Was kommt nach Stahl und Aluminium?
Stahl und Aluminium sind seit Jahrzehnten die tragenden Säulen des Maschinenbaus. Doch angesichts steigender Anforderungen an Energieeffizienz, Nachhaltigkeit und Funktionalität rücken alternative Werkstoffe zunehmend in den Fokus. Insbesondere Hochleistungskunststoffe und innovative Verbundmaterialien bieten vielversprechende Perspektiven.
Alternative Materialien im Überblick
Neben den klassischen Metallen gewinnen folgende Werkstoffe an Bedeutung:
- Hochleistungskunststoffe: Materialien wie PEEK¹, PPS², PI³ und PSU⁴ zeichnen sich durch hohe Temperaturbeständigkeit, chemische Resistenz und geringes Gewicht aus. Sie werden zunehmend in Bereichen eingesetzt, in denen Metallkomponenten an ihre Grenzen stoßen.
- Faserverstärkte Kunststoffe (FVK⁵): Insbesondere carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK⁶) bieten ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Sie finden Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und in der Medizintechnik.
- Epoxid-Granite⁷: Diese Verbundwerkstoffe aus Epoxidharz und Granit bieten exzellente Dämpfungseigenschaften und werden als Alternative zu Guss- und Stahlkomponenten in Präzisionsmaschinen eingesetzt.
- Bulk-Metallgläser (BMGs⁸): Diese metallischen Gläser kombinieren die Festigkeit von Stahl mit der Formbarkeit von Kunststoffen und ermöglichen die Herstellung komplexer Geometrien bei gleichzeitig hoher Festigkeit.
Hochleistungskunststoffe im Fokus
Hochleistungskunststoffe wie PEEK¹ und PPS² bieten zahlreiche Vorteile gegenüber traditionellen Metallen:
- Gewicht: Sie sind deutlich leichter als Stahl und Aluminium, was zu einer Reduzierung der bewegten Massen und somit zu Energieeinsparungen führt.
- Korrosionsbeständigkeit: Im Gegensatz zu Metallen sind sie unempfindlich gegenüber vielen Chemikalien und Feuchtigkeit.
- Verarbeitung: Sie lassen sich durch Spritzguss oder Extrusion in komplexe Formen bringen, was die Herstellungskosten senken kann.
- Thermische Eigenschaften: Viele Hochleistungskunststoffe behalten ihre mechanischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen bei.
Allerdings gibt es auch Herausforderungen:
Kosten: Die Materialkosten sind oft höher als bei traditionellen Metallen.
Mechanische Belastbarkeit: In bestimmten Anwendungen erreichen sie nicht die Festigkeit von Stahl oder Aluminium.
Vergleich: Hochleistungskunststoffe vs. Stahl und Aluminium
| Eigenschaft | Hochleistungskunststoffe | Aluminium | Stahl |
| Dichte (g/cm³) | 1,3 – 1,5 | ~2,7 | ~7,8 |
| Zugfestigkeit (MPa) | 90 – 170 | 200 – 600 | 400 – 2000 |
| Temperaturbeständigkeit (°C) | bis 300 | bis 300 | bis 600 |
| Korrosionsbeständigkeit | Hoch | Mittel | Niedrig |
| Verarbeitbarkeit | Hoch | Hoch | Mittel |
| Kosten | Hoch | Mittel | Niedrig |
Anforderungen an die Industrie und Ingenieure
Die Integration neuer Werkstoffe erfordert ein Umdenken in der Konstruktion und Fertigung:
- Materialgerechtes Design: Die unterschiedlichen Eigenschaften von Kunststoffen und Verbundmaterialien verlangen angepasste Konstruktionsprinzipien.
- Fertigungstechnologien: Neue Materialien bringen neue Fertigungsmethoden mit sich, wie z.B. Spritzguss, 3D-Druck oder spezielle Fügetechniken.
- Kosten-Nutzen-Analyse: Trotz höherer Materialkosten können Gesamtkosten durch vereinfachte Fertigung und geringeren Wartungsaufwand reduziert werden.
- Nachhaltigkeit: Die Auswahl umweltfreundlicher Materialien und Prozesse wird zunehmend zu einem entscheidenden Faktor.
Praxisbeispiele: Wo Hochleistungskunststoffe bereits heute im Einsatz sind
Hochleistungskunststoffe haben längst den Sprung aus der Forschung in die industrielle Praxis geschafft. In der Medizintechnik werden Bauteile aus PEEK¹ beispielsweise für chirurgische Instrumente und Implantate verwendet, da sie biokompatibel und sterilisierbar sind. Die Luft- und Raumfahrtindustrie nutzt CFK⁶- und PI³-Bauteile zur Gewichtseinsparung und zur Steigerung der Energieeffizienz – z. B. bei Strukturteilen und Isolierungen von Triebwerken. Im Automobilbau kommen PPS² und PSU⁴ zunehmend in Motor- und Bremssystemen zum Einsatz, weil sie hohen Temperaturen und aggressiven Medien standhalten. Selbst im Lebensmittel- und Verpackungsmaschinenbau ersetzen Kunststofflager oder -führungen aus verschleißfestem PEEK¹ oder PA6G zunehmend Metallkomponenten – nicht zuletzt aufgrund ihrer hygienischen Vorteile und geringeren Schmierstoffanforderungen.
Fazit
Die Zukunft des Maschinenbaus liegt in der intelligenten Kombination von traditionellen und innovativen Werkstoffen. Hochleistungskunststoffe und Verbundmaterialien bieten neue Möglichkeiten, den steigenden Anforderungen an Effizienz, Nachhaltigkeit und Funktionalität gerecht zu werden. Ingenieure und Konstrukteure sind gefordert, diese Materialien gezielt einzusetzen und ihre Potenziale voll auszuschöpfen.
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PEEK¹ Polyetheretherketon – ein thermoplastischer Hochleistungskunststoff mit hoher Festigkeit und Temperaturbeständigkeit
PPS² Polyphenylensulfid – ein hitzebeständiger, chemikalienresistenter Hochleistungskunststoff
PI³ Polyimid – hitzebeständiger Kunststoff für extreme Anwendungen, oft in der Luftfahrt genutzt
PSU⁴ Polysulfon – thermoplastischer Kunststoff mit guter mechanischer Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit
FVK⁵ Faserverstärkte Kunststoffe – Kunststoffe, die durch eingearbeitete Fasern (z. B. Glas- oder Carbonfasern) verstärkt sind
CFK⁶ Carbonfaserverstärkter Kunststoff – besonders leichter und fester Verbundwerkstoff, häufig in der Luftfahrt verwendet
Epoxid-Granite⁷ – Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und Granit, häufig in Präzisionsmaschinen für vibrationsarme Anwendungen
BMG⁸ Bulk-Metallglas – metallischer Werkstoff mit amorpher Struktur, der hohe Festigkeit mit guter Formbarkeit kombiniert
PA6G⁹ Polyamid 6 gegossen (auch als Guss-Polyamid bekannt) – technischer Kunststoff, der durch Polymerisation von Caprolactam direkt in einer Form hergestellt wird – im Gegensatz zum extrudierten PA6.