Industrielle Kunststoffe: Wichtige Auswahlkriterien

Wie bei anderen Werkstoffen ist es auch beim geeigneten Kunststoff für ein Maschinenbauprojekt am besten, frühzeitig mit der Suche zu beginnen. Selbst wenn Sie merken, dass sich bestimmte Aspekte und Anforderungen im Laufe Ihres Projekts ändern, ist es viel einfacher, Anforderungen während des Entwicklungsprozesses anzupassen, als bei null anzufangen, wenn Ihr Projekt bereits weit fortgeschritten ist. Die frühzeitige Einbindung eines Kunststoffexperten trägt ebenfalls dazu bei, unnötige Probleme und Verzögerungen zu vermeiden. Sie ist der optimale Weg, die Auswahl des richtigen Materials für den vorgesehenen Einsatz sicherzustellen.

Nehmen Sie sich bei der Auswahl des optimalen Kunststoffs Zeit, um die Anforderungen festzulegen. Über welche spezifischen Material-Eigenschaften muss er verfügen? Dabei kann es sich beispielsweise um Temperatur, Druck, elektrische Isolierung, elektrische Leitfähigkeit und chemische Beständigkeit handeln. Sind diese Eigenschaften festgelegt, kann ein Kunststoffexperte die Auswahl eingrenzen. In den folgenden Abschnitten untersuchen wir einige dieser gemeinsamen Merkmale, die für einen erfolgreichen Materialauswahlprozess entscheidend sind. Grundlegend sind bei der Auswahl eines Kunststoffs folgende wichtige Faktoren zu berücksichtigen: Temperatur, Druck, Isolierung, Medium und Oberflächenqualität.

Die Temperatur spielt eine zentrale Rolle bei der Entscheidung, welche Kunststoffe für bestimmte Anwendungen am besten geeignet sind. Sobald die Temperaturanforderungen über 100 ºC steigen, wird das Sortiment an geeigneten Werkstoffen kleiner, und bei über 250 ºC sinkt die Auswahl drastisch. Wird Ihre Maschine in einer heissen Umgebung aufgestellt, muss dies berücksichtigt werden. 

Thermoplastische Stoffe können sich aufgrund einer einwirkenden Kraft verformen (Kaltfluss). Zum Beispiel, wenn Ihre Maschine auf einem Kunststoffträger stehen soll, ist ihr Gewicht für den einzusetzenden Kunststoff entscheidend. Eventuell kann es notwendig werden, die Verwendung eines Thermoplasts zu überdenken und stattdessen zu einem Duroplast zu wechseln. Ein solcher Kunststoff (Harz) ist chemisch vernetzt und armiert, was bedeutet, dass er sich unter Last nicht verformt.

Der Druck beeinflusst ebenso die Auswahl der Kunststoffbauteile, die in Ihrer Maschine eingesetzt werden sollen, da einige von ihnen spröde und hart sind. Isolationsmaterialien (Thermoplaste und Duroplaste) schützen Transformatoren, Motoren oder ganz allg. elektrotechnische Apparatruen von elektrischem Durchschlag.

Die meisten Kunststoffe sind als elektrische Isolatoren bekannt und können sich daher durch Reibung statisch aufladen. Um hier Abhilfe zu leisten, gibt es ESD-Kunststoffe, die einen niedrigeren elektrischen Widerstand aufweisen und somit als statisch ableitbarer bzw. als leitfähiger Werkstoff bezeichnet werden können. 

Das Ziel ist der Schutz von Mensch, Maschine und/oder elektronische Bauteile. Hinzu kommen noch die ATEX-Richtlinien, also Vorschriften für Geräte und Schutzsysteme in explosionsgefährdenden Bereichen.

Es gibt zwei isolierende Eigenschaften. Die erste ist die Wärmedämmung (thermische Isolation). Häufig geht es nicht darum, Wärme zu übertragen, sondern sie zu isolieren. Die meisten Kunststoffe sind als gute Wärmeisolatoren bekannt. Man sollte daran denken, dass es zum Erreichen sehr guter Dämmwerte besser ist, einen aufgeschäumten Kunststoff zu wählen, da die darin enthaltene Luft gut isoliert. Sind gute Dämmwerte nicht so wichtig, reicht ein Vollkunststoff.

Die zweite isolierende Eigenschaft ist die elektrische Isolierung. Für diese Kategorie gibt es viele Optionen. Informieren Sie Ihren Lieferanten, ob der gewünschte Kunststoff elektrisch isolierend (ESD) oder leitfähig (ELS) sein muss. So darf sich in der Elektro- und Elektronikindustrie ein Kunststoff nicht statisch aufladen, wenn er ein elektrischer Isolator ist. Der Strom muss immer abgeleitet werden, was oft mit einem antistatischen Kunststoff kontrolliert wird. Wenn Sie einen elektrisch leitfähigen Kunststoff benötigen, wird dies durch antistatische und leitfähige Additive erreicht.

Kunststoffe können im Gebrauch mit verschiedensten Chemikalien in Kontakt kommen, wie z.B. Schmierstoffe, Treibstoffe, Lösungsmittel, Säuren, Base, Gase, etc. Die chemische Beständigkeit von Werkstoffen bei der Einwirkung eines oder mehrerer Medien bestimmt den geeigneten Werkstoff.

Im Maschinenbau werden für Maschinen, wie z. B. Schleifmaschinen, Kühlöle verwendet, um die Hitze während des Schleifvorgangs zu minimieren. Dabei handelt es sich in der Regel um Öl-/Wasser-Emulsionen, also ebenfalls um Chemikalien, die Kunststoffe angreifen. Stellen Sie sicher, dass das Kühlöl verträglich ist. Das Gleiche gilt für Schmieröle und -fette. Deshalb ist es wichtig, die Auswirkungen solcher Medien zu berücksichtigen, wenn die Maschine in Betrieb ist, da der Kunststoff und auch die Maschinen sonst Schaden nehmen. 

Die Oberflächenqualität ist ein wichtiges Kriterium bei der Materialauswahl. Entwickeln Sie zum Beispiel eine Stanzmaschine, eine Schleifmaschine oder eine CNC-Fräsmaschine wird ein Sichtfenster eingebaut, damit die Maschinenführer das Geschehen im Auge behalten können. Das Fenster kann z. B. bei der Reinigung von ölverschmierten Sichtfenstern verkratzen. Um sicher zu sein, dass das Fenster transparent bleibt, setzt man einen klaren Kunststoff mit harter (sogenannter Nano-) kratzfester Beschichtung ein. Diese schützt die Oberfläche des Fensters vor Kratzern. 

Im Maschinenbau werden Kunststoffe eingesetzt, die EU/FDA-Lebensmittel- und Pharmakonformität (USP23 Class VI, NSF 61 3-A) erfordern. Viele Hersteller in der Maschinenindustrie produzieren Maschinen oder einzelne Komponenten, die sowohl mit Lebensmitteln als auch mit pharmazeutischen Substanzen in direkten Kontakt kommen (z.B. bei der Tabletten-Herstellung). Diese Kunststoffe müssen daher lebensmittelkonform und entlang der Wertschöpfungskette bis hin zum Hersteller des Ausgangsmaterials rückverfolgbar sein.

In diesen Fällen dürfen Kunststoffbauteile nicht mit Kühlöl bearbeitet werden. Das Kühlöl kann in die Poren des Kunststoffs eindringen und dieser ist nicht mehr für den Kontakt mit Lebensmitteln oder Pharmazeutika zugelassen. Als Kunde müssen Sie uns schon bei der Anfrage mitteilen, dass diese Bauteile konfrom mit der FDA/EU-Lebensmittelverordnung sein muss. Ein vorheriges Gespräch mit Ihrem Lieferanten ist wertvoll, damit der Kunststoff für die vorgesehene Anwendung richtig verarbeitet wird.

Jede Anwendung hat spezielle Anforderungen. Mit eigenschaftsverändernden (chemisch, mechanisch und/oder elektrisch) Hilfsstoffen können Kunststoffe optimal und individuelle Anforderungen erfüllen. Diese bieten ein enormes Potenzial zur Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten. In der Praxis bestimmen die Additive, wofür ein Kunststoff einsetzbar ist. Sie beeinflussen die Materialeigenschaften wie z. B. Isolierung, die Temperatur und weitere, wie elektrische/thermische Isolierung, chemische Beständigkeit, Druck, etc. Durch Additive können häufig die Eigenschaften eines Kunststoffes so verändert werden, dass sie den Anforderungen einer Maschine entsprechen. 

Bei den meisten dieser Zusatzstoffe handelt es sich um chemische, mechanische oder elektrische Verbindungen und Substanzen (Additive), die den Kunststoffen zugesetzt werden:

• UV-Beständigkeit
• Chemische Beständigkeit
• Thermische Isolation
• Elektrische Leitfähigkeit
• Antistatische Eigenschaften 
• Höhere Härte
• Transparenz
• Absorption von Neutronenstrahlung 
• Brandhemmung
• Triebologie
• Magnetisch detektierbar

Ein fachkundiger Lieferant stellt sicher, dass seine Kunststoffe alle einschlägigen Normen erfüllen und beachtet bei der Herstellung die Anforderungen für spezielle Anwendungen. Es gibt eine Vielzahl von Industrienormen, die je nach Branche und Land spezifische Produkt- und Leistungsanforderungen festlegen. 

Die wichtigsten Normen für die Kunststoffindustrie werden vom Britische Kunststoffverband (BPF) beschrieben und enthalten Vorgaben für Zusatzstoffe, Verbundstoffe, physikalische Eigenschaften und mehr. Weiter gehören zu den normsetzenden Körperschaften und Organisationen mit Einfluss auf die Kunststoffindustrie die Plastics Industry Association PLASTICS, der Verband VDMA Kunststoff- und Gummiindustrie und die internationalen Normen von EN/ISO/TC 61 für Kunststoffe (ASTM).

Nachhaltigkeit und Kunststoffe scheinen ein Widerspruch in sich zu sein. Tatsächlich sind inzwischen viele Kunststoffe recycelbar, selbst wenn sie Zusatzstoffe enthalten. Zusatzstoffe haben in der Regel keinen Einfluss auf die Recyclingfähigkeit von Kunststoffen. Auch bei faserverstärkten Produkten ist ein Recycling grundsätzlich möglich, auch wenn die Auswirkungen sich im Rezyklat deutlich zeigen. 

Die grösste Herausforderung beim Recycling ist die richtige Sortierung. Wird ein faserverstärkter Kunststoff mit einem nicht verstärkten Kunststoff gemischt, wirkt sich das auf das Recycling aus: die Eigenschaften des Kunststoffs sind nicht mehr klassifizierbar und seine mechanischen Eigenschaften bleiben nicht erhalten. 

Der Aufwand für die Sortierung von Kunststoffen ist beträchtlich und daher für Unternehmen finanziell (noch) nicht lukrativ. Diese Situation wird sich in den kommenden Jahren verändern, da Geldbussen, normative Vorgaben und finanzielle Anreize als Teil der Kunststoffstrategie der EU eingeführt werden. Diese sollen zur Akzeptanz und rentableren Umsetzung der Sortierung beitragen und schliesslich zu einem nachhaltigeren Umgang mit Kunststoffen.

Setzen Sie bei der Auswahl ihres Lieferanten auf Know-how. Ein kompetenter Kunststofflieferant weiss Bescheid über die neuesten Zusatzstoffe, Anpassungen und Vorgaben. Er erkundigt sich nach den geforderten Eigenschaften und der geplanten Anwendung, für die Sie ihre Maschine entwickeln. Damit reduzieren Sie das Risiko unvorhergesehener Schwierigkeiten mit Materialien und vermeiden kostspielige Fehler.

Damit Sie für Ihr Projekt die beste Materialauswahl treffen, beziehen Sie den fachkundigen Lieferanten frühstmöglich mit ein. Der Bereich der Kunststoffe ist äusserst komplex. Viele sind sich der riesigen Anzahl von verfügbaren Arten und des Potenzials nicht bewusst. Ein erfahrener Lieferant ermittelt Ihren Bedarf gezielt, bietet Ihnen die passgenaue Lösung oder empfiehlt eine Auswahl geeigneter Materialien.