Warum ein tribologisches Projekt ein gemeinsames Überdenken von Struktur, Kontakt, Temperatur, Geometrie und Produktionsprozess erfordert.

Metal Replacement: Wann ein selbstschmierender Kunststoff Metall ersetzen kann

Eine Metallkomponente erfordert mechanische Bearbeitung, eine zusätzliche Buchse, Schmierung und mehrere Montageschritte. Oder sie ist zu schwer für ein System, das tausende Male beschleunigen und verzögern muss. An diesem Punkt stellt sich fast zwangsläufig die Frage: Können wir sie aus Kunststoff herstellen?

Die Antwort hängt nicht nur vom Vergleich zwischen der Festigkeit des Metalls und der des Polymers ab. Ein erfolgreiches Metal Replacement geht von der Funktion der Komponente aus und gestaltet das System unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften thermoplastischer Materialien neu.

Das Grundprinzip Metal Replacement bedeutet nicht, die Metallgeometrie zu kopieren und das Material zu ändern. Es bedeutet, das Bauteil neu zu entwerfen, um Spritzguss, Funktionsintegration und Compound-Eigenschaften zu nutzen, während Creep, Temperatur, Toleranzen und Tribologie unter Kontrolle bleiben.

Warum die Metallgeometrie nicht automatisch übernommen werden sollte

Metalle und Polymere haben unterschiedliche Elastizitätsmodule, Wärmeausdehnungen, Kriechverhalten (Creep), Wärmeleitfähigkeit und Versagensmodi. Bei verstärkten Compounds kommt zudem die durch den Spritzguss bedingte Faserausrichtung ins Spiel, die zu anisotropem Verhalten führen kann.

Aus diesem Grund kann eine in Stahl effiziente Geometrie für Kunststoff ungeeignet sein. Rippen, Radien, Wandstärken, Anspritzpunkte, Fließrichtung und Funktionsintegration müssen zusammen mit der Wahl der Matrix und der Verstärkung neu überdacht werden.

Bei beweglichen Komponenten gibt es eine zusätzliche Herausforderung: die Tribologie

Eine statische Halterung muss eine Last tragen. Eine Buchse, ein Nocken, eine Führung oder ein Zahnrad muss die Last tragen und gleichzeitig eine stabile Schnittstelle über eine hohe Anzahl von Zyklen aufrechterhalten. Der strukturelle und der tribologische Teil können nicht getrennt werden.

Das Material muss daher nicht nur nach Modul und Festigkeit ausgewählt werden, sondern auch nach Reibung, Verschleiß, Gegenlaufpartner, Druck, Geschwindigkeit, Temperatur und Bewegungsqualität.

Die fünf Funktionen, die vor dem Redesign zu erfassen sind

1. Strukturelle Funktion

Welchen Lasten muss die Komponente standhalten? Sind sie statisch, zyklisch oder impulsiv? Welche Verformung ist akzeptabel? Welcher Spielraum wird in Bezug auf Creep und Ermüdung benötigt?

2. Dimensionale Funktion

Welche Toleranzen müssen über die Zeit und bei Betriebstemperatur eingehalten werden? Eine Dimensionsänderung kann den Kontaktdruck und das Spiel verändern, was wiederum zu mehr Reibung oder Verschleiß führt.

3. Tribologische Funktion

Mit welchem Material erfolgt die Gleitbewegung? Bei welchem Druck, welcher Geschwindigkeit und welcher Art der Bewegung? Welche Lebensdauer wird benötigt und welcher End-of-Life-Modus ist akzeptabel?

4. Thermische Funktion

Wie viel Wärme kommt aus der Umgebung und wie viel wird durch Reibung erzeugt? Beim Übergang von Metall zu einem Polymer ändert sich die Dissipationsfähigkeit. Die Wärmebilanz muss daher überprüft werden, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit oder Last.

5. Produktionsfunktion

Der Wert des Metal Replacement ergibt sich oft aus der Möglichkeit, mehrere Elemente in einem einzigen Spritzgussteil zu integrieren: Aufnahmen, Clips, Führungen, Endanschläge, Verbindungselemente oder Funktionen, die zuvor separate Bearbeitungen und Montagen erforderten.

Der Business Case basiert nicht auf dem Kilogrammpreis

Den Preis des Compounds mit dem Kilogrammpreis des Metalls zu vergleichen, kann zu einer falschen Entscheidung führen. Der Vergleich sollte auf Basis der System- und Prozesskosten erfolgen.

• tatsächlich eingesetzte Materialmenge;
• mechanische Bearbeitung und Endbearbeitung;
• Anzahl der Komponenten;
• zusätzliche Einsätze, Buchsen oder Lager;
• Montagevorgänge;
• Erstschmierung und Wartung;
• Masse und Trägheit der Komponente;
• Ausschuss und logistische Komplexität;
• Zykluszeit und Produktionsvolumen.

Ein technisches Compound kann pro Kilogramm teurer sein, aber eine Komponente ermöglichen, die einfacher, leichter und schneller herzustellen ist. Dies ist die richtige Ebene, um das Projekt zu bewerten.

Mehr Verstärkung bedeutet nicht automatisch bessere Tribologie

Um Steifigkeit und Festigkeit zu erhöhen, ist die Verwendung von Glas- oder Kohlefasern eine gängige Lösung. Dies ist auf struktureller Ebene oft effektiv, aber die Schnittstelle muss sorgfältig geprüft werden.

Eine Verstärkung kann die Oberflächenhärte und Abrasivität des Compounds verändern. In einigen Konfigurationen, insbesondere gegenüber relativ empfindlichen Metallen, kann dies den Verschleiß des Gegenlaufpartners erhöhen. Die Auswahl muss daher ein Gleichgewicht zwischen struktureller Tragfähigkeit und tribologischem Verhalten finden.

Wo ein selbstschmierendes Compound ins Spiel kommt

Bei Komponenten in Relativbewegung kann die Integration der selbstschmierenden Funktion in das Material die Notwendigkeit von zusätzlichen Buchsen, Beschichtungen oder externen Schmiermitteln verringern. Dies kann das Bauteil vereinfachen, erfordert jedoch die Wahl der richtigen Kombination aus Matrix, Verstärkung und tribologischem System.

Die LATILUB-Familie umfasst Lösungen auf Basis verschiedener Matrizen, auch für strukturelle Anwendungen und Hochtemperaturanwendungen. Der Vorteil liegt nicht darin, ein „Kunststoffmaterial anstelle von Metall“ zu haben, sondern darin, die Eigenschaften des Compounds an die vollständigen Anforderungen anpassen zu können.

Ein Metal-Replacement-Prozess in sieben Schritten

1. Erfassen aller Funktionen der aktuellen Metallkomponente, einschließlich der nicht offensichtlichen.
2. Definieren des Systems der einwirkenden Lasten, Temperatur, Lebensdauer, Toleranzen und Sicherheitsanforderungen.
3. Beschreiben der tribologischen Anforderungen: Druck, Geschwindigkeit, Bewegung, Gegenlaufpartner, Oberfläche und Umgebung.
4. Auswahl einer ersten Materialarchitektur: Matrix, Verstärkung und selbstschmierendes System.
5. Neugestaltung der Geometrie für das Verhalten des Polymers und für den Spritzguss.
6. Einsatz von Simulation und Prototyping zur Überprüfung von Verformungen, Fluss, Ausrichtung und kritischen Punkten.
7. Validierung der Komponente durch Funktionsprüfungen, Endurance-Tests und Industrialisierung des Prozesses.

Drei Anzeichen dafür, dass das Metal Replacement vor dem Fortfahren vertieft werden muss

• Die thermische Dissipation des Metalls ist für die Funktion wesentlich und wurde im neuen Design noch nicht kompensiert.
• Die geforderte Steifigkeit erzwingt Verformungen, die weit unter denen liegen, die mit dem gewählten Polymer realistisch erzielbar sind.
• Der tribologische Kontakt wurde nicht definiert: Es fehlen Daten zu Last, Geschwindigkeit, Gegenlaufpartner, Temperatur oder erforderlicher Lebensdauer.

In diesen Fällen kann die richtige Antwort darin bestehen, die Geometrie zu ändern, die Matrix zu wechseln, eine Hybridlösung beizubehalten oder auf den Austausch zu verzichten. Ein effektives Metal Replacement geht nicht von der Verpflichtung aus, Kunststoff zu verwenden, sondern von dem Nachweis, dass das neu gestaltete System die Anforderungen erfüllt.

Vom Material zur Anwendungsreife

Der wahre Vorteil für ein technisches Büro besteht darin, die Anzahl der Iterationen zu reduzieren, die erforderlich sind, um zu einer validierbaren Lösung zu gelangen. Co-Design, Simulation, Materialcharakterisierung, tribologische Tests und Unterstützung beim Spritzguss ermöglichen es, gleichzeitig die Variablen anzugehen, die den Übergang von Metall zu Kunststoff riskanter machen.

Prüfen Sie das Metal Replacement einer beweglichen Komponente?

Im LATI Tribology Design Check können Sie Geometrie, aktuelles Metallmaterial, Last- und Temperaturbedingungen, tribologischen Kontakt, erforderliche Lebensdauer, Volumina und das Ziel des Redesigns teilen. Der erste Schritt besteht darin, die Machbarkeit zu prüfen und kritische Punkte zu identifizieren, bevor das Compound ausgewählt wird. Entdecken Sie die selbstschmierenden LATILUB-Kunststoffe.