Wie funktioniert ein Reißverschluss? Schieber und Zähne

Was das Modell zeigt

Ein Reißverschlussschieber führt zwei versetzte Zahnreihen durch einen enger werdenden Kanal zusammen, sodass ihre Köpfe ineinandergreifen. In Gegenrichtung trennt er die Reihen um den inneren Steg herum. Die Zähne halten einander fest, ohne Feder oder bewegliche Klinke in jedem Zahn.

Ein Zug am Jackenreißverschluss verbindet zwei lose Kanten in weniger als einer Sekunde zu einem Streifen. Zurückgeschoben fallen sie wieder auseinander. Im Schieber dreht, klickt oder federt nichts. Woher weiß er also, ob er die Zähne verbinden oder lösen soll?

Das Modell zeigt einen Metallreißverschluss in zehnfacher Vergrößerung: Ein Millimeter wird auf dem Bildschirm zum Zentimeter. Es hat je 26 Messingzähne auf zwei Stoffbändern, einen Schieber mit Griff, zwei obere und ein unteres Endstück. Der Schieber lässt sich mit Maus oder Finger an der Kette entlangziehen oder über den Regler Schieber bewegen. Die Anzeige zählt, wie viele der 52 Zähne gerade verbunden sind. Tempo verlangsamt den Ablauf. Innenansicht macht den Schieberkörper durchsichtig und zeigt den Durchgang der Zähne.

Abgenutzter Schieber verbreitert das schmale Ende um einen Bruchteil eines Millimeters, wie es jahrelanger Gebrauch bei einem billigen Schieber bewirken kann. Die austretenden Zähne zeigen die Folge. Weitere Regler stellen andere Fehler nach: schrägen Zug, einen fehlenden Zahn und Querzug mit oder ohne Sperre. Schieberschnitt öffnet den Körper auf Zahnhöhe. Zahnvergrößerung zeigt drei noch größere Zähne beim Eingreifen in Zeitlupe.

Die gleiche Kette lässt sich durch sechs weitere Typen ersetzen: Spirale, Kunststoffspritzguss, nahtverdeckt, wasserdicht, zwei Schieber und teilbar. Die Größe reicht von No. 3 bis No. 10. Als Einbauorte dienen Jacke, Tasche, Zelteingang, Raumanzug oder Jeans. Unter den Reglern liegt ein Labor mit fünf Aufgaben, einer Größentabelle und 57 belegten Beispielen aus Geschichte und Anwendung.

Zwei Reihen kleiner Becher

Ein einzelner Zahn an einem offenen Reißverschluss ist auf die dicke Kordelkante des Bandes geklemmt. Sein freies Ende, der Kopf, ist zu einem kleinen Becher gepresst. Auf einer Seite ragt dieser als Höcker hervor, auf der anderen bleibt eine Mulde. Gideon Sundbacks Patent von 1917 beschreibt die Zähne genau so: „vorspringende Verriegelungsteile von länglicher Becherform, sodass die Außenseite eines Teils im verriegelten Zustand in der Vertiefung eines benachbarten Teils liegt“.

Damit ist ein Großteil des Prinzips erklärt. Die Zähne beider Bänder sind versetzt. Geschlossen wechseln ihre Köpfe entlang der Mittellinie zwischen links und rechts. Jeder Kopf reicht über die Mitte in die Lücke zwischen zwei Köpfen der Gegenseite, sein Höcker sitzt in der Mulde des Nachbarn. So entsteht eine Säule ineinandergestellter Becher, in der jeder Zahn von beiden Nachbarn gehalten wird.

Querzug trennt die Bänder nicht: Die Höcker müssten gerade aus den Mulden austreten, doch die benachbarten Zähne versperren den Weg. Auch längs halten die ineinandergreifenden Becher fest. Das Patent nennt einen leicht übersehenen Vorteil: Alle Zähne sind gleich. Der Versatz erlaubt dasselbe Teil auf beiden Bändern und damit eine billige Fertigung in Millionenstückzahlen.

Der Y-Kanal schließt die Kette

Wenn ein Höcker aus seiner Mulde gehoben werden muss, braucht es dafür eine Führung. Diese Aufgabe übernimmt der Schieber. Sein Inneres bildet einen Y-förmigen Kanal. Jeder Arm nimmt eine Zahnreihe auf; der Stamm ist gerade breit genug für die geschlossene Kette.

Mit eingeschalteter Innenansicht und niedrigem Tempo lässt sich ein Zahnpaar verfolgen. Beim Hochziehen laufen die Reihen ihre Arme hinunter und müssen sich zum Eintritt in den Stamm biegen. Im Modell fächert die Biegung die Reihe auf: Am Band bleiben die Zähne dicht beieinander, während ihre Köpfe auseinandergehen. Der Winkel zwischen Nachbarzähnen desselben Bandes öffnet eine Lücke. Ein Kopf der Gegenseite gleitet schräg hinein. Am Stamm ist die Reihe wieder gerade, die Lücke geschlossen und der Höcker sitzt in der benachbarten Mulde.

Sundbacks Patentansprüche beschreiben die dazu nötigen Führungsflächen. Jeder Vorsprung hat ein geneigtes Ende, das „in die vertiefte Seite des Teils übergeht, um das zusammenwirkende Teil darüber und in Eingriff zu führen“. Ein leicht versetzt ankommender Kopf wird also durch die Schräge des nächsten Zahns in seine Lage geführt.

Der Keil öffnet wieder

In Gegenrichtung trifft der Stamm zuerst auf die geschlossene Kette. Am breiten Ende sitzt zwischen den beiden Armen ein fester Pfosten mit abgerundeter Spitze. Er heißt oft Diamant. Das Patent beschreibt eine Kappe „mit einer Spitze, die zwischen die auseinanderlaufenden Kanäle passt“. Hier heißt das Teil Keil.

Beim Absenken ziehen die Arme die Reihen nach außen und biegen sie erneut. Die Lücken zwischen den Köpfen öffnen sich, und jeder Höcker kann aus seiner Mulde austreten. Der Keil besetzt den entstehenden Zwischenraum und hält die Köpfe auseinander. Er muss kein verbundenes Paar allein aufsprengen: An seiner Spitze hat die Biegung das Paar bereits gelöst. Im Modell ist das bei niedrigstem Tempo und senkrechtem Blick durch den transparenten Schieber besonders gut zu sehen.

Das beantwortet die Ausgangsfrage. Der Schieber kennt seine Bewegungsrichtung nicht. Derselbe Kanal biegt die Reihen in beiden Richtungen. Ob die Zähne am Ende verbunden sind, hängt nur davon ab, durch welches Ende des Y sie eintreten.

Die Zahlen des Modells

Die Patentzeichnungen zeigen die Zahnform, aber keine Maße. Die hier gewählten Modellwerte sollen wie ein üblicher Metallreißverschluss aussehen und funktionieren. Die Angaben machen deutlich, was dargestellt wird.

• Zahnteilung: alle 2,54 mm ein Zahn je Band, also zehn pro Zoll. Die National Inventors Hall of Fame schreibt, Sundback habe die Zahl von vier auf zehn Elemente pro Zoll erhöht. Ob dies je Band oder für die ganze Kette gilt, steht dort nicht. Die Anwendung je Band ist deshalb eine Modellentscheidung, keine Messung.
• Zahndicke: 1,2 mm in Kettenrichtung. Zwei Zähne, einer je Band, füllen eine Teilung und lassen zwischen den Flächen 0,07 mm frei.
• Kopf: reicht 0,9 mm über die Mittellinie. Der Becher ist 0,35 mm tief.
• Kanal: Die Reihen treffen auf einer Kurve zusammen, die jede Reihe auf den ersten 3 mm um 0,05 mm mal dem Quadrat des Abstands spreizt. Danach folgen sie einer Steigung von 0,3, etwa 17 Grad zur Mittellinie. An der Mündung, 10,5 mm vom Treffpunkt entfernt, liegt jede Reihe 2,7 mm neben der Mitte.
• Keil: beginnt 7,5 mm im Kanal und wächst mit dem Zwischenraum. Zu den Köpfen hält er mindestens 0,45 mm Abstand.

Diese Werte wurden vor dem Modellbau rechnerisch geprüft. Für jede Schieberposition in Schritten von 0,16 mm wurden die Zahnoberflächen gegen alle nahen Zähne, Schieberwände und den Keil getestet. Bei einem einzelnen neuen oder abgenutzten Schieber sowie beim teilbaren Typ mit Stift überschneidet sich nichts. Beim Öffnen und Schließen durchdringen sich die Zähne deshalb nicht.

An drei Stellen findet die Prüfung Überschneidungen, die das Modell ausdrücklich zeigt. Hinter einer durch Schrägzug geöffneten Stelle, an einem fehlenden Zahn und beim Eintritt in den unteren Zweiwege-Schieber schließen die Reihen bei der Aufwärtsbewegung ohne Führung durch den Kanal. Die starren Zähne treffen nahezu frontal aufeinander und überschneiden sich um bis zu 0,6 mm. Echte Zähne verdrehen sich etwas und das Band gibt nach. So gelingt derselbe Übergang ohne Metall durch Metall.

Eine Zahl ist unmittelbar ablesbar. Am unteren Endstück bleiben 2 der 52 Zähne verbunden, oben sind es alle 52. Dazwischen verbindet oder löst jeder Schieberweg von einer Teilung, 2,54 mm, einen Zahn je Band.

Endstücke und Griff

Ohne Endstücke würde der Schieber an beiden Enden ablaufen. Oberhalb des letzten Zahns trägt jedes Band eine kleine Metallklammer. Diese oberen Endstücke treffen in den Armen auf den Schieber und stoppen ihn. Unten hält eine einzelne Klammer beide Bänder unter den ersten Zähnen zusammen und verhindert weiteres Öffnen. Sundbacks Patent enthält beides: Endstücke, die „in den Schieber eintreten und seine Schließbewegung beim Aufeinandertreffen begrenzen“, sowie Verbindungsglieder zwischen den beiden Zahnbändern am anderen Ende.

Der Griff hängt an einem kleinen Bügel oben auf dem Schieber. Im Patent steht ein „Ring, in den ein Betätigungsband oder Bügel eingesetzt werden kann“. Im Modell schwenkt der Griff wie beim Vorbild in Zugrichtung und fällt beim Loslassen zurück.

Warum die Kette aufspringt

Ein hinter dem Schieber aufspringender Reißverschluss hat nicht zwangsläufig einen gebrochenen Zahn. Die Verbindung entsteht im Schieber. Ein abgenutzter oder aufgebogener Kanal kann die Reihen nicht mehr fest genug zusammenpressen, selbst wenn jeder Zahn unbeschädigt ist.

Mit Abgenutzter Schieber wird das sichtbar. Das schmale Ende ist nun zu breit. Die Reihen erreichen den Stamm, ohne vollständig zusammengedrückt zu werden. Ihre Köpfe treten nebeneinander aus, die Höcker liegen außerhalb statt innerhalb der Mulden. Nichts hält sie fest. Die Kette bleibt dahinter offen, und die Zahl verbundener Zähne steigt nicht weiter.

Eine übliche Reparatur besteht darin, das hintere Schieberende mit einer kleinen Zange ganz leicht zusammenzudrücken. Vorsicht ist nötig: Das kleine Gussteil kann brechen. Ist der Schieber nur schwergängig, warnt der YKK-Katalog vor Gewalt, weil die Zähne falsch eingreifen könnten. Stattdessen Paraffin oder Wachs auf beide Zahnseiten reiben und den Schieber hin und her bewegen.

Sieben Typen im Modell

Der Metallreißverschluss ist die älteste Art und Sundbacks patentierte Ausführung. YKK unterscheidet heute im Katalog drei Familien: Metall, Spirale und Kunststoffspritzguss, bei YKK VISLON genannt. Der Regler Reißverschlusstyp und die Laborschaltflächen wählen die Ausführungen. Alle verwenden denselben Schieber und dieselbe Kettenanordnung. Das erklärte Prinzip bleibt bestehen.

Spirale. Statt einzelner Zähne windet sich ein Polyester- oder Nylonfaden entlang jeder Bandkante. Jede Windung bildet einen Kopf. Die Köpfe beider Spiralen greifen im Schieber wie Metallköpfe ineinander. Laut Katalog ist dies die weichste der drei Arten. Sie biegt sich leicht und wird im Modell am gekrümmten Zelteingang eingesetzt. YKKs Produktchronik führt Nylonreißverschlüsse für 1952 auf.

Kunststoffspritzguss. Jeder Zahn wird direkt auf das Band gespritzt. Als Material nennt der Katalog Polyacetal (POM), das leichter als ein gleich großer Metallreißverschluss ist. Die Zähne sind massiger, mit einem hohen Block über der Kordel und einem breiten, flachen Becher. YKK verkaufte diese Art erstmals 1961 als Delrin-Reißverschluss.

Nahtverdeckt. Das Band wird über die Spirale zurückgefaltet. Von vorn treffen sich zwei Faltkanten; Zähne sind nicht zu sehen. YKK datiert CONCEAL auf 1958. Der Katalog empfiehlt ihn für Kleider und Röcke, da er die Stofffläche nicht unterbricht. Die Innenansicht macht die Falte durchsichtig.

Wasserdicht. Eine Spirale lässt sich nach innen wenden. YKKs AquaGuard ist standardmäßig so aufgebaut, mit einem auflaminierten Polyurethanfilm auf dem Band. Seine Kanten treffen sich mittig und decken die Nähte ab. PROSEAL verwendet dagegen fest zusammengepresste Neusilberzähne auf Gummi- oder Kunststoffband, um Wasser und Luft abzuhalten. Der Katalog nennt 0,2 bis 1,0 bar Wasserdruck. Die Luftprüfung gilt als bestanden, wenn 15 Sekunden lang keine Blase aufsteigt.

Zwei Schieber. Der Katalog zeigt Kopf-an-Kopf- und Unterseite-an-Unterseite-Anordnungen. Das Modell verwendet die zweite. Der obere Schieber arbeitet gewöhnlich. Der untere ist umgedreht, sein breites Ende zeigt nach unten. Hochgeschoben öffnet er die Kette unter sich; zwischen beiden bleibt sie geschlossen. Beide lassen sich ziehen, der untere auch über Unterer Schieber.

Teilbar. Eine Jacke muss vollständig auseinandergehen und hat deshalb kein unteres Endstück. Der Katalog nennt einen Steckkasten mit festem Kastenteil an einem Band und einen Steckstift am anderen. Der Schieber ruht auf dem Kasten. Der Stift wird durch den Schieber in den Kasten geführt und richtet die Reihen für den Beginn aus. Laut Anleitung zuerst ganz absenken, den Stift vollständig einführen, die Stiftseite halten und den Schieber hochziehen. Der Regler Steckstift zieht den Stift heraus und steckt ihn wieder ein.

Die Größennummer bezeichnet die Kettenbreite

Die Nummer ist keine beliebige Modellkennung. Der YKK-Katalog klassifiziert nach der Breite der verbundenen Zähne gemäß JIS S 2015:2019. No. 3 gehört zu Leicht (4,0 bis 5,5 mm), No. 5 zu Mittel (5,5 bis 7,0 mm), No. 8 zu Mittelschwer (7,0 bis 8,5 mm), No. 10 zu Schwer (8,5 bis 12,0 mm). Die Labortabelle führt sie auf.

Die Norm legt auch Festigkeiten fest. Eine mittlere Metall- oder Kunststoffkette auf Chemiefaserband muss quer 300 N halten, eine Spiralkette 450 N. Ein gesperrter Metallschieber auf einem No. 5 aus Metall muss vor dem Verschieben 40 N aushalten. Das No.-5-Modell ist 6,6 mm breit und liegt damit in seiner Klasse. Größe skaliert das ganze Modell auf passende Kettenbreiten von 4,8, 6,6, 7,8 und 10 mm.

Auch der Stoff zählt. Ein Katalogfall beschreibt einen No. 3 auf dickem Stoff mit gebrochenen unteren Teilen. Die Antwort empfiehlt bei dickem Stoff No. 4 oder größer.

Warum der Verschluss geschlossen bleibt

Frühe Reißverschlüsse hatten keine Sperre. YKK erklärt die Folge: Beim Gehen konnte die Schwerkraft den Schieber abwärts ziehen und die Kleidung öffnen. Ein Sperrstift verhindert das. Beim selbstsperrenden Schieber fällt er nach Loslassen des Griffs zwischen die Zähne. Ziehen am Griff hebt ihn an. Jeansschieber sperren halbautomatisch beim flachen Herunterdrücken des Griffs. Ein Stiftsperrer drückt Stifte an dessen Unterseite in die Zähne.

Im Modell zeigt Sperrstift das Teil unter dem Bügel. Bei eingeschaltetem Seiten auseinanderziehen und ausgeschalteter Sperre drückt der Stoffzug den Schieber hinab. Die Jacke öffnet sich allmählich von selbst. YKK Asia nennt Gepäck als Haupteinsatz für Schieber ohne Sperre, weil dort freie Bewegung erwünscht ist.

Fehler und ihre Ursachen

Jede Laborschaltfläche stellt einen Fehler nach. Die Problemliste im Katalog erklärt die meisten davon.

• Schräger Zug. Laut Katalog verformt diagonales Hochziehen eines nahtverdeckten Schiebers die Zähne, bis sie nicht mehr eingreifen. Weiterer Zwang zerstört ihn. Im Modell bleiben bei mehr als 12° Zugwinkel, einem Modellwert, offene Reihen zurück. Zur Reparatur gerade ausrichten, unter die offenen Reihen absenken und wieder hochziehen.
• Fehlender Zahn. Die Nachbarzähne haben keinen Gegenhalt. Liegt die Lücke unter dem Schieber und zieht der Stoff quer, öffnet sich die Kette dort. Die Laboraufgabe fragt nach der höchsten haltbaren Schieberposition.
• Abgenutzter Schieber. Wie beschrieben treten die Reihen nebeneinander aus, ohne ineinanderzugreifen.
• Stift nicht ganz eingesteckt. Bei einem teilbaren feinen Spiralreißverschluss lässt sich der Schieber mit halb eingeführtem Stift gewaltsam hochziehen. Das beschädigt die unteren Teile.
• Überfüllte Tasche. Gewalt beschädigt Zähne und Band. Zuerst etwas herausnehmen und die Seiten zusammenführen.
• Stoff eingeklemmt. Den Schieber vorsichtig zurückbewegen und dabei den Stoff lösen.
• Hitze und Chemikalien. Der Katalog nennt Bügelgrenzen von 160 °C für Spirale und nahtverdeckt, 150 °C für den gestrickten FLATKNIT und 130 °C für VISLON aus Spritzguss. Schwefel in Gummibändern korrodiert Zähne. Manche Schieber enthalten Nickel; für Hautkontakt gibt es nickelfreie Teile.

Reißverschlüsse, die Luft zurückhalten

Druckanzüge gehören zu den anspruchsvollsten Einsätzen. Laut NASA-Faktenblatt waren die Project-Mercury-Anzüge modifizierte Navy-Fluganzüge von B.F. Goodrich. Das Anziehen endete mit dem Schließen des Einstiegs und dem Befestigen einer Verstärkung über dem Schieber. Goodrichs Apollo-Entwurf Mark V, heute im National Air and Space Museum, hatte einen diagonalen Rumpfverschluss. Für drei nebeneinander sitzende Astronauten war er jedoch zu breit.

Laut ASME-Broschüre hatte Apollo zwei Rumpfverschlüsse. Innen hielt ein druckdichter Reißverschluss den Sauerstoff, außen nahm ein weiterer Schiebeverschluss die Lasten auf, damit der innere nicht beansprucht wurde. Seine Lebensdauer war kurz. Eine NASA-Veröffentlichung zum Shuttle-Anzug nennt etwa 50 Öffnungs- und Schließzyklen und ungefähr drei Wechsel je Apollo-Fluganzug vor dem Start. Beim Shuttle verband stattdessen ein Metallring Ober- und Unterrumpf.

Eingenäht in setzt das Modell in Jacke, Tasche, Zelteingang, weißen Anzug oder Jeans. Der Stoff hat denselben Maßstab wie der Reißverschluss. Er zeigt die Lage der Bänder, ohne einen bestimmten Gegenstand nachzubilden.

Unterschiede zum echten Reißverschluss

Ein echter Reißverschluss hat etwas Spiel. Im Patent von 1917 ist jeder Zahn ein kleiner Becher, dessen Außenfläche in der Vertiefung des Nachbarn liegt. Vorsprünge und Vertiefungen sind so bemessen, dass sie beim seitlichen Biegen nicht aneinanderstoßen. Die Modellzähne sind starr. Deshalb werden die Reihen etwas stärker gebogen als beim Vorbild.

Die Modellbänder sind eine rechnerisch gezeichnete Webtextur und bleiben flach auf dem Tisch. Echte Bänder sind in Kleidung eingenäht und ziehen quer an den Zähnen. Auch deshalb wächst eine offene Stelle bei abgenutztem Schieber weiter. Das Modell setzt den Schieber aus einfachen Platten zusammen. Ein echter ist ein einziges Gussteil mit fließender wechselnder Innenform.

Spiral- und Spritzgusstypen haben eigene Zahnformen, verwenden aber dieselbe Anordnung wie der Metalltyp. Ihre Abstände sind deshalb Modellentscheidungen. Nahtverdeckte Falte, wasserdichter Film und Stoff folgen als Flächen den Bandkanten. Der untere Zweiwege-Schieber bleibt mindestens 18,6 mm vom unteren Ende entfernt, da sein Keil sonst in die Zähne schneiden würde. Ein echter unterer Schieber liegt näher am Endstück.

Vom Klammernschließer zum hakenlosen Verschluss

Whitcomb Judson aus Chicago erhielt am 29. August 1893 zwei Patente: eines für einen „Schuhverschluss“ und eines für einen „Klammernschließer oder -öffner für Schuhe“. Laut Lemelson-MIT Program klemmte der Prototyp häufig, funktionierte aber. Judson und sein Geschäftspartner Lewis Walker nähten ihn in ihre eigenen Stiefel. Auf der Weltausstellung 1893 in Chicago fand er wenig Beachtung. Er verwendete Haken und Ösen statt Becher und sollte Schnürsenkel ersetzen, keine Kleidung schließen.

Die Firma von Judson und Walker stellte 1906 den schwedischen Ingenieur Gideon Sundback ein. Er überarbeitete den Verschluss; Lemelson datiert die zuverlässigere Version auf 1913. Die Anmeldung für den beschriebenen trennbaren Verschluss erfolgte am 27. August 1914, die Erteilung am 20. März 1917 als US-Patent 1,219,881, übertragen an die Hookless Fastener Company in Meadville, Pennsylvania. Die National Inventors Hall of Fame schreibt ihm auch die Maschine zu, die Zähne aus speziellem Y-Draht schnitt und auf das Band klemmte.

Der Name kam später. Die B. F. Goodrich Company verwendete den Verschluss 1923 an Gummiüberschuhen und nannte ihn nach dem Geräusch zipper. Das Smithsonian National Museum of American History bewahrt einen originalen Goodrich Zipper Boot. Sundbacks Patentmodell aus Metall und Stoff, 12 mal 1 Zoll, ist in American Enterprise zu sehen. Laut Museum verbreitete sich der Reißverschluss an Kleidung erst in den 1930er Jahren, als er Knöpfe am Herrenhosenschlitz ersetzte.

In Tokyo gründete Tadao Yoshida im Januar 1934 San-S Shokai zur Herstellung und zum Verkauf von Verschlüssen. 1946 ließ er die Marke YKK eintragen. Die Firmenchronik enthält viele hier gezeigte Typen: Nylon 1952, CONCEAL 1958, Delrin, heute VISLON, 1961 und den wasser- und luftdichten heutigen PROSEAL 1983. YKK nennt heute über drei Millionen Kilometer Jahresproduktion und allein in Japan mehr als 100.000 registrierte Produkttypen.