Nieten mit integrierten kleinen Sprengladungen vor.

Diese Idee wurde als die Lösung des Problems angesehen und im Dezember 1934 meldete der Direktor der Flugzeugwerke, Prof. Dr. Heinkel, das erste Patent an. In diesem Patent (Nr. 648842), das durchaus dem Allan’schen Prinzip entspricht, wird das Bohrloch mit der Sprengladung durch einen Verschlussstift verdämmt. Außerdem wird vor geschlagen, als Sprengstoff auch flüssige Luft zu verwenden…

Weitere Zusatzpatente folgten und ab 1936 wurden in den Rostocker Heinkel-Flugzeugwerken umfangreiche Testreihen mit dem neuen Verfahren durchgeführt. Um eine möglichst lange Geheimhaltung der neuen Verbindungsmethode zu gewährleisten, fanden die Tests in der gleichen Sonderhalle statt, in der auch an der neuen Düsentechnik für die He 176 gearbeitet wurde.

Bei den Versuchen in Rostock verwendete man Nitrozellulose-Blättchenpulver als Sprengstoff. Doch das Ergebnis entsprach keinesfalls den Erwartungen. In den seltensten Fällen konnte eine brauchbare Ausbauchung erzielt werden – die Regel war ein seitliches Aufreißen der Nietschäfte, besonders bei Leichtmetallnieten. Dieses Ergebnis war eigentlich vorhersehbar, da die absolute Verdämmung (durch den eingepressten Verschlussstift) der entstehenden Explosionsgase bei der unregelmäßigen Zündung des Nitrozellulosepulvers und der dadurch bewirkten verschiedenartig schnellen Verbrennung zu starken Druckschwankungen führen musste.

In diesem Stadium der Versuche wandten sich die Heinkel-Flugzeugwerke an die Dynamit-Actien-Gesellschaft (DAG), mit der Bitte um Beratung in der Sprengstoff-Frage. Die ersten Untersuchungen in den DAG-Werken Troisdorf und Schlebusch führten zu der Erkenntnis, dass der beabsichtigte Effekt nur bei Verwendung einer einseitig offenen Sprengkammer und mittels sensibler Initialsprengstoffe erzielt werden kann. Das Ergebnis war der an der Schließkopfseite offene Sprengniet.

Abb. 4: Prinzipieller Aufbau des Sprengnietes vor (links) und nach (rechts) der Zündung (Zeichnung aus D.R.P. Nr. 655669)

Nach eingehender Prüfung durch die DAG wurde ein erster Vertrag zwischen der DAG und den Heinkel Flugzeugwerken im Dezember 1938 unterzeichnet. Die DAG übernahm die Patentrechte Heinkels (er hatte alle Patente als Privatmann angemeldet) für die Weiterentwicklung des neuen Nietverfahrens im Block zu einem Preis von 1,9 Millionen Reichsmark (das entspräche heute einer Summe von ca. 7 Mio. Euro). Da die Werke Troisdorf und Schlebusch der DAG die Übernahme der weiteren Arbeiten bis zur Massen fertigung ab lehnten und auch nicht geeignet gewesen wären, kam die Rheinisch-Westfälische Sprengstoff-Actiengesellschaft (RWS) ins Spiel. Seit 1931 mit der Dynamit Actien-Gesellschaft verschmolzen, besaß die RWS große Erfahrungen bei der Entwicklung von Zünd- und Sprengsätzen und übernahm im wissenschaftlichen Labor ihres Werkes in Stadeln unter Dr. Rathsburg und Dr. Ritter von Herz die Weiterführung der praktischen Entwicklung der Sprengnieten. Doch der eigentliche Entwickler war (nach der RWS- Firmenchronik) Dr. Gawlick.

Viel Zeit und Arbeit erforderten die Auswahl des geeigneten Niet-Werkstoffes, die Ermittlung der zweckmäßigsten Kammerform, der Kammerdimensionen bei den verschiedenen Nietkalibern- und längen, der Ladungsmengen und des günstigsten Pressdruckes für die Ladung.

Massive Probleme bereitete den Chemikern auch die Suche nach dem optimalen Sprengstoff für den Zündsatz. Nach jahrelangen, zahllosen Versuchen war eine Mischung aus Tetrazen, Nitromannit und Aluminiumgrieß endlich die langgesuchte Lösung. Rückblickend stellte einer der Entwickler, Dr. Ritter von Herz, fest, dass trotz des guten Ergebnisses und Erfolges die Zeit der Sprengniet-Entwicklung auch reich an Enttäuschungen und Rückschlägen war.

verschiedene Sprengnieten
Abb. 5: Sprengnieten verschiedener Abmessungen

Beschreibung und Wirkungsweise der Sprengnietung

Ausgangspunkt der Sprengniete war ein herkömmlicher Niet aus Aluminium, Dural, Hydronalium oder Stahl, in deren Schaft ein Loch geschlagen oder gebohrt wurde, um darin den Sprengstoff aufzunehmen. Diese Bohrung ist etwa so tief, wie der Niet über das zu verbindende Bauteil hervorsteht. Der für die Nietung entwickelte hochbrisante Sprengstoff wird lediglich in die Bohrung eingepresst – erhält also keine Verdämmung. Der Sprengsatz ist ungiftig, lagerbeständig und wirkt nur auf kleinstem Raum. Eine Beschädigung benachbarter oder gegenüberliegender Bauteile tritt auch bei geringstem Abstand nicht ein. Die Nietung ist dicht und kann für Schwimmer, Tanks usw. angewendet werden.

Die gebräuchlichsten Leichtmetallnieten mit Flachrund- und Senkkopf von 2,6 mm bis 6,0 mm Schaftdurchmesser waren ausreichend für die Vernietung von 1,0 bis 8,0 mm Blechstärke.

Schnitt durch eine Sprengnietung
Abb. 6: Schnitt durch eine Sprengnietung vor (rechts) und nach (links) der Zündung des Sprengsatzes

Zum Schutz des Metalles und zur Vermeidung von Korrosion wurden die Sprengnieten eloxiert. Eine weitere Bedeutung kam der Eloxalschicht als wärmeisolierendes Medium zu, das die rasche Wärmeableitung (bei der Zündung) in das den Niet umgebende Metall verhindert. Weiterhin wird die leichte Einfärbbarkeit des Eloxalüberzuges durch bestimmte Teerfarbstoffe dazu benutzt, die Länge der Nieten bei gleichem Kaliber zu kennzeichnen. Die charakteristischen Farben verhindern Verwechslungen und ermöglichen eine einwandfreie Kontrolle der benutzten Nietlänge auch nach durchgeführter Nietung.

Der Sprengniet wurde in das Loch der zu vernietenden, zweckmäßig vorgehefteten Bleche eingeführt. Mit einem Hammer leicht angeklopft und anschließend durch Aufsetzen des auf richtige Temperatur gebrachten Heizkolbens (auch als Zündkolben bezeichnet) bei ca. 130 Grad Celsius gezündet. Nach etwa zwei bis vier Sekunden, je nach Kaliber und Länge des Sprengnietes, tritt die Detonation mit einem peitschenartigen Knall ein und bewirkt die Ausbauchung.

Die Festigkeit der Sprengnietung beträgt nur 75 % der Festigkeit einer normalen Stauchnietung. Der somit vorhandene Festigkeitsverlust von 25 % wird durch die Wahl von Sprengnieten des jeweils nächstgrößeren Schaftdurchmessers als der des zu ersetzenden Stauchnietes oder durch ein engeres Setzen der Nieten ausgeglichen.

Die Sprengnietung war Einmann-Arbeit und konnte auch von ungelernten Arbeitern nach einer praktischen Einweisung problemlos ausgeführt werden. Da in der ersten Zeit der Einführung durch Nichtbeachtung einiger grundlegender Maßnahmen Fehlergebnisse auftraten, wurden neue genaue Vorschriften ausgearbeitet. Außerdem bot die RWS in Nürnberg einen Schulungskurs für Firmen an, die beabsichtigten, Sprengnietung in ihrem Unternehmen einzuführen.

Verwendung und Einsatz der Sprengnietung

Zunächst erfolgte der Einsatz der Sprengnieten überwiegend im Flugzeug-Neubau, z. B. bei der Beplankung von Flächen und Leitwerken, an Holmen, Leitwerks an schlüssen, Fußböden u. ä.

Durch das neue Nietverfahren konnte sogar die Konstruktion einzelner Bauteile bedeutend vereinfacht werden. Später fand die Sprengnietung auch in der übrigen blechverarbeitenden Industrie Anwendung. Bei der Reparatur und Überholung der Flugzeuge dagegen wurde die Sprengnietung nur in bescheidenem Maße genutzt.

Das änderte sich, als deutsche Kampfflugzeuge der Legion Condor während des Spanischen Bürgerkrieges (1936 bis 1939) den Putsch von General Franco unterstützten. Da die Flugzeuge von ihren Einsätzen oft mit starken Beschuss schäden zurückkamen, griff man hier zur Sprengnietung. Es wurden erstmalig schwierige Holm- und Leitwerkreparaturen durchgeführt, die ohne Sprengnietung kaum oder nur unter großem Arbeitsaufwand möglich gewesen wären. Das deutsche Militär stand dem Projekt zuerst skeptisch gegenüber. Als jedoch Japan und die USA Patente kauften, wurde man wach: 1940 erfolgte die Einführung bei der deutschen Luftwaffe (für sämtliche nichttragenden Bauteile).

Zusammen mit den Nieten wurde ein Werkzeugkasten verkauft, der alle Werkzeuge für die Sprengnietung enthielt.

Werkzeugkasten Sprengnietung
Abb. 7: Werkzeugkasten mit Material für Sprengnietungen

Eine der beiden US-Firmen, die 1939 Sprengniet-Patente erwarb, war der DuPont-Trust, der sich bereits seit 1938 um diese Patente bemühte. DuPont vermarktete die Nietung im großen Stil in den USA, Kanada und Mexico.

Handhabung Zündkolben
Abb. 8: Skizze zur Handhabung des Zündkolbens für Nietungen mittels Sprengstoff

Die US-Luftwaffe wuchs seit Beginn des 2. Weltkrieges gewaltig an, da sich die USA langfristig auf einen Kriegseintritt an der Seite ihres Verbündeten Großbritanniens vorbereiteten.

Die in großen Mengen nach deutschen Lizenzen produzierten Sprengniete fanden im US-Flugzeugbau breiteste Anwendung. Im Rahmen verschiedener Gesetze erhielt Großbritannien dringend benötigte Flugzeuge direkt aus den USA. Dazu gehörten z. B. Jagdmaschinen vom Typ Curtiss P-40, die in Europa unter der Bezeichnung Kittyhawk bekannt wurden.

Die Firma Curtiss verwendete bei der Fertigung dieser Maschinen in großem Umfang Sprengniete nach deutschen Lizenzen.

Einen Teil dieser Flug zeuge gab Großbritannien 1941 wiederum an die verbündete Sowjetunion weiter, die diese Maschinen im Murmansker Raum einsetzte. Paradox, aber wahr: mit deutschem Know-how genietete Kittyhawk, produziert in den noch neutralen USA, kämpften an der deutschen Westfront über England und an der Ostfront über Murmansk gegen deutsche Heinkel-Bomber, die ebenfalls mit Sprengnietung her ge stellt wurden!

Während des 2. Weltkrieges ging ohne Sprengnietung in den Feldeinheiten und Frontwerften der deutschen Luftwaffe gar nichts!

Die Sprengnietkolonnen arbeiteten an allen Fronten, um Beschussschäden schnellstens zu be seitigen. Hierbei kamen auch genormte Reparaturdeckel (rund bzw. oval) zum Einsatz, die lagermäßig vorrätig waren.

Bei solch einer Reparatur wurde die beschädigte Stelle, entsprechend der Form des vorhandenen Deckels, ausgeschnitten mit speziellen Werkzeugen vorbereitet, gebohrt und mit Sprengnieten verbunden.

Für weitentfernte Verbände der Luftwaffe (in Afrika, Russland, Norwegen) waren sogenannte „Fliegende Werkstätten“, bestehend aus jeweils zwei Ju52-Transportmaschinen, zuständig. Ihre Aufgabe war die „behelfsmäßige Instandsetzung und Wartung von Zelle, Motor und Geräten, insbesondere Beseitigung von Beschussschäden mittels Sprengniet-Verfahren“.

Namhafte deutsche Flugzeughersteller setzten bei ihren Neubauten Sprengnieten ein. Doch der erste serienmäßige Einsatz der Sprengnietung erfolgte bei der Produktion der Heinkel He114 in Rostock.

Insgesamt wurden in den Jahren 1939 bis 1945, nach Angaben des Herstellers RWS, ca. 600 Millionen Sprengnieten in 40 verschiedenen Abmessungen gefertigt.

Sprengnietverbindungen
Abb. 9: Verschiedene Sprengniet-Verbindungen (Ausschnitt einer Lehrtafel der Ernst Heinkel Flugzeugwerke Rostock)
Übersicht Sprengnieten
Abb. 10: Übersicht der verschiedenen Sprengnieten

Nietung mittels Sprengstoff heute nicht mehr aktuell

Nach dem 2. Weltkrieg spielte die Sprengnietung keine große Rolle mehr, da die Flugzeugproduktion stagnierte und andere Nietverbindungen (ohne Sprengstoff) sowie der verstärkte Einsatz der Schweißtechnik ihr den Rang abliefen.

Nur zahlreiche Zeitzeugen, die 1945 als Kinder oder Jugendliche beim Stöbern in zerstörten und verlassenen Werkstätten und Lagergebäuden kartonweise Sprengniete fanden, berichten von „schönen“ Streichen, die sie damit anstellten.

Und das Auflegen dieser Sprengnieten auf Bahnschienen war noch einer der harmloseren Streiche…

Bildnachweise und Quellen

Bildnachweise:

Abb. 1, 2: phanTECHNIKUM, Wismar
Abb. 3, 4: Patentdatenbank, Technisches Museum M-V
Abb. 5: Jürgen Bartsch
Abb. 6: 100 Jahre Werk Stadeln, Dynamit Nobel GmbH
Abb. 7, 9: Wehrtechnikmuseum in Röthenbach an der Pegnitz
Abb. 8, 10: Beschreibung und Wirkungsweise sowie Bedienung und
Wartung bei Anwendung der Sprengnietung
, RWS

 

Kontakt des Autors:
Jürgen Bartsch
juergen (at) blaster-germany.de

Quellen:

[1] Albrecht, M. (Berlin): Heinkels Sprengniete gehen um die Welt. ZEITGESCHICHTE regional 1/2007
[2] Ritter von Herz, E. (Köln): Sprengniet – Prof. Heinkel – Dynamit-Actien-Gesellschaft. EXPLOSIVSTOFFE März/April 1954
[3] Ritter von Herz, E. (Köln): Der Sprengniet unter besonderer Berücksichtigung der Entwicklung und der Sprengstoffseite. EXPLOSIVSTOFFE März/April 1954
[4] Dynamit Nobel GmbH (1996): 100 Jahre Werk Stadeln
[5] Rheinisch-Westfälische Sprengstoff-A.G. (Nürnberg, April 1941) Beschreibung und Wirkungs weise sowie Bedienung und Wartung bei Anwendung der Sprengnietung
[6] Flugsport Nr. 5: Illustrierte flugtechnische Zeitschrift, Frankfurt a. M., März 1938
[7] Energie Heft 2: Technische Fachzeitschrift, Berlin, Februar 1941

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