Harte Konkurrenz: PEEK-Hochleistungspolymer fordert Metallanwendungen heraus

Miniaturisierung, anspruchsvolle Betriebsumgebungen, höhere Leistung und leichtere Komponenten - diese globalen Fertigungstrends haben zur Folge, dass der Ersatz von Metallen durch Hochleistungspolymere wie PEEK zunehmen wird.

, Global Market Research & Competitive Intelligence Manager bei Victrex,

Polymere haben einen wesentlichen Fortschritt gebracht und erlauben Herstellern, eine große Bandbreite an Bauteilen für (nahezu) jede erdenkliche Anwendung zu fertigen. Sie haben es Konstrukteuren ermöglicht, die Grenzen der Gestaltungsmöglichkeiten zu erweitern und gleichzeitig funktionale und kostengünstige Komponenten herzustellen.

Bevor Polymere entdeckt wurden, war Metall das Material der Wahl für die Herstellung sehr vieler unterschiedlicher Bauteile. Wie bei Polymeren gibt es bei Metallen eine breite Produktpalette. Um vom Rohmaterial zum endgültigen Bauteil zu gelangen, sind bei Metallen, im Unterschied zu Polymeren, jedoch mehrstufige Prozesse erforderlich und ein großer Teil des Ausgangsmaterials landet letztlich nicht im fertigen Teil. In der Luftfahrtindustrie ist dies als Buy-to-fly-Verhältnis bekannt und bezeichnet das Gewichtsverhältnis zwischen dem für eine Komponente verwendeten Rohmaterial und dem Gewicht der Komponente selbst. Die meisten Metalllegierungen, etwa Aluminium und Titan, haben ein hohes Buy-to-fly-Verhältnis. Das ist auf die zahlreichen primären und sekundären Prozesse bis zur Herstellung des finalen Bauteils zurückzuführen; Aluminium ist zwar unendlich oft wiederverwertbar – aber das führt aufgrund des wenig effizienten Herstellungsprozesses dann dazu, dass der Großteil des gekauften Rohmaterials schließlich recycelt wird.

Laut einer Studie der Autoren Geyer, Jambeck und Law wurden etwa im Jahr 2015 über 400 Millionen Tonnen Kunststoff hergestellt. Demgegenüber betrug laut Statistiken der relevanten Metallverbände die weltweite Nachfrage nach den typischen Metallen, die von Hochleistungspolymeren ersetzt werden können (das sind hauptsächlich Aluminium, Stahl, Titan, Kobalt, Messing und Bronze), im gleichen Zeitraum rund das Vierfache des gesamten Kunststoffverbrauchs. Folglich besteht ein weites Feld an Anwendungen und Branchen, in denen Polymere wie PEEK eingesetzt werden können. Bis heute sind etwa ein Fünftel dieser Möglichkeiten umgesetzt worden. In absehbarer Zukunft gibt es entsprechend viel Potenzial, den Ersatz von Metallteilen weiter voranzutreiben.

Im Allgemeinen lassen sich Polymere nach ihrem Eigenschaftsprofil und Betriebstemperaturbereich in Standardpolymere (bei Weitem das größte Volumensegment), technische Polymere und Hochleistungspolymere unterteilen. Letztere verfügen, wie der Name bereits vermuten lässt, über ein sehr gutes Eigenschaftsprofil. VICTREX™ PEEK gehört dieser Kategorie an und steht dort ganz oben. Es ist ein thermoplastisches Material und kann daher geschmolzen und in eine neue Form gebracht werden, ohne seine mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. PEEK (Polyetheretherketon) gehört zur Familie der Polyaryletherketone, kurz PAEK, die zunehmend als dynamischer Treiber für effiziente Anwendungen angesehen werden.

Die gesamte Produktion von Hochleistungspolymeren beträgt nach Schätzungen rund 0,7 Millionen Tonnen. Nur ca. 6.000 Tonnen davon entfallen auf PAEK – im Vergleich zur gesamten Kunststoffproduktion ein Tropfen auf den heißen Stein. Dennoch macht PEEK den Metallen als Werkstoff Konkurrenz; vor allem in Anwendungen, in denen Komponenten einer korrosiven Umgebung, hohen Temperaturen und hohen Drücken ausgesetzt sind.

 

Hochleistungen gesucht, um weitere Potenziale zu erschließen?

Es gibt viele Gründe, auf ein Hochleistungspolymer wie VICTREX™ PEEK anstatt auf Metall zu setzen. Zu den wichtigsten zählen:

Gewichtsreduzierung: Bauteile aus PEEK sind aufgrund ihres hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht deutlich leichter als ihre Metallalternativen. Bei gleicher Steifigkeit kann ein Bauteil aus PEEK bis zu 70 % leichter sein als ein Äquivalent aus Stahl. Diese Gewichtsersparnis bedeutet, dass Hersteller in der Transportbranche beispielsweise leichtere Fahrzeuge oder Flugzeuge produzieren können. Das trägt wiederum dazu bei, dass strenge Umweltauflagen in Bezug auf CO2-Emissionen und Kraftstoffverbrauch eingehalten werden.

Kosteneinsparungen: Während die Rohstoffkosten für Metall möglicherweise niedriger sind, kann der Herstellungsprozess zeitaufwendig und komplex sein, und er erfordert häufig mehrere Verarbeitungsschritte. Die Verwendung von Hochleistungspolymeren wie VICTREX PEEK ermöglicht einen einstufigen Spritzgussprozess, der zu niedrigeren Stückkosten führt und sich positiv auf Energie- und Arbeitskosten auswirkt sowie die Ausschussmenge reduziert.

Designfreiheit: Aufgrund der flexiblen Beschaffenheit des Polymers und der relativ einfachen Herstellung durch Spritzguss oder Extrusion können Konstrukteure neue Fertigungswege erschließen, insbesondere wenn Bauteile kleiner, komplexer oder leistungsfähiger sein sollen. Diese Flexibilität und Kreativität werden mit der disruptiven, d. h. bahnbrechenden 3D-Technologie, auch bekannt als additive Fertigung, noch zunehmen.

Längere Lebensdauer: Aufgrund der Beschaffenheit von Polymeren und der Möglichkeit, Füllstoffe zur Verbesserung von bestimmten Eigenschaften hinzuzufügen, kann die fertige Komponente nicht nur die Metallvariante übertreffen, sondern auch eine längere Lebensdauer besitzen. PEEK-Hochleistungspolymer widersteht einer Vielzahl von Chemikalien bei bis zu 200 °C. Der Werkstoff verfügt zudem über inhärente tribologische Eigenschaften, wie hohe Verschleißfestigkeit und einen niedrigen Reibungskoeffizienten, die ebenfalls zu längeren Produktlebens- und Wartungszyklen beitragen.

Wie VICTREX PEEK als Ersatz für Komponenten aus Metal den entscheidenden Unterschied ausmachen kann, zeigen die folgenden Beispiele:

  • Bei einem Befestigungsclip für den Beschlag der Airbus-A350-Flugzeugtür ersetzt kohlefaserverstärktes Hochleistungs-PEEK von Victrex Aluminium und führt zu einer Reduzierung von Gewicht und Kosten um 40 %.
  • Der Austausch von Zahnrädern aus Gusseisen mit Zahnrädern aus VICTREX HPG™ ermöglicht es, leichtere, leisere und effizientere Motoren herzustellen – mit einem um 50 % (3 dB) gesenkten NVH-Wert (Noise, Vibration, Harshness) und einer Gewichtsersparnis von bis zu 68 %.
  • Dichtungen, Führungsringe und Lager aus PEEK können eine bis zu vierfache Lebensdauer gegenüber Komponenten aus PTFE (Polytetrafluorethylen) erreichen, Lageranwendungen aus PEEK sogar mehr als die 10-fache Lebensdauer gegenüber PA (Polyamid): Sie liefen 10.000 Stunden ohne Verschleiß, während die aus Polyamid nach ca. 1.000 Stunden versagten.
  • JUVORA-Zahnersatz aus implantierbarem PEEK kann im Vergleich zu Titan eine bis zu 26-fach bessere Schockabsorption bieten.
  • Das Ersetzen eines Auslassventils aus Stahl in einem Kompressor durch eines aus PEEK kann zu einer Effizienzsteigerung von 2 % führen.

Von Albert Einstein lernen

Der Schlüssel, um Möglichkeiten zum Metallersatz zu erkennen, besteht darin, die richtigen Fragen zu stellen. Dies erkannte schon Albert Einstein, als er sagte: „Wenn ich eine Stunde Zeit hätte, ein Problem zu lösen, und mein Leben von der Lösung abhinge, würde ich die ersten 55 Minuten damit verbringen, die richtige Frage zu finden. Würde ich diese dann stellen, so könnte ich das Problem in weniger als fünf Minuten lösen.“ Durch das Stellen der richtigen Fragen decken Sie unerfüllte Bedürfnisse auf. In vielen Fällen kann VICTREX PEEK die Antwort sein, wenn ein Metallteil keine Lösung für eine herausforderndes Problem ist.

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