Maschinenbau
Substitution von Metallwerkstoffen durch Strahlenvernetzung
Die Strahlenvernetzung von Kunststoffen eröffnet dem Maschinenbau neue Horizonte. Denn durch den gezielten Einsatz ionisierender Strahlung lassen sich die Eigenschaften von Kunststoffen so optimieren, dass sie die hohen Anforderungen im Maschinenbau erfüllen. Zunehmend gelingt es, traditionell verwendete metallische Werkstoffe durch strahlenvernetzte Kunststoffe zu substituieren. So können aus strahlenvernetzten Kunststoffen robuste und langlebige Bauteile hergestellt und völlig neue konstruktive Möglichkeiten in Betracht gezogen werden.
ERSATZ METALLISCHER WERKSTOFFE: Anwendungen strahlenvernetzter kunststoffe
Verbindungselemente und Halterungen
Schrauben, Muttern, Clips und Halterungen aus strahlenvernetzten Kunststoffen bieten eine hohe Festigkeit und Haltbarkeit bei gleichzeitig geringerem Gewicht im Vergleich zu metallischen Alternativen. Dies führt zu einer Gewichtsreduzierung von Baugruppen und ermöglicht Einsparungen bei Herstellungskosten und Materialverbrauch.
Getriebe- und Gleitbauteile
Zahnräder, Wälzlager, Gleitlager und -buchsen aus strahlenvernetzten Kunststoffen bieten im Vergleich zu metallischen Werkstoffen verbesserte tribologische Eigenschaften, reduzierten Verschleiß und folglich eine erhöhte Lebensdauer. Diese Bauteile eignen sich besonders für Anwendungen, die hohen Temperaturen, mechanischen Belastungen und chemischen Einflüssen ausgesetzt sind.
Elektronische Bauteile und Gehäuse
Gehäuse und elektronische Bauteile aus strahlenvernetzten Kunststoffen bieten eine gute Isolation und Schutz vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Chemikalien und elektromagnetischen Störungen. Durch die Substitution von Metallgehäusen können Gewichts- und Kosteneinsparungen erzielt werden, insbesondere bei Anwendungen, bei denen eine hohe Materialdichte vermieden werden soll.
OPTIMIERTES WERKSTOFFPROFIL: STRAHLENVERNETZUNG WERTET KUNSTSTOFFE AUF
Mit energiereicher Strahlung lassen sich die mechanischen, thermischen, chemischen und tribologischen Eigenschaften von Kunststoffen so stark verbessern, dass sie in vielen Anwendungen klassische Metallwerkstoffe ersetzen können. Allerdings gilt dies nicht für alle Kunststoffsorten. Es muss eine entsprechende Reaktivität vorhanden sein. Bei einigen Kunststoffen hilft der Einsatz eines Vernetzungsadditivs, um die Materialeigenschaften auf ein höheres Niveau zu heben.
Geeignet für die Strahlenvernetzung – zum Teil mit Additiv – sind neben Standardkunststoffen wie Polyethylen (PE) oder Ethylenvinylacetat (EVA) insbesondere technische Kunststoffe wie Polybutyenterephthalat (PBT) und Polyamide (PA6, PA66, PA11, PA12) oder auch thermoplastische Elastomere (TPE). Vernetzungstauglich sind zudem Hochleistungskunststoffe wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE).
KUNSTSTOFF-ANWENDUNGEN IM MASCHINENBAU: VERBESSERUNG der EIGENSCHAFTEN DURCH STRAHLENVERNETZUNG
Mechanische Eigenschaften
Eine bessere Schlagzähigkeit aufgrund einer Strahlenvernetzung erhöht die Fähigkeit eines Werkstoffs, Stoßenergie und Schlagenergie zu absorbieren, ohne zu brechen. Durch Strahlenvernetzung verbessert sich auch die Faser-Matrix-Anhaftung, wodurch sich z. B. auch die Zugfestigkeit und das Kriechverhalten optimieren lassen.
Tribologische Eigenschaften
Ein wichtiges Auswahlkriterium für Maschinenelemente aus Kunststoff, z. B. Gleitlager oder -buchsen, Führungsrollen oder Zahnräder, ist deren Reibungs- und Verschleißverhalten. Hier haben Kunststoffe traditionell Nachteile, denn herstellungsbedingt bilden sich an ihrer Oberfläche leicht amorphe Phasen heraus, die das Verschleißverhalten verschlechtern. Gerade diese amorphen Bereiche sind jedoch besonders gut strahlenvernetzbar.
Thermische Eigenschaften
Thermoplastische Materialien werden bei der Strahlenvernetzung thermoelastisch. Durch die Vernetzungsreaktion entsteht ein polymeres Netzwerk, das die Fließfähigkeit des Kunststoffs unterbindet. Das wirkt sich positiv auf die Wärmeformbeständigkeit aus.
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VORTEILE DER STRAHLENVERNETZUNG: WIRTSCHAFTLICHKEIT UND NACHHALTIGKEIT
Der Einsatz von strahlenvernetzten Kunststoffen im Maschinenbau zahlt sich in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung voll aus. Durch die Substitution traditioneller metallischer Werkstoffe können erhebliche Einsparungen bei den Herstellungskosten erzielt werden. Denn die Verarbeitung von Kunststoffen durch Spritzgießen, Extrudieren oder Blasformen erfordert im Vergleich zur Metallverarbeitung weniger aufwändige Produktionsprozesse. Dies senkt die Gesamtkosten der Bauteile und ermöglicht eine wettbewerbsfähigere Preisgestaltung. Außerdem sind strahlenvernetzte Kunststoffe leichter als Metalle, was zu einer Gewichtsreduzierung von Bauteilen und -gruppen führt und somit die Energieeffizienz von Maschinen steigern kann.
Darüber hinaus entfallen teure Nachbearbeitungs- und Montageschritte, die bei metallischen Werkstoffen häufig erforderlich sind. Dazu gehören zum Beispiel das Entgraten, Sandstrahlen oder Gewindeschneiden. Dies trägt dazu bei, die Gesamtkosten für die Herstellung von Produkten deutlich zu senken, konstruktiv neue Wege gehen zu können und damit insgesamt die Wettbewerbsfähigkeit am Markt zu stärken.
Strahlenvernetzte Bauteile sind extrem belastbar und über sehr lange Zeiträume einsetzbar. Das werkstoffliche Recycling strahlenvernetzter Polyamide wurde jüngst in einem zweistufigen Forschungsprojekt von BGS und Partnern untersucht. Die Ergebnisse belegen die technische Machbarkeit des Recyclings strahlenvernetzter Polyamide und zeigen Materialeinsparungen sowie eine verbesserte CO2-Bilanz durch die Reduzierung von Neuware bei der Herstellung neuer Bauteile. Die nächste Aufgabe besteht darin, geeignete Wertstoffkreisläufe zu identifizieren und zu etablieren.
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