Muss es immer Stahl sein?

Als die ersten Kunststoffe Ende des vergangenen Jahrhunderts auftauchten, waren sie erst einmal wie der Kunsthonig oder Kunstdünger nicht viel mehr als ein Surrogat für das natürliche Pendant. Doch sehr bald entdeckte man auch für den industriellen Sektor die Tugenden der synthetischen Materie. Es ist vor allem die spezifische Leichtigkeit ihres Seins, aber auch die Beständigkeit gegenüber mechanischen und chemischen Beanspruchungen, die den Kunststoffen längst ihren Platz auf der Werkstoffpalette für den Maschinen- und Anlagenbau sichern. Moderne Hochleistungs-Polymere sind mit ihrer Kombination aus zäh-harten Eigenschaften, gutem Dämpfungsverhalten und hoher Verschleißfestigkeit zu einer überzeugenden Material-Alternative geworden.

Es muss auch nicht unbedingt Messing sein, wie die Worcester Heat Systems Ltd., einer der führenden Hersteller von Zentralheizungsanlagen in Großbritannien, bei ihrer neuesten Modellreihe ¿Highflow 400¿ beweist. Die britischen Heizanlagenbauer haben in ihre Kombinations-Heizkessel ein Heißwasser-Verbindungsstück eingebaut, das statt wie üblich aus Messing jetzt aus ¿Zytel¿, einem Polyamid von DuPont, gefertigt wird.

Das hat Vorteile: Mit dem Kunststoff Polyamid (PA) konnte ein komplexeres Teil mit erweiterten Funktionen realisiert werden. Gleich zwei Aufgaben kann das Verteilerstück übernehmen. In früheren Modellen waren dafür zwei separate Bauteile erforderlich. Herkömmliche Verteiler aus dem Messing werden zunächst senkgeschmiedet und anschließend spanend bearbeitet. Das ist nicht nur umständlich, sondern macht die Sache auch teuer. Mit dem PA dagegen konnten die Stückkosten nach Angaben der Firma aus der Grafschaft Worcester auf rund ein Fünftel der ursprünglich geplanten Höhe runter geschraubt werden.

Ein bisschen Historie

Ursprünglich mal als Ersatzstoffe für das teuer und knapp gewordene Elfenbein, für den wie Gold gehandelten Naturkautschuk oder auch für Schafs- und Baumwolle gedacht, haben sich die Kunststoffe vor allem nach dem Zweiten Weltkrieg zu einer eigenen und vielseitig genutzten Werkstoffklasse gemausert. Mehr als 150 Millionen Tonnen Kunststoffe werden heute in jedem Jahr weltweit produziert und weitgehend auch verarbeitet. Nicht nur die Hersteller von Verpackungen und Haushaltsartikel, von Spielzeug und Sportausrüstung setzen auf die Stoffe aus der Retorte, auch die Elektro- und Elektronik-Industrie, die Automobilbauer sowieso und selbst die Landwirte profitieren vom Charme der makromolekularen Newcomer. Und die Maschinen- und Anlagenbauer ¿ wie im Weiteren beschrieben!

Doch vorab vielleicht ein paar Takte zur Geschichte der Kunststoffe, die ja noch jung genug sind, um erklärungsbedürftig sein zu dürfen. Und dann sind wir in Deutschland am Beginn der 20er Jahre. Der Begriff ¿Kunststoffe¿ beginnt sich durch eine vom Chemiker Richard Escales (1863¿1924) im Jahre 1911 gegründete (und noch immer existierende) Zeitschrift gleichen Namens so ganz allmählich in Fachkreisen zu etablieren. Doch bis weit in diese zweite Dekade des 20. Jahrhunderts hinein herrscht völlige Unkenntnis darüber, wie um alles in der Welt diese sogenannten Kunststoffe eigentlich aufgebaut sind; nach welchen Gesetzen sie sich im Labor synthetisieren und in den Reaktoren der Großchemie polymerisieren lassen.

Die wahre Geschichte der Kunststoffe beginnt denn auch erst mit Hermann Staudinger (1881¿1965) und seinen Forschungen an der Technischen Hochschule Zürich und später an der Freiburger Universität im Breisgau. Er gilt als Entdecker der Makromoleküle, jenen Grundbausteinen, aus denen sich in Anlehnung an die Natur die synthetischen Werkstoffe formieren. Die von Staudinger bewiesene Existenz von Riesenmolekülen ist das Bauprinzip aller synthetischen, aber auch aller natürlichen Polymere. Viele kleine Monomer-Moleküle werden bei der Polymerisation, dem chemischen Herstellungsprozess von Kunststoffen, wie Perlen an einer Kette miteinander verknüpft. So einfach und gleichzeitig so kompliziert ist die molekulare Struktur aller Kunststoffe, wie wir sie heute als PVC, Polyethylen, Polypropylen oder auch ¿Plexiglas¿ kennen. Staudinger erhielt 1953 für seine grundlegenden Arbeiten den Nobelpreis für Chemie.

Er legte den Grundstock für eine dynamische Entwicklung, die etwa Mitte der 50er bis weit in die 70er Jahre hinein ihren Höhepunkt hatte. In dieser Phase wurden immer wieder neue, immer wieder verbesserte Kunststoffe von der einschlägigen chemischen Industrie entwickelt und auf den Markt gebracht. Und es wurden vor allem immer weitere Einsatzgebiete für die ¿Plaste und Elastomere¿ entdeckt und propagiert. Das jubelte den Konsum dieser Chemieprodukte in ungeahnte Höhen. Allein in deutschen Landen werden jedes Jahr von jedem Bürger mehr als 125 Kilogramm Kunststoffe in allen erdenklichen Kategorien verbraucht.

Nicht Betten, aber Ketten

Dabei sind die Kunststoffe nicht gerade die Werkstoffe erster Wahl, wenn es im Maschinenbau um die Basiskonstruktionen geht. Also nichts für Maschinenbetten, Rahmen, Gestelle, Großteile überhaupt. Vielmehr sind sie hervorragend geeignete Materialien für Maschinenelemente: also für Rohre, Absperrorgane, Gleit- und Verschleißteile, für Lager, Zahnräder oder auch Förderketten. Das Spektrum kann vom Kleinlüfter in irgendeinem Elektro-Werkzeug bis zum großdimensionierten Ventilator in Rückkühlanlagen, vom klitzekleinen Mini-Gleitlager bis zu großkalibrigen Gleitkufen in Walzwerken reichen, vom Gehäuse für die Handbohrmaschine bis zu 30 Meter hohen Waschtürmen für Rauchgas- und Entschwefelungsanlagen.

Black & Decker zum Beispiel setzt beim Gehäuse seiner jüngst auf den Markt gebrachten Handbohrmaschine der Serie ¿Omega¿ auf das schon eingangs erwähnte Polyamid. Das Gehäuse des Geräts wird aus ¿Capron 8333 GHI HS¿ gefertigt, einem schlagzäh modifizierten und wärmestabilen PA6 mit einem Anteil von 33 Prozent Glasfasern als Verstärkung. Das von dem US-Konzern Allied Signal offerierte Material bietet laut Hersteller neben hoher Festigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit gleichfalls gute Werte hinsichtlich Wärmeform- und Chemikalienbeständigkeit. Gut verarbeiten ließe sich die faserarmierte Masse außerdem.

Einen IF Product Design Award für ihre Rettungsschere ¿LKE 70¿ konnte die in Erlangen ansässige Lukas Hydraulik auf der Hannover Messe ¿98 kassieren. Gehäuse und Akkubehälter dieses Werkzeugs bestehen aus dem massiven Polyurethan(PUR)-Gießsystem ¿Baydur GS¿ von Bayer, Leverkusen. Nach Angaben des Unternehmens sorge das Zweikomponenten-Material dafür, dass auf Antriebs- und Funktionsteile der Schere im Ernstfall und bei Einsatz Verlass ist. Schlagzähigkeit und Festigkeit des Materials bieten Gewähr, dass die ¿LKE 70¿ gegen scharfe Metallkanten, Glassplitter oder auch kräftige Schläge gefeit ist. Außerdem sei das PUR-Gehäuse leichter als solche aus irgendwelchen metallischen Wettbewerbern. Darüber hinaus gegen auslaufenden Treibstoff, Öle sowie verdünnte Säuren und Laugen resistent.

Für innen und außen

Eine Nummer größer als die Gehäuse von Schlagbohrern und Rettungsscheren dürfen jene Dinge sein, die sich aus dem fertigen lassen, was erstmals zur K ¿98 als ¿Kömadur¿ dem gehäusezimmernden Gewerbe angedient wurde. Mit dieser Produktlinie präsentierte die Kömmerling Kunststoffwerke, Pirmasens, auf der Internationalen Kunststoffmesse im Herbst letzten Jahres in Düsseldorf PVC-Platten in massiver Ausführung, die sich nach Angaben des Herstellers aus der Pfalz durch ¿eine überaus gute thermische Verformbarkeit auszeichnen¿. Die Platten, wie sie normal bis erhöht schlagzäh in vier Varianten zu haben sind, lassen sich sowohl im Innen- als auch Außenbereich multifunktionell einsetzen. Sie sind wetterbeständig, können bedruckt, lackiert und beschichtet werden, enthalten weder Barium, noch Cadmium oder Blei und sind voll recycelbar. Vielfältige Verwendung finden sie im Apparate-, Behälter- und Maschinenbau, in der Chemie- und Galvanotechnik und zur Konstruktion von Schalt- und Zählerschränken. Ebenfalls angesagt ist ihre Verwendung für Schalttafeln und Kabelkanälen, bei Klima- und Lüftungselementen.

Und dass es wahrlich nicht unbedingt Stahl sein muss, belegt auch das Beispiel des Pumpenfabrikanten Northern Pump. Auf der Suche nach einem Getriebematerial für den Ersatz von nichtrostendem Stahl in der Pumpenreihe ¿Dura¿ stießen die Northern Pump-Ingenieure auf ¿Victrex PEEK¿. Dieser Hochleistungs-Kunststoff, wie er in unseren Breiten von Victrex Europa in Hofheim an den Hängen des Taunus betreut wird, bot den Konstrukteuren hervorragende Chemikalien-, Korrosions- und Abriebfestigkeit sowie eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme. So können die Pumpen nach Darstellung seiner Macher jetzt Flüssigkeiten in einem ungleich breiteren pH-Bereich fördern als das mit den traditionellen Werkstoffen möglich war. Hervorgehoben wird, dass Northern Pump eines der wenigen Unternehmen ist, das solche Schraubenradgetriebe aus ¿PEEK¿ herstellt.

Auf den Engineering-Thermoplast ¿PEEK¿ schwört auch neo-plastic Dr. Doetsch Diespeck im bayerischen Diespeck ¿ unweit von Neustadt an der Aisch. Die auf Spritzgießfertigung spezialisierte Firma hat eine neue Verbundkonstruktion für Gleitlager entwickelt: ¿Neogleit¿ setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, aus einer dünnwandigen Gleitfläche und einer alternativ mit Metallpartikeln oder Verstärkungsfasern modifizierten Außenschicht. Für die eigentliche Gleitzone wählte man bei neo-plastic das besagte ¿Victrex PEEK¿. Entscheidend für die Wahl gerade dieses Materials sei unter anderem die ausgezeichnete Gleiteigenschaft sowie das sehr gute Abriebverhalten gewesen. Als weitere Pluspunkt komme die für einen polymeren Werkstoff hohe Temperaturbeständigkeit von bis zu 250 Grad Celsius hinzu.

Mit Campus zum Ziel

Das sind nur einige Beispiele aus einer Vielzahl aktueller Applikationen der makromolekularen Materie im Maschinen- und Apparatebau. Sie reißen die vielfältigen Möglichkeiten nur an und sind dennoch Beleg dafür, wie sich mit Hilfe der Kunststoffe ganz interessante und viel versprechende Perspektiven eröffnen. Doch sollte, wer sich als Konstrukteur auf das polymere Feld vorwagt, vom chemischen Charakter seiner Spielwiese eine blasse Ahnung wenigstens haben. Zwar gilt der alte Spruch ¿Wer Kunststoff kennt, nimmt Metall¿ nun wirklich nicht mehr. Doch wer Kunststoff nimmt, muss zumindest in Kauf nehmen, dass andere Eigenschaftswerte und andere Kennzahlen als beim aus Erz gewonnenen Wettbewerb gültig sind.

Namentlich auf die Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Werkstoff-Kennwerte ist bei der Berechnung zu achten. Auch dann, wenn ¿ wie vielfach an der Tagesordnung ¿ Kunststoff-Konstruktionen mit Assistenz der FE(Finite Elemente)-Methode erstellt werden. Die gestattet zwar, nicht-lineare Materialgesetze einzuführen, doch die Daten und rheologischen Werte muss man erstmal haben.

Lässt sich machen! Entsprechende Daten werden von den meisten Rohstoff-Lieferanten über ¿Campus¿ zur Verfügung gestellt. Dahinter verbirgt sich eine Datenbank, in der die mechanischen und physikalischen Daten aller marktgängigen Kunststoffsortierungen nach einheitlichen Richtlinien definiert sind.

An der Schwelle zu einem neuen Jahrtausend bleibt die Frage, welche Potentiale die Kunststoffe dem Maschinenbauer und der Industrie generell in Zukunft bieten. Rolf Mühlhaupt, Professor für Makromolekulare Chemie an der Uni Freiburg, ist zuversichtlich, dass die Polymere auch in einem neuen Millenium für innovative Problemlösungen in neuen Technologien taugen. Wurde in den vergangenen Jahren nämlich ein Haufen Geld und Grips auf der Suche nach geeigneten Verfahren zum Entsorgen ausrangierter Plastikteile verschleudert, so besinne man sich jetzt wieder auf die Stärken der Kunststoffe und nutze sie als Triebkraft für spektakuläre Entwicklungen. Mikrotechnik, Nanostrukturen, ¿sustainable development¿ sind Stichworte, die Mühlhaupt dazu einfallen. Und es sind für ihn gleichzeitig Herausforderungen, die sich nur durch den gezielten Einsatz von Kunststoffen bewältigen ließen.

Siegfried Heimlich / Oktober 1999