Der Einsatz von Kunststoff statt Metall spart Kosten und Aufwand. Die Kostenersparnis beginnt bereits bei der Herstellung der Formteile. Metalldruckguss ist verbunden mit dem Aufschmelzen von Metallbarren, sowie der Formgebung durch das Druckgießen. Der Thermoplastspritzguss ist bis zu diesem Punkt mit dem Metalldruckguss vergleichbar, obwohl dies bei deutlich niedrigeren Verarbeitungstemperaturen passiert.

Druckgusslegierungen benötigen Schmelztemperaturen von 400 bis hin zu 600 °C. Hochleistungspolyamide werden bei einer Schmelztemperatur von 315 °C in der Regel bei Spritzgusstemperaturen von kleiner 340 °C verarbeitet und benötigen somit einen deutlich geringeren Energieaufwand. Hinzu kommt das für den Metalldruckguss notwendige nachträgliche Entgraten und Lackieren. Dies ist für den Thermoplastspritzguss nicht notwendig. Das Fertigteil liegt direkt nach dem Spritzgießprozess mit allen notwendigen Funktionen vor.

Der Kunststoff kann fabrikeingefärbt zur Verfügung gestellt werden, um Lackierprozesse zu sparen. Um den erforderlichen Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel Temperatur und Wasser/Glykol standzuhalten, kann mit Stabilisierungspaketen gearbeitet werden, welche den thermischen und hydrolytischen Abbau reduzieren. Wird ein Gehäuseteil aus Zinkdruckguss mit einem Gewicht von 0,6 kg durch ein Polyamid mit 50 Prozent Glasfaseranteil ersetzt, wird das Bauteil unter Beibehaltung der gleichen Geometrie um 0,45 kg leichter. Die ist bedingt durch die deutlichen Dichteunterschiede von Zinkdruckguss mit 6,3 g/ccm im Vergleich zu einem PA 6 GF 50 mit 1,56 g/ccm. Die Gewichtsreduktion beträgt in diesem Fall somit 75 %, ein wesentlicher Faktor zur Verbesserung der späteren Energieeffizienz vor allem im Automobil- und Transportwesen. Ein weiterer Vorteil liegt in der Verkürzung der Arbeitsprozesse. Aluminiumdruckgusslegierungen zeichnen sich durch geringere Dichten aus. Aber auch in diesem Fall kann bei einer typischen Dichte von 2,7 g/ccm immer noch eine beachtliche Gewichtsreduktion von ca. 40 Prozent erreicht werden.

Für kleinere Bauteile mit komplexen Geometrien

Des Weiteren bietet Kunststoff mehr Designfreiheit. Ein sich hierauf beziehender Trend in Richtung kleinerer Bauteile mit komplexen Geometrien kommt Kunststoffen sehr entgegen. Fließoptimiertes Polyamid 6 GF 50 kann bei einer Wandstärke von 2 mm im Spritzgussverfahren eine Fließweglänge von 400 mm füllen. In den üblichen Metalldruckgussverfahren werden Bauteile mit Wandstärken von ca. 0,9 mm und mehr realisiert. Im Gegensatz hierzu sind durch den Einsatz von Hochleistungspolyamiden sehr filigrane Wandstärken realisierbar. So sind zu füllende Wandstärken von nur 0,2 mm durch den Einsatz von Kunststoff keine Besonderheit mehr.

Das Motto „Viel hilft viel“ gehört hiermit bei der Konstruktion von Formteilen eindeutig in die Vergangenheit. Gegenwart und Zukunft sind geprägt von maßgeschneiderten Kunststofflösungen, die wirtschaftliche und ökologische Vorteile miteinander vereinen. Metallersatz bedeutet hohe Werkstoff-Anforderungen Eine intensive Prüfung der Anforderungsprofile und Produkteigenschaften ist für die richtige Produktwahl stets der erste Schritt.

Umgebungstemperaturen, Medienkontakt und mechanische Anforderungen, wie z.B. das Kriechverhalten, müssen begutachtet werden. Kunststoffe, die sich für den Metallersatz eignen, zeichnen sich vor allem durch zwei maßgebliche Eigenschaften aus: hohe Festigkeiten und Steifigkeiten. Die dominierenden Werkstoffe, die hierfür zum Einsatz kommen, sind Polyamide, dicht gefolgt von Polyestern (PBT/PET).

Um die beschriebenen Eigenschaften zu erreichen muss dabei auf hohe Verstärkungsstoffgehalte zurückgegriffen werden. Vordringlich wird dies durch Füllung mit Glasfasern mit einem Gehalte größer 50 Prozent erzielt.
Auch die spätere Einsatztemperatur des Werkstücks ist ein wichtiges Kriterium für die Materialauswahl. Hier unterscheidet man zwei Materialkategorien: Werkstoffe, die für Anwendungen im Einsatztemperaturbereich von bis zu 150 °C geeignet sind und solche, die im Hochtemperaturbereich zum Einsatz kommen. PA 6 , PA 66 , PBT und PET sind als Rohstoffe vor allem für die erstere Kategorie geeignet. Für höhere Einsatztemperaturen sind Hochleistungsprodukte wie PA 4.6 und PPA gefragt. Die Temperaturlücke zwischen diesen Gruppen kann durch speziell modifiziertes PA 66, wie Technyl HP, überbrückt werden.

Produkte für den Metallersatz

Die Ter Plastics Polymer Group stellt auf der diesjährigen K-Messe in Düsseldorf die neue Produktreihe Terez GT 3 vor. Diese Produktlinie wurde als Ergänzung zu hochglasfaserverstärktem PA 6 und PA 66 Typen entwickelt und basiert auf einem Polyamid mit partiell aromatischen Anteilen: einem PA6T/6I/66. Aufgrund möglicher Glasfasergehalte von bis zu 60 Prozent werden sehr hohe Steifigkeiten und Festigkeiten erreicht, welche ihr hohes Festigkeitsniveau auch nach Feuchtigkeitsaufnahme beibehalten. Auch die Dimensionsstabilität nimmt im Vergleich zu herkömmlichen Polyamiden zu. Aufgrund verminderter Feuchtigkeitsaufnahme kommt es zu einem geringeren Einfluss im Hinblick auf Volumenzunahme der hergestellten Bauteile.

Weiterhin gilt der Vorteil geringeren Werkzeugverschleißes im Vergleich zu Zinkdruckguss oder Aluminiumdruckguss. Die Werkzeugstandzeiten können sich im besten Falle um den Faktor 5 verbessern. Polyamidtypische Eigenschaften wie gute Verarbeitbarkeit, Oberflächenqualität sowie Chemikalienbeständigkeit bleiben erhalten. Im Vergleich zu anderen Produkten dieser Zusammensetzung zeichnet sich vor allem die Variante mit 50 Prozent Glasfaserverstärkung durch eine verbesserte Bruchdehnung und Zähigkeit aus. Beim PA 6 und PA 66 kommt es erst durch Feuchteaufnahme zu einer deutlichen Erhöhung der Bruchdehnung. Terez GT3 zeigt ein erhöhtes Bruchdehnungsniveau – auch ohne Konditionierung.

Die Technyl HP Reihe der Solvay zeigt ein hervorragendes Eigenschaftsprofil bei Dauereinsatztemperaturen von bis zu 200 °C. Nach 1000 °C Temperaturbelastung konnten keine Oberflächenrisse festgestellt werden. Die Glasfasergehalte betragen bis zu 50 %. Konzipiert wurden diese Produkte für den Einsatz unter der Motorhaube, im Bereich Luftleitsysteme und Turbolader.

Die DSM Engineering Plastics bietet mit Stanyl Diablo OCD2300 und Arnitel AV2 390 XL zwei Hochtemperaturwerkstoffe für den Metallersatz. Stanyl Diablo OCD2300 wurde für den Bereich Luft/Kraftstoffsysteme entwickelt und hält einer Alterung von mehr als 3000 h bei 230 °C stand. Der Glasfaseranteil beträgt 50 Prozent. Hier wird der Forderung nach geringerem Kraftstoffverbrauch und damit einhergehenden Abgasvorschriften Rechnung getragen. Erhöhte Temperaturanforderungen gepaart mit hohen Festigkeitsansprüchen werden erfüllt.

Das Arnite AV2 390 XL zeichnet sich durch die für PET üblichen Eigenschaftenwie sehr geringe Wasseraufnahme und sehr hohe Dimensionsstabilität, hohe Steifigkeiten und Festigkeiten, hervorragende Heißluftaltarung und exzellente Chemikalienbeständigkeit aus. Zusätzlich bietet dieses Produkt eine sehr niedrige Ausgasungsrate, welches es für den Einsatz in Xenonscheinwerfern befähigt. Auch härteste Ausgasungsanforderungen werden bei 200 °C Einsatztemperatur erfüllt. Bedingt durch hohe Steifigkeiten bei 150 °C können Formteile im direkten Vergleich zu PBT Bauteilen dünner ausgeformt werden, was zu deutlichen Gewichtseinsparungen führt.

Entwickelt für Metallersatz auf Bio-Basis

Der Trend biobasierter Werkstoffe hält auch in den Bereich des Metallersatzes Einzug. Die monomeren Bestandteile des Terez PPA Eco Reihe der Ter Plastics Polymer Group basieren anteilig auf Rizinusöl, wodurch CO2-Emissionen reduziert werden. Die im Vergleich zu herkömmlichen PPA Typen nochmals deutlich reduzierte Feuchteaufnahme erfüllt hohe Ansprüche an die Dimensionsstabilität, aber auch Hydrolysebeständigkeit. Der relativ hohe Schmelzpunkt von 285 °C ermöglicht den Einsatz in Hochtemperaturbereichen.

Die maximale Gebrauchstemperatur für kurzzeitige Temperaturbelastungen beträgt 255 °C. Die Kombination hoher Schmelztemperatur und hoher Glasfasergehalte führt zu einer guten Kriechbeständigkeit unter hohen Lasten. Dies ist bedingt durch die hohe Glasübergangstemperatur von 125 °C. Ein PA 66 hat im direkten Vergleich eine Glasübergangstemperatur von lediglich 60°C. Die Verarbeitung erfolgt auf handelsüblichen Spritzgussmaschinen. Das Produkt ist geprägt durch ein robustes Verarbeitungsfenster. Die Verarbeitungstemperaturen betragen 300 bis 330 °C. Die empfohlenen Werkzeugtemperaturen sollten zwischen 140 und 160 °C liegen.

Die hier dargestellten Werkstoffe machen neue Denkansätze in der Kunststoffverarbeitung möglich und nötig. Eins ist dabei sicher: Metallersatz durch Kunststoffe ist einer der Trends, der noch viele Jahre anhalten wird.

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Über den Autor

Goran Brkljac ist Leiter Anwendungs-technik und Produktentwicklung bei Ter Plastics Polymer Group, Herne, brkljac@terhell.de