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DER KONSTRUKTEUR 7-8/2016

DER KONSTRUKTEUR 7-8/2016

WERKSTOFFTECHNIK

WERKSTOFFTECHNIK Kunststoff mit signifikanten Reserven Hochleistungs-Ingenieurwerkstoff schafft Raum für Innovationen Michael Fehlings Der Weg zu geringerem Energieverbrauch und höherer Produktivität führt über leichtere, kompaktere, reibungsarme Bauteile. Aber Effizienzsteigerungen bedingen meist auch höhere Betriebstemperaturen, Drücke, Geschwindigkeiten und Belastungen. Auf Polyimiden basierende Fertigteile und Halbzeuge bieten hier ein beachtliches Innovationspotenzial. Gegenüber herkömmlichen Ingenieurwerkstoffen kombinieren auf Polyimiden basierenden Halbzeuge und Fertigteile der Vespel S Familie von Du Pont nutzbringende Eigenschaften, wie sehr hohe Temperaturbeständigkeit, gutes Reibungs- und Verschleißverhalten bei hohen Drücken und Geschwindigkeiten (geschmiert und ungeschmiert), hohe Kriechbeständigkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit sowie viele weitere Vorteile. Die Dichten der Vespel S Typen liegt zwischen 1,43 und 1,77 g/cm³. Im Vergleich zu Metall und Keramik bieten direkt geformte oder aus Halbzeugen spanend hergestellte Teile daher enorme Möglichkeiten zur Gewichtseinsparung. Weil sie deutlich reibungsärmer als Metallteile sind, ermög lichen sie einen ungeschmierten Betrieb unter erschwerten Bedingungen. Zudem sind sie gute elektrische und thermische Isolatoren. Sie bieten eine höhere Dichtleistung bei geringen Drücken und lassen sich besser bearbeiten als spröde Keramikwerkstoffe. Bei gleicher Belastung können daher Bauteile oft leichter und kleiner ausgeführt werden als vergleichbare Bauteile aus Metall und Keramik. Anders als herkömmliche Hochleistungs- Thermoplaste wie PEEK und PAI, die oberhalb der Glasübergangstemperatur erweichen oder ihre Eigenschaften verlieren, haben die Typen der Vespel S Produktfamilie keinen Schmelzpunkt. Dr. Michael Fehlings, DuPont Performance Materials - Kalrez & Vespel, Neu-Isenburg Es ist die Kombination dieser besonderen Eigenschaften, auf Grund derer Vespel S Teile in der Lage sind, anspruchsvolle Anforderungen hinsichtlich Dichtwirkung, Reibung und Verschleiß zu erfüllen und dabei extremen Einsatzbedingungen zu widerstehen, ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften langzeitig auch unter hohen Belastungen und Temperaturen zu behalten und einen störungsarmen Betrieb sowie verlängerte Serviceintervalle zu unterstützen. Für hohe und höchste Beanspruchungen Die Familie der Vespel S Typen umfasst SP-Typen für hohe und SCP-Typen für höchste Beanspruchungen. Die SP-Typen bieten eine kosteneffiziente Kombination aus guten mechanischen, tribologischen und elektrischen Eigenschaften für geschmierte und ungeschmierte Dichtungsanwendungen sowie hervorragendes Verschleißverhalten unter Vakuum und in trockenen Umgebungen. Auf Grund ihrer relativ geringen Härte bieten sie sehr gute Verschleißeigenschaften gegen weiche Materialien wie Aluminium, und sie empfehlen sich in semidynamischen Anwendungen wie Kugelventile bei hohen und sehr tiefen Temperaturen. Der E-Modul der SP- Materialien bleibt dabei im ge samten Temperaturbereich von –196 °C bis +350 °C nahezu konstant (kein Erweichen oder Verspröden). Die SCP-Typen ermöglichen darüber hinaus deutlich höhere Dauereinsatztemperaturen (bis 370 °C, kurzzeitig bis 480 °C) und pv-Grenzwerte, auch ungeschmiert. Ihre Druckfestigkeit ist mit der von Kohlenstoffstahl vergleichbar, und sie bieten eine gute Oxidationsbeständigkeit bei sehr hohen Temperaturen. Bei der Herstellung kleiner Stückzahlen und/oder komplexer Geometrien kann es vorteilhaft sein, Bauteile aus Halbzeugen spanend zu fertigen. Für Großserien und 01 Die in Maschinen zur Herstellung von Glasbehältern verwendeten Vespel SCP-5050 Teile kommen anstelle herkömmlicher Graphit-Bauteile als thermisch isolierende Komponenten von Ausschiebern zum Einsatz 32 Der Konstrukteur 7-8/2016

geometrisch weniger komplizierte Teile sind vom Hersteller (Du Pont) direktgeformte Fertigteile meist die ökonomischere Variante. Zu beachten ist dabei, dass Teile aus Vespel S Halbzeugen meist isotrope (d. h. richtungsunabhängige) mechanische und physikalische Eigenschaften einschließlich der Dimensionsstabilität bieten – auch nach der mechanischen Bearbeitung. Direkt geformte Teile weisen dagegen eher richtungsabhängige (anisotrope) Eigenschaften auf. Temperaturbeständig, reibungs- und verschleißfest Konstrukteure müssen immer näher an die Verschleiß-, Reibungsund Temperaturlimits bestehender Werkstoffe gehen Angesichts immer kleinerer, leichterer und schneller drehender Teile in Antriebssystemen gehen Konstrukteure immer näher an die Verschleiß-, Reibungs- und Temperaturlimits bestehender Werkstoffe. Hier bieten Vespel SP und SCP Teile signifikante Reserven selbst gegenüber PEEK und den meisten Hochleistungsthermoplasten. Die Typen SP-1, SP-21, SP-211 und SP-22 erfüllen die Anforderungen der Brennbarkeitsklassen 5V oder V-0 nach UL94 (Entflammbarkeit von Kunststoffen in Elektrogeräten und Zubehör). Die Typen SP-1 und SCP-5000 kombinieren zudem hohe Durchschlagfestigkeit und niedrige Dielektrizitätskonstante mit Beständigkeit gegen thermische Oxidation und ionisierende Strahlung. Teile und Halbzeuge der Vespel S Familie bieten einen außerordentlich niedrigen Reibungskoeffizienten in Verbindung mit hoher Belastbarkeit und Verschleißfestigkeit. Dies ermöglicht höhere Drehzahlen und Belastungen der Wellen und erfordert weniger Schmierung. Damit hergestellte Teile können Metalllager ersetzen und dabei die Abmessungen und das Gewicht verringern. Mit Graphit gefüllte Typen können selbstschmierend auch unter Trockenlaufbedingungen eingesetzt werden. So ergab ein Vergleich der Trockenlaufeigenschaften für Vespel SP-21 nach 2737 Stunden und für SCP-50094 nach 5386 Stunden Gewichtsverluste von jeweils weniger als 20 %, während PEEK, PAI und ein PTFE-Bronze- Compound diese Verschleißgrenze bereits erheblich früher erreichten. 02 Vergleich der Verformung von ungefülltem PEEK, PAI und ungefülltem Vespel SP-1 nach 6-stündiger Lagerung bei 370 °C; PEEK erweicht bei 140 °C, während der Typ SP-1 bis 350 °C und darüber nahezu unverändert bleibt

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