Kunststoffe für Leichtbaukonstruktionen: Strahlvernetzung und Recycling durch BGS

Kunststoffe mit verbesserten Eigenschaften

Kunststoffe sind dank ihrer sehr guten Isolationseigenschaften und ihrer nahezu unbegrenzten Formgebungsmöglichkeiten seit langem ein unverzichtbarer Grundwerkstoff sowohl im Maschinenbau als auch in der Automobilindustrie. Die ständig steigenden Anforderungen an thermische und chemische Beständigkeit, mechanische Festigkeit, Brennverhalten und Verschleißverhalten erfordern jedoch immer neue Lösungen. Hochleistungskunststoffe wie LCP, PEEK, PES und PEI können in einer Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen eingesetzt werden. Sie sind jedoch kostspielig und teilweise nur sehr schwer metallisierbar. Wenn gängige Konstruktions- oder Standardkunststoffe durch ionisierende Strahlung vernetzt werden, weisen sie deutlich verbesserte Eigenschaften hinsichtlich thermischer und chemischer Beständigkeit, Kriechneigung und Abriebfestigkeit auf. Die Lebensdauer derart modifizierter Bauteile kann signifikant verlängert werden. Dies ermöglicht es, nicht nur teure Hochleistungskunststoffe, sondern in vielen Funktionskomponenten auch Metall durch strahlenvernetzte, spritzgegossene Kunststoffteile zu ersetzen.

Technologie der Strahlvernetzung

Zur Bestrahlung von Kunststoffmaterialien wird in der Regel Beta-Strahlung aus Elektronenbeschleunigern mit einer maximalen Energie von 10 Megaelektronenvolt (MeV) eingesetzt. Während der Bestrahlung werden die Elektronen im Material abgebremst und ihre Energie absorbiert. Infolge einer Kaskade von Sekundärelektronen kommt es in der Polymerstruktur zu einer statistischen Spaltung der Makromoleküle unter Bildung von Radikalen, die sich anschließend zu größeren Strukturen neu verbinden – das Material vernetzt. Das Ergebnis: Die Eigenschaften derart „veredelter“ Werkstoffe werden dauerhaft verbessert und die Produkte können unter anspruchsvolleren Bedingungen eingesetzt werden. Die Strahlvernetzung ist ein exakt steuerbarer Prozess. Die gewünschte Materialqualität lässt sich über die Strahlendosis einstellen und reproduzierbar einhalten.

Vernetzte Kunststoffe in der Praxis:
Maschinenbau und E-Mobilität

Das veränderte Materialprofil und die längere Lebensdauer strahlenvernetzter Komponenten erweitern auch deren Einsatzmöglichkeiten im Maschinenbau. Die Anforderungen an Materialien in Getrieben und Gleitkomponenten wie Zahnrädern, Wälzlagern oder Gleitbuchsen steigen stetig. Strahlenvernetzte Bauteile mit verbesserten tribologischen Eigenschaften, also mit reduziertem Abrieb und Verschleiß sowie geringerer Kriechneigung, können eine wirtschaftlich vorteilhafte Alternative zu Metallen oder teuren Hochleistungspolymeren (PEEK, PAI etc.) darstellen. In vielen Anwendungen lässt sich beispielsweise Metall durch strahlenvernetzte Spritzgussteile aus Materialien wie PA oder PBT ersetzen. Verbindungselemente wie Schrauben und Muttern, verschiedene Halterungen oder Clips können aus strahlenvernetztem Polyamid statt aus Metall gefertigt werden. Der Vorteil liegt im geringeren Gewicht und niedrigeren Fertigungskosten durch den Wegfall aufwendiger Zerspanungsoperationen an Metallteilen.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung der E-Mobilität macht die Strahlvernetzung in elektronischen Komponenten, Steckverbindern und Kabeln eingesetzte Kunststoffe zu wettbewerbsfähigen Materialien, die neue, strengere Anforderungen erfüllen können. Die Technologie ermöglicht eine hohe Flexibilität sowohl bei der Wahl der Rohstoffe als auch bei der Auslegung und Konstruktion von Kabeln. Nicht nur einzeln isolierte Adern, sondern auch mehradrige Kabel oder komplett konfektionierte Kabelbäume können in einem Schritt vernetzt werden. Wenn strahlungsempfindliche Isolierungen oder Trenn- und Isolierfolien an den Leitern verwendet werden müssen, ist es möglich, nur den Außenmantel zu vernetzen. Zudem spielt der Leichtbau in Elektroautos eine immer wichtigere Rolle, da er hilft, das zusätzliche Gewicht der Batterie und der zugehörigen Komponenten zu kompensieren. Kunststoffe sind daher heute und werden auch in Zukunft ein entscheidender Konstruktionswerkstoff sein. Die Strahlvernetzung ermöglicht es ihnen, die deutlich komplexeren Anforderungen in diesem Umfeld wirtschaftlich effizient zu erfüllen.

Strahlvernetzung in der Logistikkette

Innerhalb der Fertigungskette stellt die Strahlvernetzung den letzten Schritt nach der Herstellung durch Spritzgießen, Extrusion oder Blasformen dar – in der Regel in Form eines kurzen Zwischenstopps bei einem spezialisierten Bestrahlungsdienstleister. Es handelt sich dabei meist um einen extern vergebenen Prozessschritt, der vor weiteren nachgelagerten Operationen oder vor dem finalen Versand an den Endkunden erfolgt. Viele bestrahlte Produkte sind Teil einer Serienfertigung, die einem festen Zeitplan in der Lieferkette unterliegt. Für Hersteller und Zulieferer bedeutet dies, dass der Schritt der Strahlbehandlung nahtlos und schnell an die eigentliche Produktion anschließen muss. Ein großer Vorteil der Modifikation durch ionisierende Strahlung ist die Tatsache, dass die Produkte nach einer einfachen Freigabe sofort verwendet oder weiterverarbeitet werden können – ohne zusätzliche Tests oder Lager- und Wartezeiten.

Strahlenvernetzte Bauteile und Recycling

Im Interesse des Umweltschutzes werden die regulatorischen Anforderungen an Kunststoffe immer strenger. Aktuell steht vor allem ihre Recyclingfähigkeit im Vordergrund. Strahlenvernetzte Komponenten sind extrem langlebig und können daher sehr lange genutzt werden. Am Ende ihrer Lebensdauer kommen drei grundlegende Entsorgungswege infrage: stoffliche (physikalische), rohstoffliche (chemische) und energetische (thermische) Verwertung. Beim stofflichen Recycling werden Sekundärrohstoffe zur Herstellung neuer Kunststoffteile verwendet. Wenn Produktionsabfälle vor der Vernetzung sortenrein getrennt werden, können sie in der gleichen Anwendung wiederverwendet werden. Das stoffliche Recycling funktioniert auch bei Vorhandensein von Vernetzungsadditiven (in Form von Regranulat). Vernetzte Kunststoffe können in reiner Form gemahlen und in gewissen Grenzen als Regranulat wieder Primärrohstoffen beigemischt werden. Diese Grenzwerte hängen vom jeweiligen Material und dem Vernetzungsgrad ab und müssen immer individuell geprüft werden. Wenn ein stoffliches Recycling nicht möglich oder sinnvoll ist, können strahlenvernetzte Komponenten problemlos rohstofflich verwertet oder energetisch genutzt (zur Energiegewinnung verbrannt) werden.

Fazit

Die Elektronenstrahlvernetzung verbessert die Materialeigenschaften technischer Kunststoffe und ermöglicht deren Einsatz in Produkten, die bisher aus Hochleistungspolymeren oder sogar Metallen konstruiert waren. Ob es um die Optimierung bestehender Anwendungen oder um die gezielte Berücksichtigung der Strahlvernetzung bereits in der Designphase geht, die Möglichkeiten sind vielfältig. Konstrukteuren eröffnet dies Raum für die Entwicklung innovativer und leistungsstarker Lösungen, die gleichzeitig den Anforderungen des Produkts und des Marktes gerecht werden.