Leichtbau mit Kunststoffen besteht in der Kunst, vielfältige Ansprüche unter einen Hut zu bringen. Ansprüche an den Werkstoff, das Design, die Funktionsintegration, die Total Cost of Ownership, die Bauteil-Leistungsfähigkeit … die Liste ist lang. Da ist es im Sinne eines effektiven Kosten-Leistungsverhältnisses zielführend, wenn der Werkstoff selbst hochgradig modifizierbar ist – so, dass er dem Konstrukteur freien Lauf in jede Denkrichtung lässt (beispielsweise das er die typische Abhängigkeit der Eigenschaft von der Verarbeitungsorientierung entkoppeln kann). Oder anders gesagt: Wenn der Compoundeur die Anisotropien des Werkstoffes in einem Maß beherrscht, dass den Konstrukteur in die Lage versetzt, ein perfekt angepasstes Designs für die Funktion seines Bauteils zu entwerfen. In welche Richtungen das gehen kann, zeigen diese vier Beispiele aus den Bereichen Luftfahrt, Maschinenbau und Sportartikel anschaulich:

Beispiel Nr. 1: Luftfahrtindustrie. Wie man durch einen Materialwechsel von Aluminium/Magnesium zu Kunststoff Gewicht und Produktionskosten gleichzeitig einspart.

Sie umfassen „nur” rund einige Dutzend von Millionen Einzelteilen in einem Airbus und sind dennoch ebenfalls für das Wohl der Passagiere an Bord mitverantwortlich – zumindest für das derer mit mehr oder weniger umfangreichen Handgepäck. Gemeint sind die Aussteifungen für Kofferablagen – auf Englisch kurz und bündig: Partition Holder. Sie gehören zu den „Fliegenden Teilen” wie es in der Fliegersprache heißt und sind damit ein Stück Flugzeug, dass der besonderen Beachtung verdient.

Partition Holder treten weltweit in den verschiedensten Materialausführungen wie Magnesium, Aluminium oder auch CFK, also aus harzgebundenen Kohlefasergelegen auf. Keine Frage: All diese Werkstoffe haben die aufwendigen, oft jahrelangen Zulassungsverfahren erfolgreich bestanden und konnten beziehungsweise können technologisch überzeugen. Nur im Rahmen der fortwährenden Suche nach Einsparungsmöglichkeiten hinsichtlich des Gewichts und vor allem der Verarbeitungskosten wurden sie hinsichtlich ihrer Leistung in der jüngeren Vergangenheit immer wieder durch ein anderes Material in den Sinkflug gebracht.

Bei diesem Material handelt sich um einen LEHVOSS-Compound aus Polyphenylensulfid (PPS) und Carbonfasern. Einen hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, der sich durch sein Eigenschaftspaket auf dem Markt durchzusetzen weiß. Seine gebündelte Leistung sowohl hinsichtlich der technischen (Festigkeit, Gewicht, Entflammbarkeit und Fließfähigkeit) als auch der ökonomischen Aspekte „Kostenreduzierung” sowie „Investitionssicherheit”.

Ein entscheidender Faktor spielt dabei seine einfachere Verarbeitung im Spritzgießverfahren. Danach erfolgt noch das Schleifen, das Grundieren und Lackieren sowie das Anbringen von Befestigungselementen. Fertig ist die mechanische Steifigkeit und Flammenbeständigkeit bei gleichzeitig verringertem Eigengewicht und reduzierten Fertigungskosten.

Beispiel Nr. 2: Skiroller. Wie man durch einen Materialwechsel das Fahrerlebnis verbessert und dabei noch Kosten und Gewicht spart.

Produktentwicklungen und Produktionsverfahren im Sportgerätebereich werden maßgeblich von denen mitbeeinflusst, die das Endprodukt regelmäßig einsetzen. Ob Profi oder Amateur, Ski- oder Radfahrer, Tennis- oder Golfspieler: die Schnittstelle Mensch/Sportgerät muss stimmig sein, damit‘s später rundläuft – im Geschäftlichen wie im Sportlichen.

Das gilt im besonderen Maße für Skiroller. Einerseits sollen sie ihrem Fahrer im Rahmen eines komplexen Bewegungsablaufs ein optimales Fahrerlebnis liefern. Anderseits sollen sie auch ökonomischen und „konstruktiven” Anforderungen nach Kostenreduzierung und Gewichtseinsparung allgemein gerecht werden. Da wird es für Materialien wie Aluminium, Komposite oder den meisten faserverstärkten Kunststoffen dann oftmals eng auf der Zielgeraden.

Anders ist das bei einem Material wie dem LEHVOSS-Hochleistungscompound LUVOCOM® XCF aus Polyamid 66 mit hochmoduligen Carbonfasern. Verarbeitet zu einem Skiroller erfüllt er die Anforderungen des Fahrers (geringes Gewicht – komfortable Fahreigenschaften – authentisches Skigefühl), des Konstrukteurs (hohe Festigkeit – Ersatzmaterial für Aluminium) und des „Kosten-Kontrolleurs” (besseres Kosten-Leistungsverhältnis gegenüber Aluminium- und Kompositvarianten) gleichzeitig.

Im Sportjargon spricht man dann gerne von einem „Allrounder” – auch wenn die Rezeptur für den Compound speziell für diese Anwendung erstellt wurde. So wie praktisch jeder LEHVOSS-Compound einzigartig ist, das heißt für jeden Einsatzfall neu komponiert beziehungsweise compoundiert wird.

Beispiel Nr. 3: Drohnenflügel. Wie man durch den Wechsel von einer Kompositlösung zu einer Thermoplastlösung die Materialkosten senkt und die Produktleistung steigert.

Materialwechsel beschreiben oftmals auch einen Lösungsweg, um bislang scheinbar unlösbare Aufgaben in Wohlgefallen aufzulösen. Ein gutes Beispiel dafür sind die Ansprüche an die Entwicklung von Drohnenflügeln: Sie sollen einerseits technologisch immer fortschrittlicher sein (das heißt immer mehr Auftriebskraft entwickeln, um höhere Lasten transportieren zu können), anderseits sollen sie aber auch weniger Energie verbrauchen und – on top – noch dazu beitragen, die infolge deutlich steigender Nachfragezahlen und extremer Wettbewerbsbedingungen stark unter Druck stehenden­ Produktionskosten zu senken.

Was zunächst nach der Quadratur des Kreises klingt, kann im Bereich der Drohnenflügel ganz konkret durch den Wechsel von einer Komposit- zu einer Thermoplastlösung – zum Beispiel einem LEHVOSS-Hochleistungscompound aus Polyphthalamid mit hochmoduligen Carbonfasern – gelöst werden.

Durch die deutlich verbesserten Materialeigenschaften – wie Schlagzähigkeit, Festigkeit, Steifigkeit und Ermüdungsfestigkeit – wird es möglich, längere und dünnere Flügel zu konstruieren, die:

• sich schneller drehen können (und somit mehr Auftriebskraft entwickeln),
• leichter sind (und somit weniger Energie verbrauchen) und schlussendlich
• kostengünstiger gegenüber ursprünglichen Kompositlösungen sind.
  
  

Beispiel Nr. 4: Lebensmittelindustrie. Wie man durch den Umstieg von Edelstahl auf Kunststoffbehälter die Parameter CO2-Fußabdruck, Profitabilität und Produktsicherheit unter einen Hut bekommt. 

Auf der Suche nach Energie-Einsparmöglichkeiten zur Realisierung von CO2-Reduktionen in der Lebensmittelindustrie kann ein Materialwechsel von Edelstahl- auf Kunststofflösungen bislang „verdeckt schlummernde” Einsparungspotentiale nutzbar machen. Ohne an dem Produkt/Prozess selbst etwas zu verändern und vor allem ohne die Produkt- beziehungsweise Verbrauchersicherheit einzuschränken. Den Dreh- und Angelpunkt bildet dabei das verringerte Gewicht und die Funktionsintegration – auch bereits im Werkstoff selbst.

Das verringerte Gewicht setzt dabei eine „Kettenreaktion” in Gang, an deren Ende die erfolgreiche Berücksichtigung der eingangs genannten Parameter steht. Denn es gilt: geringere Masse = geringeres Gewicht = geringeres Trägheitsmoment = weniger Antriebsenergie = höhere Zyklen bei gleichbleibendem Energieverbrauch beziehungsweise verringerter Energieverbrauch bei gleichbleibenden Zyklen.

Auch wenn in der Praxis ein Kunststoffbehälter etwa die doppelte Wandstärke aufweisen muss um eine geeignete Formstabilität bereitzustellen, werden durch den großen Dichte-Unterschied trotzdem immer noch rund 2/3 des Gesamtgewichtes eingespart.

So kann man in der gleichen Maschine mit der gleichen Antriebsleistung entweder 2/3 mehr Lebensmittel verarbeiten oder man spart – Größen wie Reibung/Verschleiß miteingerechnet – eben mindestens 50 Prozent der Antriebsenergie. Einfach durch den Wechsel von Edelstahl auf Kunststoff.

Ja, aber … Kann Kunststoff auch in puncto Produktsicherheit beziehungsweise Verbrauchersicherheit mithalten?

Absolut – wenn unter anderem der Compoundeur Eigenschaften in den Kunststoff einbringen kann, die ein Lebensmittel-Verarbeiter von seinen bislang eingesetzten Edelstahlbehältern gewohnt ist. Stichwort: Metalldetektion und -separation.

LEHVOSS-Hochleistungscompounds bieten diese Sicherheit. Zum Beispiel durch die Implementierung ferromagnetischer Eigenschaften. Damit ist die Auffindbarkeit von etwaigen Kunststoffteilen mit Standarddetektionsverfahren in der lebensmittelverarbeitenden Industrie ebenso gewährleistet wie die effiziente und sichere Ausschleusung der betroffenen Produkte – ohne gleich eine „ganze Tagesproduktion in die Tonne treten zu müssen”.

Steigen Sie tiefer in die Materie ein und informieren Sie sich in unserem Ratgeber "Strukturanwendungen und Metallersatz mit thermoplastischen Materialien und Compounds":