Strahlenvernetzte Kunststoffe statt Metalle

„Über die Vorteile der Strahlenvernetzung ist außerhalb des Kreises der direkten Anwender oft nur wenig oder gar nichts bekannt“, sagt Dr. Michal Daněk, Key Account Manager für den Bereich Strahlenvernetzung bei BGS, einem der Pioniere der Behandlung mit Elektronen-, Beta- oder Gammastrahlung. „Das ist schade, denn strahlenvernetzte Kunststoffe bieten Vorteile für die Herstellung einer ganzen Reihe von Automobil-, Industrie- und Konsumprodukten.“

Hochenergetische Elektronen- oder Gammastrahlung spaltet chemische Bindungen in den langen Molekülketten von Kunststoffen auf eine besondere Weise, die als „homolytisch“ bezeichnet wird. Das bedeutet, dass einige Bindungen in den Ketten so gespalten werden, dass in jedem der entstehenden Fragmente eines der beiden Bindungselektronen verbleibt. In der Chemie werden diese hochreaktiven und daher instabilen Fragmente als freie Radikale bezeichnet. Benachbarte Radikale reagieren dann miteinander und bilden Querverbindungen zwischen den Kettenmolekülen. So entsteht ein dreidimensionales, sehr stabiles Netzwerk.

Dies gilt jedoch nicht für alle Kunststoffarten. Eine entsprechende Reaktivität muss vorhanden sein. Bei einigen Kunststoffen hilft der Einsatz eines Vernetzungsmittels, diese Reaktivität sicherzustellen. Entsprechend modifizierte Materialien sind auf dem Markt erhältlich. Neben Standardkunststoffen wie Polyethylen (PE) und Ethylenvinylacetat (EVA) usw. eignen sich technische Kunststoffe wie Polybutylenterephthalat (PBT) und Polyamide (PA 6/66/11/12) oder thermoplastische Elastomere wie TPE für die Strahlenvernetzung – in einigen Fällen nur mit einem Vernetzungsmittel. Auch Hochleistungskunststoffe sind geeignet, etwa Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE).

Verbesserung durch Strahlenvernetzung

Die Strahlenvernetzung verbessert die Eigenschaften dieser Kunststoffe erheblich. "Sie können dann auch unter Bedingungen eingesetzt werden, denen sie sonst nicht standhalten würden. Das Material wird tatsächlich verbessert," sagt Dr. Michal Daněk.

Besonders gut untersucht ist der Einfluss der Strahlenbehandlung auf Polyamide. Diese technischen Kunststoffe zeichnen sich durch ihre Vielseitigkeit und einfache Verarbeitung aus. Unbehandelt stößt ihr Einsatz jedoch an Grenzen, sobald hohe Temperaturen auftreten oder Beständigkeit bei Reibung oder anderen starken mechanischen Beanspruchungen gefordert ist.

Die Strahlenvernetzung verändert das Wärmeverhalten von Polyamiden. Der Elastizitätsmodul von unvernetztem, glasfaserverstärktem PA 66 fällt beispielsweise bei einer Temperatur von etwa 240 °C stark ab: Das Material beginnt zu schmelzen. Bei strahlenvernetztem PA 66 ist das anders: Bei einer Temperatur von 240 °C weist es einen etwa 120-mal höheren Elastizitätsmodul auf als unvernetztes PA 66. Bis zu einer Temperatur von 360 °C nimmt die Reststeifigkeit kaum ab. Insgesamt bedeutet dies, dass dieser vernetzte Kunststoff auch bei Temperaturen von 350 °C eine ausreichende Festigkeit behält. Die Strahlenvernetzungverringert zudem den Wärmeausdehnungskoeffizienten, was eine gute Maßhaltigkeit der hergestellten Formteile bei hohen Temperaturen gewährleistet.

Die Strahlenbehandlung verbessert auch die mechanischen Eigenschaften.Sie verringert die Neigung von Kunststoffen zur plastischen Verformung unter mechanischer Beanspruchung, die ihre Funktionsfähigkeit beeinträchtigen kann. Die Verringerung dieses Kriechens ist unerlässlich, damit Kunststoffe beispielsweise in Befestigungselementen oder Schrauben Metalle ersetzen können. So verringert sich beispielsweise die Kriechneigung von glasfaserverstärktem PA 6 durch die Strahlenbehandlung um etwa 70 %.

Vernetzte Kunststoffe sind auch beständiger gegenüber Bremsflüssigkeiten und anderen aggressiven Chemikalien. Auch Lösungsmittel wirken weniger stark auf sie ein. Dies zeigt sich unter anderem darin, dass sie ihre Festigkeit unter Einwirkung von Lösungsmitteln besser bewahren.

Ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Materialauswahl, beispielsweise für Maschinenbauteile, ist das tribologische Verhalten der Werkstoffe. Über die Lebensdauer von Bauteilen wie Gleitlagern, Führungsrollen und Zahnrädern entscheiden nämlich Faktoren wie Verschleiß und Reibung. Das Strahlen wirkt sich positiv auf das tribologische Verhalten aus. Bei PA 66 verringert es beispielsweise den Verschleißkoeffizienten um 60 bis 70 Prozent.

„Die Strahlenvernetzung des Kunststoffs wird immer von einem Dienstleister am fertigen Bauteil durchgeführt“, betont Daněk. „Der Hersteller des jeweiligen Bauteils kann die Formgebung durch Spritzgießen, Extrudieren oder Blasformen also wie gewohnt durchführen.“ Den Herstellern entstehen somit keine zusätzlichen Kosten für die Anschaffung neuer Maschinen oder Werkzeuge. Sie können den Fertigungsprozess wie gewohnt und mit optimaler Geschwindigkeit durchführen. Die Strahlenvernetzung beim Dienstleister lässt sich problemlos in den Transportweg zum Endkunden integrieren und spart so Zeit. Eine Nachbearbeitung ist nicht erforderlich.

Geringere Fertigungs- und Materialkosten
Beim Spritzgießen von Kunststoffen entfallen in der Regel aufwendige Nachbearbeitungs- und Montageschritte, die häufig erforderlich sind, wenn geschmolzenes Metall unter hohem Druck in eine Stahlform gegossen wird und zu einem festen Gussteil erstarrt. Um ein Metallgussteil einsatzbereit zu machen, kommen üblicherweise Verfahren wie Entgraten, Sandstrahlen, Fräsen oder Gewindeschneiden zum Einsatz. Ein weiterer Vorteil von Kunststoffteilen gegenüber Metallteilen besteht darin, dass kein Korrosionsschutz erforderlich ist. All dies trägt dazu bei, dass neben den Materialkosten auch die Fertigungskosten für Spritzgussteile niedriger sind als die Kosten für Metalldruckgussteile.

Doch das ist noch nicht alles: Das Spritzgießen ermöglicht die Herstellung komplexerer Geometrien und farbiger Komponenten. Dadurch entsteht eine größere Gestaltungsfreiheit als beim Metalldruckguss. Ein weiterer Vorteil von Kunststoffen ist, dass sie leichter sind als Metall. Dies ist insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen wichtig: Jedes eingesparte Gramm hilft beispielsweise in Elektrofahrzeugen, den Energieverbrauch zu senken. Dadurch erhöht sich die Strecke, die mit einer Batterieladung zurückgelegt werden kann. Zudem dämpfen Kunststoffkomponenten Geräusche besser als Metalle, was sowohl in der Automobilindustrie als auch im Maschinenbau wichtig ist.

Schrauben, Rollen, Laufräder und Lüfterabdeckungen

„Angesichts der möglichen Kosteneinsparungen und der vielen Vorteile sollten Hersteller prüfen, ob sie in bestimmten Anwendungen Metalldruckgussteile durch vernetzte Kunststoffe ersetzen könnten“, rät Dr. Daněk, Experte bei BGS. Welche Druckgussteile konkret? „Beispielsweise Schrauben, Befestigungsclips und Rollen in Autos und anderen Fahrzeugen, Lüfterlaufräder in Wärmepumpen, Gehäuse elektronischer Geräte und verklebte Kunststoff-Metall-Verbundwerkstoffe im Schiffbau usw.“

Fazit

Viele Faktoren sind zu berücksichtigen: Neben der konkreten Anwendung sind dies vor allem die Stückzahl, die Komplexität der Konstruktion und die geforderte Qualität der Komponenten. Um alle Aspekte zu berücksichtigen, empfiehlt sich eine enge Zusammenarbeit zwischen Werkstoffingenieuren, Konstrukteuren und Produktdesignern. Dann kann ein Metalldruckgussteil durch ein kostengünstigeres, im Spritzgießverfahren hergestelltes Kunststoffteil ersetzt werden.