Kunststoffindustrie : Moderner Kunststoff kann Metall ersetzen

Kunststoff genießt nicht zuletzt durch die öffentliche Diskussion um Plastikmüll und Ressourcenvergeudung derzeit nicht gerade den besten Ruf. Was dabei übersehen wird: Hochmoderne Polymere, die bereits im Maschinenbau und vielen Industriezweigen als Werkstoff eingesetzt werden, haben mit billigem Wegwerfplastik aus China praktisch nichts gemein. Im Gegenteil bieten sie selbst gegenüber hochwertigen Stoffen wie Keramik und Metallen Vorteile, die sich sogar positiv auf die Umweltbilanz niederschlagen können.

Damit Kunststoffe im Maschinenbau, etwa in Form von beweglichen Zahnrädern, Gleitelementen, Rollen, aber auch Geweben, eingesetzt werden können, müssen sie in puncto Verschleiß und Belastbarkeit besonders zuverlässig sein. Im Rahmen diverser österreichischer Forschungsprojekte wird derzeit untersucht, welcher Polymerwerkstoff sich für welche Maschinenbauteile und Anwendungen am besten eignet.

Im Projekt „Triop“, das aus den Mitteln des Forschungsnetzwerks ACR (Austrian Cooperative Research) gefördert wurde, untersuchten Wissenschaftler zuletzt drei Jahre lang die sogenannten tribologischen Eigenschaften von Hochleistungskunststoffen.

Darunter versteht man ihr Reibungs- und Verschleißverhalten, das von zahlreichen äußeren Einflüssen, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, aber auch der Oberflächenbeschaffenheit der Werkstoffe abhängt. Auf Basis der Forschungsergebnisse sollen kleinere und mittlere Unternehmen künftig schneller und leichter die richtigen Werkstoffe für ihre Anwendungen finden können.

„Oberstes Ziel ist es, die Lebensdauer von Produkten zu verlängern“, erklärt Joel Voyer von der Vorarlberger Forschungseinrichtung V-Research. „Aber es gibt auch andere Faktoren, die etwa für den Maschinenbau wichtig sind: Wie hoch ist die mechanische Belastbarkeit? Wie schwer ist das Material? Wie energieaufwendig ist die Herstellung? Welche Temperaturen halten die Werkstoffe aus?“

In einigen dieser Kategorien schneiden hochwertige Kunststoffe im Vergleich zu Metallen oder Keramik mittlerweile überraschend gut ab. Die mechanische Zugkraft ist Voyer zufolge zwar noch etwas niedriger als bei Metallen und auch die Hitzebeständigkeit liegt mit 200 bis maximal 250 Grad deutlich unter jener von Metallen (400-500 Grad) und Keramik (bis 1000 Grad und höher). Dafür ist die Herstellung schneller und weniger energieintensiv. Anders als die besonders harte, aber spröde Keramik sind die Polymere zudem deutlich flexibler und brechen dadurch weniger schnell.

Der größte Vorteil und der Grund, warum viele Industriekonzerne von Automobilherstellern und -Zulieferern bis hin zu Kranherstellern am Kunststoff Interesse zeigen, ist allerdings das Gewicht. „Polymere sind deutlich leichter als Metalle. Wenn man beim Gewicht sparen kann, verringert sich auch die Energiezufuhr, die zum Bewegen der verbauten Teile notwendig ist. Das bedeutet, dass man einen kleineren elektrischen Motor verbauen kann, was Ressourcen und Geld spart und gleichzeitig umweltfreundlicher ist“, erklärt Voyer.

Dass die Hochleistungskunststoffe „nur“ Temperaturen von ca. 200 bis 250 Grad widerstehen können, erweist sich in der Herstellung ebenfalls als Vorteil. Um aus Polymeren Bauteile im Spritzgussverfahren produzieren zu können, sind folglich weit weniger hohe Temperaturen und somit weniger Energie notwendig als bei Metallen, deren Schmelzpunkt weitaus höher liegt. Im Vergleich zu Keramik lassen sich in diesem Verfahren zudem weitaus komplexere und detailliertere Formen herstellen.

Als Herausforderung gilt derzeit noch das Recycling der komplexen Polymere. Dieses gestaltet sich mit Metallen einfacher – schon allein deshalb, weil Verfahren diesbezüglich jahrzehntelang erprobt und perfektioniert wurden. Voyer zufolge eignen sich auch Hochleistungskunststoffe gut zur Wiederverwertung. In diesem Bereich brauche es noch mehr Forschungsarbeit, um künftig ähnlich gute Ergebnisse wie beim Recycling von Metallen erzielen zu können.

Dem Ziel, eine umfassende Datenbank mit verfügbaren Hochleistungs-Polymeren zu erstellen, ist das Forschungsprojekt, an dem neben V-Research auch das Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz (ZFE) und das Österreichische Institut für Chemie und Technik beteiligt waren, ein gutes Stück näher gekommen. Da die mechanischen Eigenschaften der Materialien stark von ihrer Einsatzumgebung abhängig sind, bleiben Vorhersagen, welcher Werkstoff sich etwa als Maschinenbauteil am besten eignet, eine Herausforderung.

Da der Nachbau von Komponenten als Modelle und die physikalischen Tests aufwendig sind, wollen die Forscher in einem nächsten Schritt die Parameter virtuell abbilden und simulieren. Über entsprechende Software-Algorithmen könnte man dann schneller erkennen, welcher Kunststoff vielversprechend und welcher für eine bestimmte Anwendung eher weniger geeignet ist. Im Folgeprojekt „SlipIT“, an dem wiederum die drei Forschungseinrichtungen beteiligt sind und das erneut mit Mitteln des ACR gefördert wird, werden hierfür erste Weichen gestellt.

„Österreich ist in der Polymer-Forschung gut aufgestellt und in verschiedenen Bundesländern exzellent vertreten. Wir genießen einen guten Ruf in Europa und verfügen auch über die notwendigen Partnerschaften mit Industrie und Wirtschaft. In den kommenden Jahren erwarte ich mir daher noch viele Innovationen in diesem Bereich, zu denen wir unseren Beitrag leisten können“, sagt Voyer.

Der akademische Nachwuchs kommt aus diversen Zweigen von Chemie und Physik über Materialwissenschaften bis zum Ingenieurwesen und Maschinenbau. Nicht zuletzt sind auch Programmierer*innen gefragt. (red)