Kunststoffe sind aufgrund ihrer guten Isolationseigenschaften und nahezu unbegrenzten Formgebungsmöglichkeiten seit langem wichtiger Basiswerkstoff sowohl im Maschinen- als auch im Automobilbau. Stetig steigende Anforderungen an die Wärmeform- und Chemikalienbeständigkeit, die mechanische Belastbarkeit, Entflammbarkeit oder auch das Verschleißverhalten der eingesetzten Kunststoffe verlangen jedoch nach immer neuen Lösungen. Zwar können Hochleistungskunststoffe wie LCP, PEEK, PES oder PEI in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden. Sie sind jedoch kostenintensiv und teilweise sehr schlecht zu metallisieren. Werden Massen- oder technische Kunststoffe mit Hilfe ionisierender Strahlung vernetzt, weisen sie im Ergebnis signifikant verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Beständigkeit gegenüber Hitze und Chemikalien, Kriechverhalten sowie Abriebfestigkeit auf. Neben hochpreisigen Hochleistungskunststoffen lassen sich so auch Metalle in vielen Funktionsbauteilen durch strahlenvernetzte, spritzgegossene, langlebige Kunststoffbauteile ersetzen.
Die Technologie der Strahlenvernetzung
Für die Bestrahlung von Kunststoffwerkstoffen verwendet man in der Regel Betastrahlen aus Elektronenbeschleunigern mit einer Energie von maximal 10MeV. Während der Bestrahlung bremst der Werkstoff die Elektronen ab und absorbiert deren Energie. In einer Kaskade von Sekundärelektronen brechen in der Folge die Makromoleküle des Polymers statistisch in Radikale auf, die sich immer wieder zu neuen Molekülen zusammenfinden und somit den Werkstoff vernetzen. Das Ergebnis: Die Eigenschaften der so veredelten Materialien werden nachhaltig verbessert. Die Produkte können in Folge unter anspruchsvolleren Bedingungen eingesetzt werden. Die Strahlenvernetzung ist dabei ein präzise steuerbares Verfahren. Über die Strahlendosierung lässt sich die jeweils angestrebte Werkstoffqualität einstellen und exakt reproduzieren.
Vernetzte Kunststoffe im Einsatz
Das veränderte Werkstoffprofil und die höhere Lebensdauer strahlenvernetzter Bauteile erweitern auch im Maschinenbau deren potenzielle Anwendungsfelder. Die Anforderungen an die Werkstoffe für Getriebe und Gleitkomponenten, wie Zahnräder, Rollenlager und Gleitbuchsen, steigen ständig. Strahlenvernetzte Bauteile mit verbesserten tribologischen Eigenschaften wie reduziertem Abrieb und Verschleiß sowie reduzierter Kriechneigung können hier eine wirtschaftliche Alternative zu metallischen Werkstoffen oder kostenintensiven Hochleistungspolymeren (PEEK, PAI etc.) sein. Sogar Metalle lassen sich in zahlreichen Anwendungen durch strahlenvernetzte, spritzgegossene Bauteile aus Kunststoff (z.B. PA oder PBT) ersetzen. So können Befestigungselemente wie Schrauben und Muttern, Halterungen oder Clips aus strahlenvernetztem Polyamid statt aus Metall gefertigt werden. Der Vorteil: Reduziertes Gewicht und geringere Herstellungskosten durch den Wegfall aufwendiger Metallbearbeitungsschritte. Warum Unternehmen mit Connected Engineering schneller, sicherer und wettbewerbsfähiger werden ‣ weiterlesen
Von Insellösungen zum vernetzten Engineering-Ökosystem
Das Verfahren der Strahlenvernetzung macht auch die Kunststoffe in Elektronikbauteilen, Steckverbindungen oder Kabeln für die neuen Anforderungen wettbewerbsfähig. Es ermöglicht eine hohe Flexibilität in der Rohstoffauswahl sowie bei Kabelkonstruktion und -aufbau. Es lassen sich nicht nur einzeln isolierte Adern, sondern auch mehrere verseilte Adern oder komplett konfektionierte Leitungen in einem Arbeitsgang vernetzen. Sollte der Einsatz strahlenempfindlicher Aderisolationen bzw. Trenn- und Isolationsfolien erforderlich sein, ist es sogar möglich, nur den Außenmantel zu vernetzen. Darüber hinaus spielt Leichtbau in der Elektromobilität als Kompensation des zusätzlichen Gewichts der Batterie und zugehöriger Komponenten eine immer bedeutendere Rolle, so dass Kunststoffe heute und in Zukunft ein zentraler Werkstoff sind. Strahlenvernetzt können sie die in dieser Umgebung deutlich komplexeren Anforderungen auch wirtschaftlich erfüllen.
Ausgelagerter Prozessschritt
In der Verarbeitungskette erfolgt die Strahlenvernetzung als letzter Schritt nach der Formgebung der Bauteile durch Spritzgießen, Extrudieren oder Blasformen – in der Regel während eines kurzen Zwischenstopps bei einem Bestrahlungsdienstleister. Sie ist somit ein in der Regel ausgelagerter Prozessschritt vor der Weiterverarbeitung oder endgültigen Auslieferung zum Endabnehmer. Viele der bestrahlten Produkte sind Teile einer Serienfertigung, die einer festgelegten Terminierung in der Lieferkette unterliegt. Für Hersteller und Zulieferer bedeuten diese Rahmenbedingungen, dass sich der Produktionsschritt der Bestrahlung nach der Fertigung nahtlos und zeitsparend anschließen muss. Der große Vorteil einer Behandlung mit ionisierenden Strahlen ist, dass die Produkte nach einem einfachen Freigabeschritt sofort verwendet oder weiterverarbeitet werden können – ohne weitere Tests oder Lager- und Wartezeit.
Fazit
Die Elektronenstrahlenvernetzung verbessert die Materialkennwerte von technischen Kunststoffen und ermöglicht den Einsatz in Produkten, die bisher mit Hochleistungspolymeren oder sogar aus Metallen konstruiert werden. Ob durch die Optimierung bestehender Anwendungen, oder durch die gezielte Einbindung der Strahlenvernetzung zu Beginn der Konstruktionsphase: Die Möglichkeiten der Technologie sind vielfältig und bieten Konstrukteuren die Chance, innovative sowie leistungsstarke Lösungen zu entwickeln, die den Anforderungen des Produktes und Marktes gerecht werden.
