Valvola di controllo dell’acqua prodotta con compound LATI ad alte prestazioni per garantire resistenza alla pressione, durabilità e sicurezza del flusso idrico
Industrie, Struktur
Industrie, Strukturbyadmin

Der Ersatz von Metall durch thermoplastische Compounds (Metallersatz durch technische Polymere) ist eine grundlegende Strategie in vielen industriellen Anwendungen, die darauf abzielen, Gewicht, Kosten und Komplexität zu reduzieren. Der Übergang ist jedoch nicht trivial: Er erfordert eine neue Denkweise bei der Konstruktion, ein tiefes Verständnis der Compoundeigenschaften und eine sorgfältige Untersuchung der Anwendungsbeschränkungen.

Im folgenden Fall wird eine technische Fallstudie vorgestellt: Ultra Finishing & CPA Products, die Messingkomponenten durch LATIGLOSS-Compound bei der Konstruktion eines Thermostat-Duschventils ersetzt haben.

Grundlegende Herausforderungen beim Metallersatz

Zu berücksichtigende Materialunterschiede

Beim Übergang von Metall zu einem thermoplastischen Compound müssen Einschränkungen berücksichtigt werden, die sich aus den grundlegenden Unterschieden ergeben:

  • Elastizitätsmodul und Steifigkeit: Thermoplaste, auch verstärkte, haben niedrigere Moduli als metallische, so dass das Teil neu konstruiert werden muss (Dicken, Rippen, Geometrien), um die Flexibilität auszugleichen.
  • Kriechen und langsame Verformungen: Unter konstanten Lasten können sich polymere Werkstoffe mit der Zeit verformen; diese Phänomene müssen bei der Dimensionierung berücksichtigt werden.
  • Thermische Leistung und Dimensionsstabilität: Compounds müssen Temperaturschwankungen, Ausdehnung, Kontraktion und Feuchtigkeitsaufnahme standhalten.
  • Verarbeitbarkeit des Materials: Hohe Anteile an Fasern und Additiven können den Fluss in der Form erschweren und Defekte verursachen.
  • Verträglichkeit mit der Betriebsumgebung (Feuchtigkeit, chemische Mittel, Korrosion) und erforderliche Haltbarkeit.

Viele Industriestudien zeigen, dass es nicht möglich ist, eine Metallkomponente direkt durch einen gleichwertigen Compound ohne strukturelle Neugestaltung zu ersetzen: Abgerundete Ecken, die Verwendung von FEM-Software und die Neuberechnung von Dicken sind Standardverfahren beim Metallersatz.

Fallstudie: „Pioneer“-Thermostatventil aus LATIGLOSS

Projektkontext und -ziele

Ultra Finishing Ltd hat in Zusammenarbeit mit CPA Products ein Projekt durchgeführt, um Messing aus einigen Komponenten seiner Duschventillinie zu entfernen und sie durch einen technischen thermoplastischen Compound zu ersetzen: LATIGLOSS.

Die Hauptziele waren:

  1. Gesamtgewichtsreduzierung der Komponente.
  2. Kostenreduzierung, sowohl bei Material als auch bei der Verarbeitung (weniger Endbearbeitung und mechanische Bearbeitung).
  3. Größenoptimierung und Komponentenintegration.
  4. Aufrechterhaltung enger Toleranzen ohne Nachbearbeitung.

Entwicklungsstrategie und Zeitplan

  • CPA entwarf Werkzeuge und entwickelte Geometrien, die die Anzahl der Komponenten in der Ventilbaugruppe reduzierten.
  • Verstärkungselemente und optimierte Geometrien (Rippen, differenzierte Dicken) wurden eingesetzt, um hydraulischen und mechanischen Belastungen standzuhalten.
  • Der Transformationszyklus vom Konzept bis zur Produktion dauerte acht Monate, einschließlich Co-Design, Prototyping und Implementierungsphasen.

Erreichte Ergebnisse

  • Das Komponentengewicht wurde im Vergleich zum Messingäquivalent auf fast ein Zehntel reduziert.
  • Das Ventil erzeugt trotz des hohen Glasfasergehalts eine hohe Dimensionsstabilität, dank guter Fließgestaltung und studierter Geometrie.
  • Alle internen Tests (Druck, Lecks, Haltbarkeit) wurden erfolgreich bestanden, was die Robustheit der Polymerlösung bestätigt.
  • Das Material ist nicht korrosionsanfällig wie Metalle, was die Haltbarkeit in wässrigen Umgebungen verbessert.

Dieser Fall wird auch von LATI in seinem Portfolio angeführt, um zu veranschaulichen, wie Compounds metallische Komponenten in realen Anwendungen ersetzen können.

Richtlinien für die Konstruktion von Metallersatz mit Compounds

1. Analyse der funktionalen und umweltbedingten Anforderungen

  • Identifizieren Sie Lasten (statisch, dynamisch, zyklisch).
  • Bewerten Sie Betriebstemperaturen, thermische Ausflüge, Feuchtigkeit und chemische Aggressivität.
  • Definieren Sie Verformungsgrenzen und akzeptable Toleranzen.

2. Compoundauswahl und Verstärkungsgrad

  • Wählen Sie eine geeignete Polymermatrix (PA6, PA66, PPA, PPO, PPS)
  • Definieren Sie den Glasfaseranteil (z. B. 30–65 %) basierend auf dem Kompromiss zwischen Fließfähigkeit und Mechanik.
  • Berücksichtigen Sie Additive für die thermische Stabilisierung, UV-Beständigkeit, interne Schmierung usw.

3. Geometrie überdenken (Neugestaltung)

  • Erhöhen Sie bei Bedarf die Dicken, fügen Sie Rippen und lokalisierte Verstärkungen hinzu.
  • Vermeiden Sie scharfe Ecken und Diskontinuitäten, die Spannungskonzentrationen begünstigen.
  • Verwenden Sie CAE/FEM-Software, um das mechanische und thermische Verhalten von verstärktem Material zu simulieren. LATI bietet Simulationsdienstleistungen für den Metallersatz an.

4. Prozesskontrolle und Formgebungsparameter

  • Optimieren Sie den Fluss, um hochbelastetes Material zu verarbeiten.
  • Kontrollieren Sie Schrumpfung und Verformungen während der Kühlung.
  • Integrieren Sie Dimensionskontrollen in die Produktions- und Qualitätsüberwachung.

5. Experimentelle Verifizierung und Validierungszyklus

  • Führen Sie Zug-, Biege-, Kriech- und Ermüdungsprüfungen durch.
  • Druck-, Leck- und Haltbarkeitstests für Fluidkomponenten.
  • Überprüfen Sie die Umweltbeständigkeit im Laufe der Zeit (Feuchtigkeit, chemische Mittel).
  • Validieren Sie Chargen mit Feldtests vor der industriellen Einführung.

Wesentliche Vor- und Nachteile, die zu berücksichtigen sind

Vorteile

  • Signifikante Gewichtsreduzierung: Compounds haben eine viel geringere Dichte als Metalle (z. B. typische Dichten von PA + Glas-Compounds ~ 1,5–2,0 g/cm³ gegenüber 7–8 g/cm³ für Metall).
  • Größere Designfreiheit und Funktionsintegration, dank Formgebung.
  • Geringere Nachbearbeitungskosten, weniger Endbearbeitung, weniger Montage.
  • Verbesserte Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit im Vergleich zu Metallen in aggressiven Umgebungen.
  • Nachhaltigkeitspotenzial: Reduzierung des Energieverbrauchs, Vereinfachung des Recyclings, LCA (Lebenszyklusanalyse)-Optimierung.
  • Verschiedene Compoundier- und Technologieanbieter bieten heute kundenspezifische Materialien für den Metallersatz an.

Einschränkungen und Überlegungen

  • Nicht alle metallischen Anwendungen sind ersetzbar – in Fällen von hohen Temperaturen, extremen Belastungen oder spezifischen Leitfähigkeitsanforderungen kann eine Hybridlösung erforderlich sein.
  • Eine Neugestaltung ist obligatorisch: Sie können nicht „in toto“ ohne Neugestaltung ersetzen.
  • Die Investition in Simulation, Prototyping und Validierung ist höher als bei einem einfachen Austausch.
  • Bei geringen Stückzahlen können die Compoundkosten höher sein als bei etablierten metallischen Lösungen.
  • Enge Toleranzen und komplexe Geometrien erfordern hohe Erfahrung.

FAQ

F1: Wann ist es sinnvoll, Metall durch thermoplastische Compounds zu ersetzen?
Wenn die Anforderungen (Last, Temperatur, Verformungen) mit verstärkten Polymeren kompatibel sind und Sie von Leichtigkeit, Kosten, integriertem Design und Nachhaltigkeit profitieren können.

F2: Welche Verstärkungsgrade sind typisch für Compounds für den Metallersatz?
Glasfasern im Bereich von 30-65 Gew.-% werden häufig verwendet, um einen Kompromiss zwischen Mechanik und Verarbeitbarkeit zu erzielen. Studien zeigen, dass selbst Compounds mit 50 % Glasfaser ein ausgezeichnetes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweisen können.

F3: Was sind die häufigsten Konstruktionsfehler?
Zu den häufigsten Fehlern gehören die Verwendung von Geometrien, die für Metall ohne Anpassung ausgelegt sind (scharfe Ecken, unzureichende Dicken), das Ignorieren von Kriechen oder Langzeitverformung und die Nichtberücksichtigung der Anisotropie von verstärktem Material.