Kunststoffe Wenn Polymere Metalle ersetzen

Die treibende Kraft bei der Entscheidung, ob ein Bauteil aus einem klassischen Konstruktionswerkstoff wie Stahl und Aluminium oder aus Kunststoff gefertigt werden soll, ist neben dem stark gestiegenen Preis der Metalle vor allem die Gewichtseffizienz des Werkstoffs Kunststoff.

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Die Rahmenbedingungen für den Einsatz von Kunststoffen werden von ihren Materialeigenschaften gesteckt. Dauertemperaturen von mehr als 200 °C sind als kritisch zu betrachten, hier kann ein Kunststoff nicht gegen die Metallalternative bestehen. Auf einige wenige, relativ teure Ausnahmen wird noch eingegangen. Auch bezüglich der Steifigkeit liegt der Kunststoff tiefer als die Metall-Alternativen. Grob kann man dem E-Modul von Stahl, etwa 210.000 MPa, und dem von Aluminium, der bei 70.000 MPa liegt, einen E-Modul von etwa 10.000 MPa eines technischen Kunststoffs mit Glasfaserverstärkung entgegensetzen. Sollen also hochsteife Bauteile konstruiert werden, oder Produkte, die außerordentlich hohen Temperaturen ausgesetzt werden, so wird der Standardwerkstoff auch weiterhin ein Metall bleiben.

Die Vorteile der Kunststoffe: Geringes Gewicht, hohe Leistungsfähigkeit

In sehr vielen Fällen, in denen es auf diese beiden Eigenschaften nicht zu sehr ankommt, wo also Temperaturen unter 200°C auftreten und die Bauteile auf Festigkeit ausgelegt sind, ist Kunststoff heute das Konstruktionsmaterial der Wahl: Die Bruchspannung von Kunststoff kommt bei optimierter Faserorientierung auf das Niveau von Aluminium.

In Sachen Crash, also Widerstandsfähigkeit gegenüber schnellen Stößen, wie sie zum Beispiel auch beim Steinschlag auf Ölwannen auftreten, sind in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht worden. Spezielle Polyamid-Typen, die dazugehörigen Simulationsmethoden und passendes Bauteil-Design haben dazu geführt, dass diese Kunststoffe dieselbe so genannte Crash Performance haben wie Aluminium, bei besserer Voraussagbarkeit. Ein leichtes Kunststoffbauteil wie der Lower Bumper Stiffener am Opel Corsa erfüllt alle Fußgängerschutz- und Versicherungseinstufungs-Richtlinien, ist fast vollständig am Computer entwickelt worden und wiegt etwa die Hälfte einer alternativen Metallkonstruktion.

Gerade gegenüber Aluminium bietet Kunststoff eine viel höhere Konstanz der Eigenschaften. Bei Aluminiumteilen ist wegen der hohen Schwankungsbreite in der Herstellung oft eine Variation der Eigenschaften des Endprodukts von +/- 20 % anzutreffen. Das zieht bei kritischen Teilen eine 100%ige Qualitätskontrolle nach sich. Durch die andere Art der Herstellung sind Eigenschaftsschwankungen bei Kunststoffbauteilen deutlich geringer.

Leichte Verarbeitbarkeit und Designfreiheit der Kunststoffe

Ein wesentlicher Vorteil von Kunststoffen ist ihre leichte Verarbeitbarkeit im Spritzguss und die daraus resultierende Möglichkeit, hoch integrierte Bauteile und ganze Module kompakt und in wenigen Prozessschritten zu fertigen, wo klassisch viele Einzelteile hergestellt und nachträglich miteinander verbunden werden müssen. Diese Eigenschaft wird gerne als Designfreiheit bezeichnet.

Beispiele sind LKW-Ölwannen mit eingearbeiteten Seitentaschen, Zylinderkopfhauben, in die heute bereits Teile von Ansaugmodulen integriert sind und die darüber hinaus Ölabscheider enthalten. Die Ansaugmodule selbst sind durch die Integration von Luftfiltern und Schaltklappen aus den einfachen Polyamid-Ansaugrohren hervorgegangen. Diese Integrationsfähigkeit von Kunststoffbauteilen kommt auch den hohen Packaging-Anforderungen, gerade im Automobilbau, zugute. Denn die Bauteile werden immer komplexer und zahlreicher, müssen sich aber einen immer kleiner werdenden Bauraum teilen.

Im Maschinenbau und vor allem in der Elektronik und Elektrotechnik kommt eine andere Art der Designfreiheit zum Tragen: Speziell modifizierte Kunststoffe lassen sich per Laser direkt strukturieren, so dass die Leiterbahnen auf der dreidimensionalen Oberfläche eines Bauteils effizient angebracht werden können. Besonders „anschmiegsame“ Polyamide können das Problem der Dichtigkeit von sensiblen elektronischen Komponenten lösen und ebenso einfach spritzgegossen werden wie konventionelle Gehäuse-Kunststoffe. Diese Bespiele zeigen, wie sehr auch der Spritzguss zur Weiterentwicklung und Effizienzsteigerung der Werkstoffklasse Kunststoff beiträgt.

Welcher Kunststoff wofür? Von PP bis PEEK

Ein sehr breit eingesetzter technischer Kunststoff ist das glasfaserverstärkte Polyamid (PA). Das erklärt sich durch seine Dauer-Temperaturstabilität bis knapp 200 °C, seine gute Chemikalienbeständigkeit und seine Zähigkeit, die eine hohe Schadenstoleranz – im Karosseriebereich interessant – nach sich zieht. Aufgrund dieser Eigenschaftskombination findet Polyamid besonders im Motorraum und bei Funktionselementen seinen Einsatz. Ansaugrohre, Drosselklappen, Zylinderkopfhauben sind nur einige Standardbeispiele. Spezialtypen gehen heute auch in die Endkappen von thermisch hoch belasteten Ladeluftkühlern.

Demgegenüber steht zum Beispiel ein Polyoxymethylen (POM), auch Polyacetal genannt, das zwar nur Temperaturen bis 100 °Celsius aushält, dafür aber besonders gute Elastizität und Gleitreibeeigenschaften aufweist. Dadurch zeichnet es sich besonders für Clipse und Zahnräder aus. Das oft in der Elektronik und Elektrotechnik verwendete Polybutylenterephthalat (PBT) bietet wiederum, im Fall der glasfaserverstärkten Typen, eine höhere Einsatztemperatur von etwa 160 bis 180 °C und dazu eine sehr hohe Dimensionsstabilität, da es sehr wenig Feuchtigkeit aufnimmt. Diese Eigenschaft kommt dort zum Tragen, wo Elektronik-Gehäuse, Steckverbinder oder opto-elektrische Elemente mit hoher Präzision hergestellt werden müssen und Abweichungen zu Kurzschlüssen oder Fehlfunktionen führen würden.

Zu den Hochtemperatur- oder auch Hochleistungkunststoffen gehören die Polyarylsulfone wie PSU, PESU oder PPSU (Polysulfon, Polyethersulfon, Polyphenylsulfon). Sie lassen sich bis über 200 °C einsetzen und sind heißdampf-sterilisierbar. Pumpenräder und Ölförderteile, Membranen, aber auch Babymilchflaschen, Rohrfittings und Mikrowellengeschirr bestehen oft aus diesen Kunststoffen. Außerdem sind sie überall dort die Werkstoffe der Wahl, wo Hochtemperaturstabilität zusammen mit Transparenz ein Thema ist. Wenn die Forderungen nach Transparenz und Zähigkeit zusammen kommen und die Temperaturanforderungen 120 °C nicht wesentlich übersteigen, wird oft Polycarbonat eingesetzt, auch wenn hier die Chemikalienbeständigkeit weniger hoch ist. Mit den Polyarylsulfonen stehen Materialien wie PEI (Polyetherimide) im Wettbewerb.

Den Anfang und das Ende der Skala bilden Polypropylen (PP) bzw. Hochleistungsspezialitäten wie PEEK. Polypropylen ist ein Werkstoff für die auch mechanisch weniger beanspruchten Bauteile und hält mit Glasfaserverstärkung Temperaturen bis 120 °C aus. PEEK (Polyetheretherketon) übersteht noch höhere Temperaturen als die beschriebenen Polyarylsulfone und bietet gute Gleitreibeeigenschaften. Als teure Spezialität kostet es ein Vielfaches des bereits hochpreisigen PESU. Bei sehr anspruchsvollen, kleinen Funktionsteilen, wenn also der Preis keine zu große Rolle spielt, würde man auf PEEK zugreifen.

Die Materialvorzüge, die hier an Beispielen aus dem Automobilbau dargelegt werden, gelten cum grano salis auch für den breiteren Maschinenbau; das Thema Gewichtsreduktion mag dort von etwas geringerer Bedeutung sein. Dafür zählen dort eventuell Verfahrensvereinfachungen und Modularisierung mehr.

*Dipl.-Ing. Walter Rau, Leiter Anwendungsentwicklung Motorraum/Antriebsstrang in der Einheit Engineering Plastics Europe der BASF

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