Sicherheit und Qualität von Schäkeln

Einführung

Schäkel haben sich als die wichtigsten Verbindungselemente für Slacklineaufbauten etabliert. Gegenüber Karabinern weisen sie den deutlichen Sicherheitsvorteil auf, dass sie gegenüber mehraxialer Belastung unempfindlicher sind. Bezüglich Form und Verschluss besitzen Schäkel auch einige Vorteile gegenüber Schraubgliedern. Ihre symmetrische und große, runde Formgebung ist ideal für die Anbindung von textilen Schlingen, Bändern und Seilen. Vor allem für die Verwendung im Hauptlastpfad von Long- und Highlines sind Schäkel als nahezu alternativlos anzusehen. Vielfach dienen sie als zentrale Elemente des Aufbaus.

Schäkel sind aus diesem Grund sehr sicherheitsrelevante Bauteile. Ihre Funktion muss unter allen erdenklichen Lastszenarien und über ihre gesamte Verwendungsdauer zu 100% erfüllt werden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden muss der verwendete Werkstoff, das angewandte Fertigungsverfahren und die Leistungsfähigkeit (d.h. die Bruchlast) sorgfältig definiert und während der Produktion kontinuierlich kontrolliert werden.

Werkstoffe für Schäkel

Stahl ist der gebräuchliche Werkstoff für Schäkel. Hierbei wird zwischen rostbeständigen Edelstahl und nicht rostfreiem Stahl unterschieden. Sowohl Edelstähle als auch nicht rostfreie Stähle sind in vielfältigsten Varianten (sogenannten Legierungen) erhältlich. Insbesondere für rostende Stähle werden sehr hochfeste Varianten für Schäkel verwendet. Die hochfesten Eigenschaften z.B. bei den Van Beest Green Pin Schäkeln werden durch einen speziellen Härtungsprozess (der sogenannten Vergütung) erreicht. Die Van Beest Green Pin Schäkel werden außerdem mit einer Feuerverzinkung gegenüber Korrosion geschützt.

Da Edelstahl im allgemeinen teurer als ein rostender Stahl ist, beschränkt man sich bei den meisten Edelstahlschäkeln auf nicht gehärtete Varianten. Diese bieten einen guten Kompromiss aus Kosten und Bruchlast / Gewicht . Schäkel aus hochfesten und gehärteten Edelstählen (z.B. 17-4 PH), wie z.B. die Petersen Hi-Mod sind zu einem entsprechend höheren Preis erhältlich. Diese bieten den Vorteil, dass man eine deutlich höhere Bruchlast bei gleichem Gewicht aus den Schäkeln herausholen kann.

Eine neue Entwicklung, speziell für den Slacklinebereich, sind Schäkel aus hochfestem Aluminium, wie z.B. der Landcruising AirBow, welche sich vor allem durch ein sehr geringes Gewicht, eine slacklinespezifische Formgebung sowie vereinfachtes Handling auszeichnen.

Fertigungsverfahren

Für die Herstellung von Schäkeln besitzen zwei Fertigungsverfahren wesentliche Bedeutung. Zum einen das Heiß-Schmieden und zum anderen das Feingussverfahren. Beide Verfahren unterscheiden sich vor allem bezüglich Herstellungskosten und den resultierenden Materialeigenschaften. Feinguss kommt bei preiswerten Schäkeln zum Einsatz da es ein kostengünstigeres Verfahren gegenüber Schmieden ist. Feinguss hat jedoch mehrere sicherheitsrelevante Nachteile. Die folgende Tabelle stellt Vor- und Nachteile beider Fertigungsverfahren vergleichend dar:

Die deutlich besseren Materialeigenschaften beim Schmieden resultieren aus der Formung unter hohem Druck und hoher Temperatur. Hier kann sich die Metallstruktur entlang der Geometrie belastungsgerecht ausrichten. Im Gegensatz dazu erstarrt beim Feinguss eine flüssige Metallschmelze in ihrer Form, die resultierende Metallstruktur ist eher kristallin und nicht belastungsgerecht ausgerichtet. Dies hat deutliche Auswirkungen auf die Verformungs- , Bruch- , und Dauerschwingfestigkeit. Hier weisen geschmiedete Schäkel signifikant bessere Werte auf, was wiederum für die Performance eines Schäkels sehr wichtig ist. Geschmiedete Schäkel sind langlebiger, robuster, leistungsfähiger und sicherer. Insbesondere für geschmiedete Schäkel gilt: dass sie nicht plötzlich brechen, sondern sich frühzeitig bei Überschreitung der maximalen Arbeitslast verformen. Ein nicht unerheblicher Sicherheitsaspekt, da eine Überlastung auch optisch erkennbar ist. 

Zudem ist die Streuung der Festigkeitseigenschaften bei geschmiedeten Schäkeln deutlich geringer als bei Feingussschäkeln. Gegossene Produkte können eine variierende Mikroporosität und gar größere innere Fehlstellen (sogenannte Lunker) aufweisen. Diese Schwankungen werden bei den meisten preiswerten Schäkeln aus Fernost nicht erfasst. Es muss also eine deutliche Varianz der Festigkeitswerte angenommen werden, auch wenn die Schäkel von außen nahezu identisch aussehen.

Qualtätssicherung

Neben der  Werkstoffauswahl und dem geeigneten Fertigungsverfahren spielt eine durchgängige Qualitätssicherung eine herausragende Rolle für die Fertigung von sicheren Bauteilen. Die Basis bildet ein Werkstoffzertifikat und Ursprungszeugnis für das verwendete Rohmaterial. Im Falle von geschmiedeten Edelstahlschäkeln ist das Ausgangsmaterial üblicherweise eine lange, runde Stahlstange. Weitergehend muss das Fertigungsverfahren samt seiner Parameter (z.B. Aufwärmtemperatur, Pressendruck, Haltezeiten, Anzahl der Schmiedestufen etc.) zertifiziert, kontrolliert und dokumentiert werden. Nur so lässt sich eine kontinuierliche Produktqualität gewährleisten. Final wird die Festigkeit des Schäkels in regelmäßigen Abständen geprüft, entweder chargenbezogen (z.B. 3 Stück von 1000) oder wie bei Petersen anhand einer “Proof Load” individuell bei jedem Schäkel.

Für die Van Beest Green Pin Schäkel aus niederländischer Fertigung bestehen sehr eng festgelegte Normen nach EN 13889. Hier sind die Anforderungen und einzelnen Schritte der Qualitätssicherung genau definiert. Van Beest Green Pin Schäkel besitzen also eine sehr hohe Produktsicherheit.

Für Edelstahlschäkel aus dem Marinebereich, wie sie sehr häufig im Slacklinesport eingesetzt werden, existieren so gut wie keine Normen. Außerdem unterscheiden sich die jeweiligen Hersteller deutlich bezüglich ihrer Qualitätssicherungspolitik. Für den Großteil preiswerter Edelstahlschäkel existiert keine von außen nachvollziehbare Dokumentation der Qualitätssicherung. Meistens ist sogar der Hersteller nicht bekannt, da z.B. europäische Importeure ihre Hersteller nicht nach außen kommunizieren und öfters wechseln. Ausnahmen bilden hier nur die hochpreisigen Schäkel der renommierten Hersteller.

Für Schäkel welche in Slacklineaufbauten mit hohen Sicherheitsanforderungen (Tricklines und Longlines mit hoher Spannung, Highlines generell) verwendet werden, sollte eine durchgängig nachvollziehbare Dokumentation der Qualität unbedingte Voraussetzung sein. Kein Kletterer würde z.B. ungeprüfte und nicht genormte Karabiner aus dem Baumarkt verwenden um sich in der Höhe zu sichern. Das wäre absurd. Für das Highlinen ist derzeit die Verwendung von nicht geprüften und nicht genormten Edelstahlschäkeln eine weitverbreitete Praxis. Welche Sicherheitsrisiken birgt dies?

Risiken von nicht zertifizierten Produkten

Bei nicht zertifizierten Produkten existiert kein Nachweis, dass der Schäkel die Festigkeit besitzt mit welcher er beworben und verkauft wird. Im Extremfall bedeutet dies, dass ein preiswerter Edelstahlschäkel welcher mit 60kN Bruchlast beworben wird, auch bei z.B. 20 kN schon brechen kann (weil er z.B. aus einem minderwertigen Material gefertigt wurde und eine große, innere Fehlstelle aufweist). Wenn dieser Schäkel nun in der Praxis stark beansprucht wird z.B. durch eine ungünstige Dreiecksbelastung oder eine anhaltende Dauerschwellast mit großen Amplituden, wird sein Einsatz zum Roulette-Spiel. Im ungünstigsten Fall bricht dieser Schäkel ohne vorherige Anzeichen/Warnzeichen  und und wird zum gefährlichen Geschoss für den Slackliner oder unbeteiligte Dritte. Im Falle einer Highline kann er das vielzitierte erste Glied in der Abfolge einer tragischen Ereignisskette sein (Mainline versagt durch Bruch des Schäkel, Backup versagt ebenfalls da Abrasionsschutz nicht ausreichend war etc.).

Welche Konsequenzen sind hieraus zu schließen?

Schäkel mit unzureichender Qualitätssicherung und Dokumentation sollten nur bei Slacklines in Absprunghöhe und mit geringer Spannung verwendet werden. Außerdem sollte die WLL mit einem höheren Sicherheitsfaktor definiert werden um einen zusätzlichen Risikopuffer zu erhalten.

Minimale Bruchlast (MBS) und Arbeitslast (WLL)

Die beiden Parameter minimale Bruchlast (MBS) und maximale Arbeitslast (WLL) sind im Slacklinen mittlerweile fest etablierte Größen. Insbesondere mit der WLL kann eine sichere Verwendung des Schäkels vorgegeben werden. Das Verständnis darüber wie eine WLL berechnet werden sollte variiert noch sehr stark. Wie groß sollte der Sicherheitsfaktor zur minimalen Bruchlast (MBS) sein?

Eine gute Orientierungsgröße ist hierbei die EN 13889, welche für die Van Beest Green Pin Schäkel gilt. In dieser Norm wird ein Mindestsicherheitsfaktor von 5 vorgegeben. Van Beest selber verwendet sogar einen Sicherheitsfaktor von 6.  Generell ist ein höherer Sicherheitsfaktor im Slacklinen vorzuziehen, da ja keine Gegenstände die Lasten einbringen (wie in der Hebetechnik) sondern Menschen auf den gespannten Aufbauten balancieren und auch hineinstürzen. Aus diesem Grund sollte aus unserer Sicht der Sicherheitsfaktor im Slacklinesport für geprüfte Stahlschäkel mindestens 6 betragen. Auf dieser Sicherheit basieren unsere WLL-Angaben. Für ungeprüfte Schäkel schlagen wir einen Sicherheitsfaktor von 8 vor mit der gleichzeitigen Beschränkung auf Absprunghöhe. 

Mehr zum Thema MBS und WLL werden wir in einem kommenden Blogartikel schreiben.

Welcher Schäkel ist für mich geeignet?

Für die Auswahl des geeigneten Schäkels kommen folgende Kriterien in priorisierter Reihenfolge in Frage:

1. Sicherheitsanforderungen (geprüfte vs. ungeprüfte Schäkel)
2. Funktionsanforderungen (Geometrie, Interface, Kompatibilität, Maulweite etc.)
3. Budget
4. individuelle Prioriäten

Wenn die Sicherheitsanforderungen sehr hoch sind empfehlen wir unbedingt Schäkel mit geprüfter und nachvollziehbarer Qualität, welche garantiert im Schmiedeverfahren hergestellt wurden. Aktuell kann man hierbei nur zwischen den günstigen Van Beest Green Pin Schäkeln und kostenintensiven, geschmiedeten Edelstahlschäkeln von Petersen oder Wichard wählen.

Die existierende Angebotslücke eines erschwinglichen, geschmiedeten Edelstahlschäkels mit durchgehender Qualiätssicherung wollen wir nun mit unseren neuen Schäkelmodellen aus westeuropäischer Fertigung schließen. Für unsere neuen EU Edelstahlschäkel liegen uns Werkstoffzeugnis, Schmiedeprozesszeugnis und Bruchlastzeugnis seitens des Herstellers vor. Ein zusätzliches sehr nützliches Feature der EU Edelstahlschäkel ist der sogenannte Captive Pin. Der Schraubbolzen verbleibt bei vollständiger Öffnung fest am Schäkel, erleichtert so das Handling und verhindert den unbeabsichtigten Verlust.

Angaben zum Autor: Stefan ist Dipl.-Ing. Maschinenbau mit den Schwerpunkten Leichtbaudesign und Faserverbundkonstruktion. Innerhalb seines Studiums und seiner praktischen Arbeitstätigkeit für die Luftfahrtindustrie hat er sich insbesondere auch mit der Festigkeitsauslegung und dem Versagensverhalten von mechanischen Bauteilen und der Qualitätssicherung von Fertigungsprozessen auseinandergesetzt.