Thema des Monats August 2010


Abbildung 1: Das Spezialpolyamid Ultramid® Endure ist für Betriebstemperaturen von 220 °C ausgelegt und erträgt Temperaturspitzen von bis zu 240 °C zuverlässig. Foto: BASF.

Metallsubstitution: Kunststoffe machen sich auf den Weg

Jede Werkstoffklasse hat ihre speziellen Eigenschaften: Metalle sind duktil und elektrisch leitfähig, Keramiken gelten als hart und temperaturbeständig, Gläser besitzen Transparenz und Kunststoffe überzeugen durch ihre geringe Dichte und gute Verarbeitbarkeit. Diese wenigen Beispiele reichen schon aus, um die Dominanz mancher Materialien für bestimmte Anwendungen erklären zu können. Aufgrund anspruchsvoller Forderungen des Marktes werden aber zukünftig massive Verschiebungen im Bereich der Materialselektion eintreten – dies trifft Standardapplikationen und Anwendungen im Hochtechnologiebereich gleichermaßen. Mögliche Gründe für diesen Trend liegen neben der sich ändernden Rohstoffsituation auch in den stetig steigenden Forderungen nach Material- und Energieeffizienz. Insbesondere die Umsetzbarkeit intelligenter Leichtbaukonzepte, die zuverlässige Erfüllung komplexer Anforderungsprofile und die Möglichkeit zur Integration von mehreren Funktionen stehen immer mehr im Fokus der Fertigungs- und Konstruktionsingenieure. Diese Entwicklungen treffen auch die Interessensschwerpunkte der Leitmessen wire und Tube, da deren Aussteller mit ihren Produktpaletten mögliche Lösungen und Innovationen für zukünftige Produktgenerationen bereits im Vorfeld abbilden. Konkret überzeugen in diesem Kontext aktuelle Entwicklungen im Bereich leistungsfähiger Kunststoffe, die beispielsweise bisher typische Metallanwendungen substituieren könnten.

Temperaturbeständige Kunststoffe im Motorenbau

Insbesondere im Fahrzeugbau werden zunehmend intelligente Materialkonzepte gefordert, um wegweisende Lösungen im Gesamtkomplex Energieeffizienz und Ressourcenschonung zielführend umsetzen zu können. Innovative Leichtbaukonzepte – unter anderem auf der Basis leistungsfähiger Kunststoffe – werden hier eine entscheidende Rolle spielen, und Metalle teilweise substituieren können. In diesem Bereich gilt es Lösungen zu finden, die beispielsweise gerade die hohen thermischen Anforderungen im Motorraum zuverlässig und wirtschaftlich sinnvoll abdecken können. Dies scheint Wissenschaftlern der BASF mit der Entwicklung der neuen Polyamid-Spezialität namens Ultramid® Endure gelungen zu sein. Bei dem Material handelt es sich um ein glasfaserverstärktes Polyamid, das eine ausgezeichnete Wärmealterungsbeständigkeit mit der guten Verarbeitbarkeit von konventionellem PA 66 vereint. Der neue Verbundwerkstoff widersteht mühelos einer Dauerbelastung von bis zu 220 °C und hält temporäre Spitzenbelastungen von bis zu 240 °C sicher aus. Durch diese Neuentwicklung wird das Anwendungsspektrum der Polyamide bis in den typischen Hochtemperaturbereich erweitert. Möglich wurde diese Steigerung des thermischen Eigenschaftsprofils unter anderem durch eine neuartige Stabilisierungstechnologie, die auf dem Material eine schützende Oberflächenversiegelung ausbildet und dauerhaft vor einem oxidierenden Angriff durch Sauerstoff schützt. Mögliche Anwendungen für diesen Verbundwerkstoff liegen beispielsweise in zahlreichen Komponenten der Ladeluftstrecke wie etwa Resonatoren, Ladeluftleitungen und Drosselklappen.

Kohlenstoff-Nanoröhren machen Kunststoffe leitfähig


Abbildung 2: Chemikalienresistentes Kunststoffelement für leistungsfähige Spiralförderanlagen. Foto: TU Chemnitz/Arndt Schumann.

Wissenschaftler um Dr. Holger Althues vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik in Dresden haben kürzlich ein Verfahren vorgestellt, das es ermöglicht, Kunststoffprodukte direkt während der Formgebung im Werkzeug mit einer leitfähigen und antistatisch wirkenden Oberfläche auszustatten. Dazu nutzen die Forscher so genannte Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs), die sie mit ihrer Technologie gezielt in die oberen Bereiche der Polymeroberfläche einbringen können. Gegenüber konventionellen Leitadditiven, die den Kunststoffmassen sonst beigemischt werden, sind die Materialkosten sehr gering. Es genügen bereits wenige Milligramm der Kohlenstoff-Nanoröhren um einen Quadratmeter Oberfläche mit einer etwa nur 50 nm dicken Leitschicht auszurüsten. Neben dem niedrigen Preis, bietet der geringe Materialseinsatz weitere signifikante Vorteile, so bleiben die mechanischen und optischen Eigenschaften des Polymers nahezu unverändert. Dies ist gerade bei transparenten Kunststoffen von hoher Bedeutung. Die erreichbaren elektrischen Leitfähigkeiten sind überzeugend. Ab einer Leitfähigkeit von 10-9 Siemens gilt ein Material als nicht elektrostatisch aufladbar, die mit diesem Verfahren erreichbaren Leitfähigkeiten liegen im Bereich von 10-3 Siemens und damit um Größenordungen höher. Transparente Elektroden oder flexible optische Bauteile mit integrierten elektrischen Funktionen sind typische Anwendungsfälle für diese Materialentwicklung.

Kunststoffe mit hoher Chemikalienbeständigkeit

Spiralförderanlagen spielen etwa in der Abfallwirtschaft, in der Lebensmitteltechnik, im Bergbau oder in der Chemieindustrie eine große Rolle. Ähnlich dem Prinzip einer Archimedischen Schraube transportieren Spiralförderanlagen Rohstoffe, Zwischenprodukte und Abfälle unterschiedlichster Natur und Beschaffenheit. Solche Transportsysteme wurden bisher vor allem aus Stahl hergestellt. Beim Transport von aggressiven Stoffen führt jedoch beispielsweise ein hoher Säure- oder Salzgehalt zum Rosten verschiedener Komponenten und Bauteile. Hohe Reparaturkosten und teure Ausfallzeiten sind die unangenehmen Folgen für den Betreiber. Wissenschaftler rund um Arndt Schumann von der Technischen Universität Chemnitz haben jetzt eine neuartige und modular aufgebaute Kunststoffspirale vorgestellt, die solche Probleme zuverlässig unterbinden soll. Das Projekt wurde interdisziplinär unter Beteiligung der Lehrstühle für Fördertechnik, Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung durchgeführt. "Die meisten thermoplastischen Kunststoffe sind beständig gegenüber salz- und säurehaltigen Medien sowie anderen aggressiven Stoffen", erklärt Schumann den Vorteil der Materialsubstitution. Zudem können die Module kostengünstig im Spritzgießverfahren hergestellt werden, wodurch die Verarbeitung verschiedener Kunststoffarten möglich wird. So werden für den Transport von starren Schüttgütern faserverstärkte Kunststoffe mit einer hohen Festig- und Steifigkeit favorisiert. Für eher leichtfließende Medien, wie etwa Kunststoffgranulate oder Pellets, bieten sich hingegen kostengünstige Massenkunststoffe an.

Dr.-Ing. Christoph Konetschny
Material- und Nanoexperte
www.materialsgate.de


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