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Technische Kunststoffe finden in zahlreichen Branchen Anwendung, in denen mechanische Beanspruchungen eine zentrale Rolle spielen. Ob in der Automobilindustrie, im Maschinenbau, in der Lebensmitteltechnik oder in der Medizintechnik – die mechanische Belastbarkeit ist ein entscheidendes Auswahlkriterium. Kunststoffbauteile ersetzen zunehmend Metallkomponenten, vorausgesetzt, sie bieten vergleichbare oder sogar bessere Eigenschaften bei deutlich geringerem Gewicht und oft auch niedrigeren Herstellungskosten.
Doch was bedeutet mechanische Belastbarkeit konkret, wie unterscheiden sich die Werkstoffe im Detail und welche Rolle spielen Verarbeitung und Umgebungseinflüsse? Dieser Artikel gibt Ihnen einen umfassenden Überblick.
Die mechanische Belastbarkeit beschreibt, wie gut ein Werkstoff – in diesem Fall ein Kunststoff – äußeren Krafteinwirkungen standhält. Dabei werden unterschiedliche Formen von Belastung betrachtet:
Die Zugfestigkeit beschreibt den Widerstand, den ein Werkstoff einer einwirkenden Zugkraft entgegensetzt. Sie ist besonders relevant bei Bauteilen, die auf Zug beansprucht werden – beispielsweise Seile, Befestigungselemente oder dünnwandige Träger. Eine hohe Zugfestigkeit verhindert ein zu frühes Reißen oder plastisches Verformen.
Druckfestigkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Kunststoffs, stauchende oder drückende Kräfte aufzunehmen, ohne zu versagen. Dieser Wert ist entscheidend bei Bauteilen wie Buchsen, Lagern oder formschlüssigen Gehäusen, die unter Druckbelastung stehen.
Die Biegefestigkeit gibt an, wie stark sich ein Werkstoff biegen lässt, bevor es zu einem Bruch kommt. Sie ist besonders bei länglichen oder dünnwandigen Bauteilen wichtig, z. B. bei Halterungen, Schienen oder Führungen. Eine gute Biegefestigkeit trägt zur strukturellen Stabilität bei.
Kerbschlagzähigkeit misst die Fähigkeit eines Kunststoffs, plötzliche, schlagartige Belastungen zu absorbieren – insbesondere an Schwachstellen wie Kerben, Einkerbungen oder Bohrungen. Ein hoher Wert steht für eine gute Eignung in sicherheitsrelevanten Anwendungen oder bei potenziell stoßbelasteten Bauteilen.
Die Dauerfestigkeit beschreibt, wie ein Werkstoff auf zyklische, wiederkehrende Belastung reagiert. Besonders in rotierenden oder schwingenden Anwendungen – wie Zahnrädern, Hebeln oder Gelenken – ist eine hohe Dauerfestigkeit erforderlich, um Materialermüdung und damit Ausfälle zu verhindern.
Je nach Anwendungsfall sind einzelne dieser Eigenschaften wichtiger als andere. So benötigen Zahnräder eine hohe Dauer- und Biegefestigkeit, während Stoßfänger eher auf Schlagzähigkeit optimiert werden.
Die mechanische Belastbarkeit hängt stark vom gewählten Kunststoff ab. In der folgenden Tabelle sind einige typische Werkstoffe mit ihren zentralen mechanischen Kennwerten dargestellt:
| Werkstoff | Zugfestigkeit (MPa) | Biegefestigkeit (MPa) | Kerbschlagzähigkeit (kJ/m²) | Bemerkung |
|---|---|---|---|---|
| PA6 (Polyamid) | 70–90 | 100–110 | 4–6 | Hohe Zähigkeit, verschleißfest |
| POM (Polyoxymethylen) | 60–80 | 90–110 | 5–8 | Gute Formstabilität, geringe Reibung |
| PET (Polyethylenterephthalat) | 50–70 | 100–110 | 2–4 | Hart und formstabil, mittlere Zähigkeit |
| PC (Polycarbonat) | 55–75 | 90–100 | >60 | Sehr hohe Schlagzähigkeit |
| PEEK (Polyetheretherketon) | 90–110 | 160–180 | 7–10 | Hochleistungskunststoff, sehr robust |
Diese Werte sind typische Richtwerte und können je nach Hersteller, Füllstoffen, Verarbeitung und Orientierung im Bauteil variieren. Bei Faserverstärkung (z. B. mit Glas- oder Kohlefasern) können die Festigkeitswerte deutlich steigen.
Neben dem eigentlichen Werkstoff beeinflussen zahlreiche Faktoren die mechanische Leistungsfähigkeit eines Kunststoffteils:
Temperatur: Mit steigender Temperatur verlieren viele Kunststoffe an Steifigkeit und Festigkeit. PEEK und glasfaserverstärkte Werkstoffe bieten hier eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit.
Feuchtigkeitsaufnahme: Besonders hygroskopische Kunststoffe wie PA6 nehmen Wasser aus der Umgebung auf. Dadurch kann es zu einer Reduktion der Festigkeit und Änderung der Dimensionsstabilität kommen.
Füllstoffe und Verstärkungen: Glasfaser, Kohlefaser oder mineralische Füllstoffe verbessern gezielt bestimmte mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, während Schlagzähigkeit dabei oft abnimmt.
Verarbeitungsverfahren: Fertigungsverfahren wie Spritzguss, Extrusion oder Fräsbearbeitung beeinflussen die Kristallinität und Faserorientierung und damit auch die Festigkeit des Endprodukts. Auch Prozessparameter wie Werkzeugtemperatur, Druck oder Nachdruckzeit spielen eine Rolle.
Die Wahl des passenden Werkstoffs muss individuell und anwendungsbezogen erfolgen. Für statisch hochbelastete Konstruktionen wie Maschinenkomponenten oder Trägersysteme bieten sich PET, POM oder PEEK an, da sie eine hohe Steifigkeit und Formbeständigkeit aufweisen. Dynamisch beanspruchte Bauteile wie Lager, Zahnräder oder Gelenke stellen besondere Anforderungen an Verschleißfestigkeit und Dauerbelastbarkeit – hier sind PA6 (ggf. modifiziert mit MoS₂) oder POM-C geeignete Werkstoffe.
Werden Bauteile regelmäßig stoßartig belastet, etwa bei Schutzgehäusen oder Abdeckungen, sind Kunststoffe mit hoher Schlagzähigkeit wie PC oder PEEK zu bevorzugen. In Anwendungen, bei denen sowohl hohe mechanische als auch thermische Anforderungen bestehen – etwa im Maschinen- oder Fahrzeugbau – punkten Hochleistungskunststoffe wie PEEK oder PPS mit ihrer Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Für Umgebungen mit aggressiven Medien oder Reinigungsprozessen ist zusätzlich die chemische Widerstandsfähigkeit entscheidend, wofür sich Materialien wie PVDF oder PTFE eignen.
Je nach Anwendung kann auch eine Kombination aus verschiedenen Werkstoffen sinnvoll sein, z. B. durch Mehrkomponentenbauteile oder Verbindungen mit Metalleinsätzen. aus verschiedenen Werkstoffen sinnvoll sein, z. B. durch Mehrkomponentenbauteile oder Verbindungen mit Metalleinsätzen.
Die mechanische Belastbarkeit ist eine der zentralen Eigenschaften bei der Auswahl technischer Kunststoffe. Nur durch ein genaues Verständnis der einwirkenden Kräfte, der Umgebungsbedingungen und der Werkstoffeigenschaften lassen sich optimale Ergebnisse erzielen. Die Vielzahl an verfügbaren technischen Kunststoffen erlaubt es, selbst komplexe mechanische Anforderungen zu erfüllen – vorausgesetzt, die Auswahl erfolgt bewusst und anwendungsbezogen.
Eine sorgfältige Werkstoffauswahl unter Berücksichtigung aller Einflussfaktoren, auch der Verarbeitung, senkt nicht nur das Risiko von Bauteilversagen, sondern fördert auch die Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer der Gesamtlösung.
Welche Kunststoffe sind besonders schlagzäh?
Polycarbonat (PC) bietet eine der höchsten Kerbschlagzähigkeiten unter allen thermoplastischen Kunststoffen. Auch PEEK bietet gute Zähigkeit bei gleichzeitig hoher Temperaturbeständigkeit.
Wie wirkt sich Glasfaserverstärkung auf die mechanische Belastbarkeit aus?
Glasfaserverstärkung erhöht vor allem die Steifigkeit und Zugfestigkeit eines Kunststoffs. Allerdings nimmt dabei oft die Schlagzähigkeit ab, insbesondere bei sehr kurzen Fasern.
Sind technische Kunststoffe für dauerhafte Belastung geeignet?
Ja, insbesondere Werkstoffe wie POM, PA6 oder PEEK eignen sich für Bauteile unter zyklischer oder dauerhafter Belastung. Voraussetzung ist eine sachgerechte Auslegung und ggf. Additivierung.
Verändert sich die mechanische Belastbarkeit bei Hitze?
Ja, nahezu alle thermoplastischen Kunststoffe verlieren bei steigender Temperatur an mechanischer Leistungsfähigkeit. PEEK und PTFE sind hier deutlich stabiler als Standardkunststoffe wie PE oder PP.
Welche Rolle spielt die Verarbeitung bei der Belastbarkeit?
Einflussfaktoren wie Fließrichtung im Spritzguss, Nachdruck, Abkühlung oder Werkzeugtemperatur können die Orientierung von Molekülketten oder Fasern beeinflussen und damit die Belastbarkeit in Längs- oder Querrichtung deutlich verändern.
