In enger Verbundenheit

Kunststoff und Gummi, Gummi und Metall, Metall und Kunststoff: Manchmal geht es nur gemeinsam. Je nach montagetechnischen oder mechanischen, thermischen oder chemischen Anforderungen sind Zulieferteile aus Werkstoff-Kombinationen die bessere Wahl. Folgen Sie uns auf einer kleinen Reise durch die Welt der Verbundlösungen.

¿Er hat das gleiche spezifische Gewicht wie Holz, er klingt wie Holz und er fällt auch um wie Holz. Allerdings bringt er es auf die doppelte Lebensdauer¿. Kein Zweifel, Geschäftsführer Andreas Jäger vom Hannoveraner Hersteller Gummi-Jäger ist sichtlich stolz auf seine Neuentwicklung: Einen vollsynthetischen Bowling-Kegel. Nahezu unzerstörbar und splitterfrei, wird er vielleicht schon bald zum Lieblingsziel von Heerscharen mehr oder minder kugelsicherer ¿Kegler¿. Damit der Pin (profisprachlich für Kegel) die Dauerprügel durch die acht Kilogramm schweren Bowling-Bomben aber locker wegsteckt, musste sein Erfinder tief in die Werkstoffkiste greifen. Laboruntersuchungen, Praxistests am lebenden Objekt und 3D-CAD gestützte Entwicklungsarbeit führten schließlich zu einer Lösung aus drei Komponenten. Des Kegels Kern ist mit Polypropylen ausgeschäumt und seine Hülle besteht aus zweierlei co-extrudiertem Polypropylen mit verschiedenen Eigenschaften: Einer inneren Trägerschicht von großer Zähigkeit und einem Aussenbereich, der besonders abrieb- und verschleißfest ist. Um das Beschriften des Pins zu ermöglichen, wurde seine Oberfläche zusätzlich mit einem Laseradditiv behandelt (PP lässt sich nur schwer bedrucken).

Neben Verbundteilen für den Spaß- und Sportmarkt finden sich im Produktspektrum des mittelständischen Lieferanten für Gummi- und Kunststoff-Komponenten aber vor allem clevere Werkstoff-Kombinationen für Maschinen- und Fahrzeugbau. Dabei zeigt sich, dass auch bestehende Verbundprodukte weiter verbesserungsfähig sind. So entwickelte das Unternehmen beispielsweise einen neuen Getriebedeckel mit Dichtung für Elektromotoren aus einem molekularen Kunststoff-Kautschuk-Verbund. Er ist um ein Vielfaches leichter und preiswerter als sein Vorgänger aus einer Gummi-Metall-Verbindung. Zudem lässt er sich einfacher montieren (kein Schrauben!). Dabei finden die Thermoplast- und Elastomeranteile für Deckel und Dichtungslippe in einem Direktverfahren ohne Haftvermittler zueinander. Auf ähnliche Weise realisiert wurde eine Magnesium-Kautschuk-Variante des Bauteils. Bei diesem ebenfalls sehr leichten, durch den Metallanteil aber steiferen Getriebedeckel, kombinierte man ein Magnesium-Spritzgussteil (Thixomolding) mit einem Dichtring aus dem säure-, laugen- und witterungsbeständigen Vulkanisat EPDM.

Hart aber weich

Motor für die Entwicklung neuer Verbund-Bauteile ist neben den konstruktiven Forderungen nach speziellen Materialeigenschaften häufig der zunehmende Drang zur Automatisierung: Bauteile sollen sich immer schneller, unkomplizierter und prozesssicherer montieren lassen. Ein gutes Beispiel dafür ist nicht nur der erwähnte Getriebedeckel, der eine zeitraubende Schraubmontage überflüssig macht, sondern auch unter handhabungstechnischen Gesichtspunkten verbesserte Dichtungen, Membrane oder Tüllen.

Bislang mussten formlabile Elastomer-Bauteile oft mit zusätzlichen Stützskeletten und Einbaunuten ¿ konstruktiv eigentlich unnötig ¿ versehen werden, damit sie sich genau positionieren und einlegen ließen. Formstabile Verbunde, bei denen die eigentliche Dichtungzone aus Gummi eine feste Verbindung mit einem stabilisierenden Rahmen aus Kunststoff eingeht, lösen dieses Problem. Eine solche Formdichtung fällt schnell und präzise an ihren Platz im Druckguss-Gehäuse der elektronischen Steuerung. Sie stellt daher die automatische Montage auf sichere Beine.

Ein weiteres Produkt-Beispiel aus diesem Bereich sind die Hart-Weich-Verbunde von Kendrion Backhaus. Der Automobil-Zulieferer fertigt im Zweikomponenten-Spritzguss großformatige Luftführungselemente. Während deren steife Bereiche die Formstabilität gewährleisten, sichern ihre weichen Zonen die Dichtigkeit im Einsatz und gleichen Einbautoleranzen aus. Für die Weichkomponente kommt ein thermoplastisches Elastomer (TPE) des hessischen Anbieters Resinex zum Einsatz, das ¿nahezu emissions- und geruchsfrei¿ ist und eine ¿ausgezeichnete Haftung¿ mit der harten Seite aus talkumgefülltem Polypropylen haben soll. Für das TPE entschied sich der Zulieferer, weil das Material sowohl mit Öl und Kraftstoff als auch mit den Temperaturwechseln unter der Motorhaube des Fahrzeugs klar kommt.

Die bis zu einem Meter langen Komplett-Bauteile ersetzen die früheren aufgesetzen Gummileisten, die aus mehreren Teilen montiert werden mussten und sich im späteren Fahrbetrieb häufig lösten. Da sie außerdem in einem einzigen Arbeitsgang entstehen, ließen sich durch diese Verbundlösung auch Fertigungsabläufe, Werkzeugkonstruktion und Verarbeitungsparamter optimieren. Sowas nennt man ein innovatives Zulieferteil!

Konisch oder talliert

Ein eher traditionelles, sicherlich aber eines der größten Einsatzgebiete für werkstofftechnische Kombinationen aus Metall und Gummi liegt im Bereich von Schwingungsisolation und Stoßabsorption. Die entsprechenden Bauteile sind jedem Maschinenbauer bestens bekannt und entstehen zum Beispiel bei GMT oder Elastometall. Metall und Gummi finden hierbei über das Vulkanisieren zueinander und ergeben Lager und Puffer in allen nur denkbaren Formen: Zylinder- oder parabelförmig, konisch oder tailliert ¿ ganz wie es dem Konstrukteur beliebt. Selbst Schienen mit W-Fachwerken aus Gummi, Gummizahnräder mit Stahlnaben, Ummantelungen oder Sandwich-Konstruktionen kommen auf diese Weise zustande. Je nach Ausführung lassen sie sich auf Druck, Schub oder Zug belasten. Komplett hergestellt mit Führungen oder Verbindungselementen handelt es sich meist um einbaufertige und massive Verbund-Bauteile, die hart im Nehmen sind und zum Beispiel zum Lagern von Pumpen, Motoren oder Kompressoren verwendet werden.

Ein neuer alter Name auf dem Gebiet der Gummi-Metall-Verbindungen ist das Unternehmen Gummi Metall in Weilheim (Teck). Es entstand im März dieses Jahres mit der Übernahme von Scheufele & Gienger durch die Parker Hannifin Gruppe. Mit seinen eigenen Gummi-Metall-Dichtungen war der US-amerikanische Globalplayer in Europa bisher lediglich in Raumfahrt-Projekten vertreten. Von seinem neuen Standbein in Deutschland erhofft sich das Unternehmen eigenen Angaben zufolge nun den Zugang zur Automobil- und Elektroindustrie sowie zum Maschinenbau. Genau auf diese Märkte nämlich ist das Produktspektrum von Scheufele & Gienger ausgerichtet: Schwingungsdämpfer mit und ohne Gewinde, Dichtungselemente für den Fahrzeugbau und Sonderteile nach Kundenzeichnung für die Automobil-Hersteller. Auch Gummi-Kunststoff- oder gar Gummi-Keramik-Verbunde gehören zum Angebot des Unternehmens.

Von zarter Gestalt

Von ganz anderer Art und überaus zarter Gestalt sind die Verbund-Lösungen der Spiralfedernfabrik Carl Haas. Der Schramberger Zulieferer produziert kleine aber komplexe Baugruppen, bestehend aus metallenen Stanzbiegeteilen oder Spiralfedern einerseits und Kunststoffelementen aus Polyamid, Polystyrol oder Polyäthylen andererseits. Meist sind es filigrane Montageteile und Funktionselemente sowie Befestigungen und Isolierungen elektrisch leitender Teile, die als geschweißte, genietete oder gekleb- te unlösbare Kunststoff-Metallverbindungen in zahlreiche Abnehmerbranchen wandern. Geliefert wird vor allem in Feinmechanik, Elektronik und Optik sowie den Automobilbau, die Medizintechnik und den Messgerätebau. Selbstverständlich hat das 340 Mitarbeiter starke Unternehmen auch in der Uhrenindustrie einen guten Namen.

Ebenfalls eher klein in der Größe sind die Verbund-Bauteile aus dem Hause Oekametall. Zu den Spezialitäten des Bamberger Unternehmens zählen Kunststoff umspritzte Metallteile für dekorative Zwecke wie etwa Lenkrad-Plaketten für den Automobilbau, Abdeckungen oder Produktschilder. Darüber hinaus gehören montierte Baugruppen mit rein mechanisch verbundenen Metall- und Kunststoffteilen zum Sortiment dieses Zulieferers. Und vorwiegend für Pharma- und Kosmetikindustrie fertigt man ein umfangreiches Programm an feinen Bürstchen, die letztlich ja auch eine Art mechanischer Verbund aus Metalldraht und Kunststoffborsten sind.

Ein Herz aus Stahl

Von anderem Kaliber sind die Guss-Verbundlösungen aus Metall und Kunststoff von Handtmann Elteka. Dabei kommt ein aus reinem Laurinlactam hergestelltes Polyamid (PA 12G) zum Einsatz. Der Lauramid genannte Werkstoff hat eine hochkristalline Sphärolithstruktur. Aufgrund seiner hohen mechanischen Festigkeit und seiner physikalischen Eigenschaften eignet er sich hervorragend für Konstruktionen in Antriebstechnik, Maschinen-, Apparate- und Anlagenbau.

Der Stadtbergener Zulieferer fertigt daraus unter anderem Laufrollen, Zahn- und Schneckenräder. Dabei erhalten diese Bauteile einen Metallkern, der unlösbar in den Spezialkunststoff eingegossen wird: Ein Herz aus Stahl sozusagen. So besteht bei den Zahnrädern beispielsweise die Nabe aus Stahl und der Rest aus dem zäh-harten Lauramid. Gegenüber Stahlzahnrädern kann die Verbundlösung überraschende Vorteile in den Bereichen Geräusch- und Dämpfungsverhalten sowie Mangelschmierung- und Trockenlauffähigkeiten für sich verbuchen. ¿In Fällen mit starker Schwingungsbeanspruchung oder bei auftretenden Eingriffsstörungen kann ein Lauramid-Zahnrad einem Zahnrad aus Vergütungsstahl gleicher Dimension überlegen sein. Hier sind Elastizität und Traganteil einer Verzahnung maßgebend¿, so der Hersteller.

Den Laufrollen und -rädern verschafft der Kunststoff neben hoher Tragfähigkeit und hoher Abriebfestigkeit einen geringen Rollwiderstand sowie eine beeindruckende Schlag- und Stoßfestigkeit. Auch bei diesen Zulieferteilen bestehen Nabe oder Welle aus Metall. Im Fall angetriebener Laufräder ermöglicht der Lauramid-Metallverbund laut Hersteller ¿eine problemlose Krafteinleitung¿. Hohe Drehmomentübertragung sowie Rund- und Planlaufgenauigkeit sind weitere gute Eigenschaften.

Neben den genannten Merkmalen zeichnet sich das Material außerdem durch Säureresistenz, Temperaturbeständigkeit, gutes Rückstellverhalten und Dimensionsstabilität aus. Ein derart vielseitiger Werkstoff eignet sich freilich nicht nur zur Herstellung von Zahnrädern oder Laufrollen. Daher fertigt Handtmann Elteka daraus auch Verbund-Bauteile für ganz andere Einsatzgebiete. So etwa Dichtungsringe und Gleitbeläge für die Erdgas- und Erdölindustrie, Laufräder und Gehäuse für Pumpen oder mächtige Siebzylinder mit eingegossenem Ballenträger für die Entwässerungstechnik.

Werkstoffverbunde oder Verbundwerkstoffe ¿ beinahe jede größere Uni in Deutschland arbeitet auf diesen Feldern und fast wöchentlich erfreut uns die Forschung mit neuen Erkenntnissen aus diesem Bereich. Häufig aus dem Bereich der faserverstärkten Verbundlösungen und oft gewonnen in engem Austausch mit der Industrie. Da entwickelt die RWTH Aachen gemeinsam mit dem mittelständischen Unternehmen Feinguss Blank einen keramikverstärkten Hochleistungs-Werkststoff für Feingussteile aus Aluminium; oder die TU Berlin beschäftigt sich mit dem Strangpressen von Verbundwerkstoffen; oder die Uni Kaiserslautern kämpft mit der Vakuumimprägnierung gewickelter Verbundwerkstoffe; oder die TU Clausthal sucht ¿ ¿immer öfter¿ ¿ nach neuen Lösungen im Bereich der Pulver- und Verbundwerkstoffe; und bisweilen sind es gar die Informatiker, die gemeinsam mit der Werkstofftüftlern neue Verbundlösungen ¿designen¿, wie etwa an der Uni Dortmund. Die Suche nach dem ¿idealen¿ Werkstoff für das ¿ideale¿ Bauteil wird auch in Zukunft immer wieder für Überraschungen sorgen. Einige davon ¿ das vor allem sollte unser Bericht zeigen ¿ finden sich dann später als Standardlösung für Serienbauteile in Maschinen oder Fahrzeugen wieder. Und keiner spricht mehr darüber.

Michael Stöcker / Juni 2000