Was Werkstoffdatenblätter über Kunststoff aussagen… und was nicht

Lars Butenschön | 12. Juli 2018

Werkstoffdatenblätter mit Biege-E-Modulen, Druckfestigkeiten, Shore-Härten und Wärmeausdehnungskoeffizienten sollen auf einen Blick ermöglichen, Werkstoffe verschiedener Art vergleichen zu können. Doch deren Aussagekraft bei Kunststoffen – und noch viel mehr bei Gleitlagern ist stark begrenzt. Was steckt dahinter? Und wie kommen Sie am Ende trotzdem zum idealen Werkstoff?

Kunststoffen haftet ein etwas geheimnisvoller Ruf an. Verschiedenste Handelsnamen, Polymersorten und Compounds wirken kompliziert und schwer vergleichbar. Was genau konstruiert man da eigentlich ein? „PEEK mit 10% PTFE und Kohlefasern?“. „Oder doch lieber dieses blaue Compound was in der letzten Anwendung schon so gut funktioniert hat?“.  „War das was mit POM? Und Glasfasern? Aber hatte das PA6 mit 30% Glasfasern nicht besser funktioniert? Aber da war doch die Feuchtigkeitsaufnahme zu hoch“…

„Et hät noch immer jot jejange“

Das Gute ist, dass Kunststoffe allgemein sehr flexibel einsetzbar sind. Sie haben sich in vielen Bereichen des Alltags durchgesetzt und in vielen technischen Anwendungen etabliert. In den meisten Anwendungen kann man also auf Erfahrungswerte zurückgreifen. Klassische Konstruktionswerkstoffe wie PA6.6, ABS oder POM eignen sich für viele Anwendungsbereiche. Vom Legostein bis zur Lagerung von Pumpen in der Medizintechnik. Doch was, wenn man die technischen Grenzen auslooten will? Wenn sich das leitfähige Kunststoff-Lager einer Autotüre nach der Tauchlackierung nicht verformen darf? Oder wenn das Lager eines Parabolspiegels, der einen Lichtstrahl auf einen 100 Meter entfernten Sonnenofen lenken soll, nur um die Dicke eines Haares nachgeben darf? Dann steckt man schnell inmitten komplexer Simulationsprogramme, die mit Daten gefüttert werden wollen.

Abhilfe schaffen Werkstoffdatenblätter der jeweiligen Hersteller. Leider eignen sie sich nur bedingt, um die reale Situation einschätzen zu können. Vor allem bei Gleitlagern. Um das zu verstehen, schauen wir uns die Werte einmal genauer an.

Zug/Druck-Eigenschaften

Unter diese Kategorie fallen Angaben wir „max. Druckfestigkeit“ und „Zugfestigkeit“. In standardisierten Prüfverfahren wird ein Prüfkörper in eine entsprechende Messmaschine eingespannt und gestreckt oder gequetscht. Die zum Bruch des Probenkörpers führende Kraft ermöglicht eine Aussage über die Druckfestigkeit. Wird die Druckfestigkeit eines Werkstoffs überschritten, wird dieser zerstört. Das Bauteil bricht.

Doch diese Angabe birgt Tücken. Der Bruch ist häufig nicht der einzige unerwünschte Effekt in Folge der Belastung eines Bauteils. Werkstoffe verformen sich bereits unterhalb der max. Druckfestigkeit. Lager „platten“ ab, verlieren den Presssitz oder stützen Wellen nicht mehr ausreichend ab. Die Folgen: Pulverisierte Lager, blockierende Rollen, fressende Wellen und absackende Türscharniere.  (Übrigens, wussten Sie, dass eine einfache Erhöhung der Wanddicke eines Gleitlagers die Tragfähigkeit nicht erhöht? Hier zeigen wir, warum.)

Tatsächlich ist genau dieses Verformungsverhalten nur aufwändig und näherungsweise zu simulieren. Und selbst mit diesen Simulationen müssen die Designs am Ende dennoch einen langen Weg durch reale Tests durchlaufen, bevor am Ende eine Aussage über die Lebensdauer und Haltbarkeit getroffen werden kann.

Eine Angabe, die für Gleitlager in diesem Zusammenhang auch ohne Analysen und Simulationen eine hilfreiche Einschätzung ermöglicht, ist die maximal empfohlene Flächenpressung. Leider gibt es nur wenige Werkstoffdatenblätter mit dieser Angabe. Von einigen wenigen Gleitlagerherstellern angegeben, gibt dieser Wert an, bei welchem Druck das Gleitlager einen bestimmten Verformungsgrad (z.B. 3%) nicht überschreitet. Überschreitet das aus einwirkender Last und Querschnittsfläche des Lagers diesen Wert nicht, bleibt das Gleitlager in der Ausgangsform.

Der PV-Wert

Ein weiterer vor allem bei Gleitlagerwerkstoffen verwendeter Kennwert ist der PV-Wert. Dieser geht bereits auf die Auslegung von Kugellagern zurück und beschreibt das Produkt aus Last und Geschwindigkeit von Reibpartnern aus den betreffenden Werkstoffen. Je höher der PV-Wert, desto größer ist die Wärmeentwicklung eines Lagersystems. Ist der in der Anwendung auftretende PV-Wert größer als der zulässige PV-Wert der verwendeten Werkstoffe, muss mit zu hohem Verschleiß gerechnet werden. Um eine Entscheidung „Ja“ oder „Nein“ über Werkstoffe für Gleitlager zu treffen, ist dieser Wert also recht hilfreich.

Über das genaue Ausmaß des Materialverschleiß über die Zeit – und damit die Lebensdauer des Lagers – sagt dieser Wert jedoch nicht viel aus. Auch hier bleibt lediglich der Test unter Realbedingungen als zuverlässige Ermittlungsmethode.

Temperatureigenschaften

Anders als bei metallischen Werkstoffen, ist die Anwendungstemperatur bei Kunststoffen ein wichtiges, aber nicht selten überschätztes Thema. Häufig unterteilt in kurz- und langzeitige Obergrenzen beschreiben diese Werte die Eignung eines Werkstoffs bei erhöhten Temperaturen. Tatsächlich ändern sich die Eigenschaften von Kunststoffen teilweise bereits bei geringen Temperaturänderungen. Allerdings häufig nicht in einem für die Anwendung relevanten Ausmaß. In der Praxis reicht es häufig völlig, einen Werkstoff mit einer Temperaturbeständigkeit auszuwählen, die über der in der Anwendung auftretenden Temperatur liegt.

Dennoch variieren die technischen Eigenschaften von Werkstoffen unter erhöhten oder besonders niedrigen Temperaturen stark. Auch hier helfen für präzise Aussagen über Haltbarkeit und Lebensdauer nur Tests.

Testen Testen Testen

Man hat nun also zwei Möglichkeiten. Bei bereits laufenden Anwendungen kann es sich anbieten, einfach einige Testmuster neben der bestehenden Lösung herlaufen zu lassen. Bei neuen oder aufwändigen Projekten ist oft ein Testaufbau nötig. Doch wie kommt man zu geeigneten Testkandidaten? Eine engere Auswahl ist sinnvoll, um den Testaufwand nicht in die Höhe schnellen zu lassen. Hier bieten sogenannte „Expertensysteme“ eine gute Alternative. Viele Expertensysteme vergleichen zumindest die vorhandenen Werkstoffdatenblätter, um den geeigneten Werkstoff anzuzeigen.

Der iglidur Lebensdauer-Experte von igus geht da noch etwas weiter. Hier besteht die Berechnungsgrundlage tatsächlich aus tribologischen Verschleißtests von echten Gleitlagern. Auf diese Weise lässt sich ermitteln, wie lange Gleitlager aus den verschiedenen Werkstoffen am Ende halten. Sie entscheiden dann einfach selbst, ob Sie die Ergebnisse für eine Vorauswahl für Ihre Tests verwenden oder ob Sie den Werkstoff mit dem besten Preis-/Lebensdauerverhältnis wählen.