Werkstoffvergleich von Kunststoff und Metall

11.05.2012

Peter Vyborny

Werkstoffvergleiche Metall - Kunststoff 11.05.2012 Seite 2 von 8

Peter Vyborny

Inhaltsverzeichnis Unterschied von Metall zu Kunststoff ..................................................................................................... 3

Eigenschaften von Kunststoffen .............................................................................................................. 3

Zusammenfassung von allgemeinen Eigenschaften von Kunststoff ................................................... 3

Dichte und Festigkeit ....................................................................................................................... 3

Chemische Beständigkeit ................................................................................................................ 4

Niedrige Verarbeitungstemperaturen ............................................................................................. 4

Niedrige Leitfähigkeiten .................................................................................................................. 4

Vor- und Nachteile von Kunststoff ...................................................................................................... 4

Vorteile gegenüber Metall .............................................................................................................. 4

Einschränkungen im Vergleich zu Metall ........................................................................................ 4

Plastische Eigenschaften ..................................................................................................................... 5

Eigenschaften von Metallen .................................................................................................................... 5

Zusammenfassung von allgemeinen Eigenschaften von Metall ......................................................... 5

Beispiele: ................................................................................................................................................. 6

Quellen: ................................................................................................................................................... 8

Werkstoffvergleiche Metall - Kunststoff 11.05.2012 Seite 3 von 8

Peter Vyborny

Unterschied von Metall zu Kunststoff Kunststoffe erfreuen sich auf Grund ihres Eigenschaftsprofils einer zunehmenden Bedeutung in allen Industriebranchen. Im

Vergleich zu Metallen besitzen sie einen grundsätzlich anderen inneren Aufbau, das betrifft sowohl die chemische Bindung als

auch die strukturelle Anordnung der Makromoleküle (amorph oder teilkristallin) gegenüber dem Gitteraufbau der Metalle. Hier

liegen die Gründe für die wesentlich geringere mechanische und thermische Stabilität. Wie bei den Metallen hängen die

Eigenschaften der Kunststoffe von beteiligten Teilchenarten sowie von den Bindungskräften zwischen den Teilchen und dem

strukturellen Aufbau ab, allerdings mit anderer Gewichtung.

Eigenschaftsbestimmende Teilchen sind bei Kunststoffen im Unterschied zu Metallen und Keramiken nicht Atome, Atomrümpfe

und Ionen, sondern organische Makromoleküle. Die Makromoleküle können sich innerhalb eines Kunststoffes hinsichtlich ihrer

Größe und chemischen Struktur unterscheiden, so dass eine wesentlich breitere Einflussbreite auf die Eigenschaften entsteht.

Verglichen mit Metallen besitzen Kunststoffe, aufgrund der beschriebenen Unterschiede, eine geringe Maßbeständigkeit. Dies

wird vor allem durch den höheren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten, der geringeren Steifigkeit und der höheren

Elastizität hervorgerufen. Die Feuchteaufnahme, die zu einem Quellen des Kunststoffes führen kann, spielt ebenfalls eine Rolle

(vor allem bei Polyamiden). Dies erschwert die Einhaltung enger Fertigungstoleranzen während und nach der Zerspanung. Als

Richtwert zur Ermittlung der Verarbeitungstoleranzen empfiehlt sich 0,1-0,2% des Nominalwertes. Unter Verwendung von sehr

stabilen und verstärkten Kunststoffen sind auch geringere Toleranzen erzielbar.

Grundsätzlich kann man von folgenden Unterschieden ausgehen:

Wärmeausdehnung ist bis zu 20x höher als bei Metall

Kunststoffe geben Wärme viel schwerer ab als Metalle, weshalb eine lokale Überhitzung vermieden werden sollte

Erweichungs- und Schmelztemperaturen liegen deutlich niedriger als bei Metall

Kunststoffe sind deutlich elastischer als Metalle

Aufgrund dieser Unterschiede wird empfohlen, vorab in Versuchen die optimalen Verarbeitungsbedingungen und Werkzeuge

zur Kunststoffbearbeitung zu ermitteln.

Eigenschaften von Kunststoffen

Der Name Kunststoff aus dem griechischen Wort plastikos abgeleitet ist, bedeutet die in der Lage geformt werden. Kunststoffe

bestehen aus langen Molekülketten (Polymeren).Erhältlich in vielen Farben und in transparenter Form, können Kunststoffe sein,

gummiartig oder starr sein. Kunststoff-Formen umfassen Platten, Stäbe, Hex-, Rohr-, Würfel, Kugeln, Röhren, etc.

Zusammenfassung von allgemeinen Eigenschaften von Kunststoff

Kunststoffe zeichnen sich, verglichen mit keramischen oder metallischen Werkstoffen, durch eine Reihe von ungewöhnlichen

Eigenschaften aus:

Dichte und Festigkeit

Die Dichte der meisten Kunststoffe liegt zwischen 800 und 2200 kg/m3. Sie sind damit erheblich leichter als Metalle oder

keramische Werkstoffe.

In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften sind Kunststoffe anderen Werkstoffklassen häufig unterlegen. Ihre Festigkeit und

Steifigkeit erreicht meist nicht die von Metallen oder Keramiken. Wegen der geringen Dichte kann dies jedoch teilweise mit

konstruktiven Mitteln (höhere Wandstärken) oder dem Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen kompensiert werden. Ein

Beispiel ist der Einsatz von Kevlar in Flugzeugtragflächen.

Obwohl die Festigkeiten vergleichsweise niedrig sind, brechen Kunststoffteile weniger leicht, als beispielsweise Keramik oder

Glas. Sie weisen zumeist eine gute Zähigkeit auf. Deshalb werden Gebrauchsgegenstände für Kinder und Spielzeug vielfach

aus Kunststoff gefertigt.

Werkstoffvergleiche Metall - Kunststoff 11.05.2012 Seite 4 von 8

Peter Vyborny

Chemische Beständigkeit

Kunststoffe sind, im Gegensatz zu Metallen, aufgrund ihrer organischen Natur beständig gegenüber anorganischen Medien.

Dies schließt Mineralsäuren, Laugen, sowie wässrige Salzlösungen ein. Daher bevorzugt man zur Herstellung von

pflegeleichten Haus- und Elektrogeräten, Fahrzeugausstattungen, Spielzeugen usw. Werkstoffe aus Kunststoff.

Im Gegensatz zu Metallen reagieren sie allerdings empfindlich auf organische Lösungsmittel, wie Alkohole, Aceton, Benzin.

Dennoch gelang es auch auf diesem Gebiet, beständige Kunststoffe zu entwickeln. Ein Beispiel ist der Autotank aus

Polyethylen im VW Polo. Er ist überaus beständig gegenüber Korrosion und trotzdem unempfindlich gegenüber dem Benzin.

Niedrige Verarbeitungstemperaturen

Die gängigen Verarbeitungstemperaturen für Kunststoffe liegen im Bereich von 250 bis 300 °C. Während Metalle bei hohen

Temperaturen aufwändig gegossen werden müssen und Einschränkungen bezüglich der Gussformen bestehen, lassen sich

aus Thermoplasten auch kompliziertere Formteile mit vergleichsweise geringem Aufwand fertigen. Gleichzeitig können in einem

Verarbeitungsschritt weitere Additive, wie Farbpigmente oder Fasern in das Material eingearbeitet werden, die sich bei den

hohen Temperaturen des Metallgießens oder des Sinterns von Keramik zersetzen würden.

Niedrige Leitfähigkeiten

Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen liegt deutlich unter der von Metallen. Daher werden viele Kunststoffe, vor allem

Schaumstoffe, als Dämmstoffe eingesetzt.

Die elektrische Leitfähigkeit von Kunststoffen ist um 15 Größenordnungen geringer als die von Metallen, so werden viele

Kunststoffe zur Isolierung von elektrischen Leitungen und Kabeln eingesetzt.

Vor- und Nachteile von Kunststoff

Kunststoffe weisen gegenüber Metall viele Vorteile auf, es müssen jedoch auch einige Einschränkungen beachtet werden.

Grundsätzlich bietet sich der Einsatz von Kunststoff in Bereichen an, in denen vor allem Gewicht eingespart werden muss und

ein sehr gutes Gewicht zu Festigkeitsverhältnis gefordert wird.

Kunststoff bietet eine Lösung, wenn zwei bis drei der folgenden speziellen Vorteile gefordert sind.

Vorteile gegenüber Metall geringe Dichte

gute Geräusch- und Schwingungsdämpfung

elektrische Isolation oder einstellbare Leitfähigkeit

gute chemische Beständigkeit

hohe Designfreiheit

hochproduktive Massenfertigungsverfahren

Durchlässigkeit für elektromagnetische Wellen

sehr gute Korrosionsbeständigkeit

thermische Isolation

anwendungsspezifische Modifikationen möglich

Einschränkungen im Vergleich zu Metall relativ geringe Wärmebeständigkeit

größere Wärmedehnung

niedrigere mechanische Kennwerte

schlechteres Zeitstandverhalten

Um die Vorteile von Kunststoffen bei der Substitution anderer Werkstoffe nutzen zu können, ist oft eine

Umkonstruktion notwendig.

Werkstoffvergleiche Metall - Kunststoff 11.05.2012 Seite 5 von 8

Peter Vyborny

Plastische Eigenschaften

Kunststoffe verfügen über zahlreiche Eigenschaften, die sie besser als andere Materialien, die in vielen Anwendungen zu machen.

Eigenschaften von Metallen Metalle sind glänzende Feststoffe sind bei Raumtemperatur (mit Ausnahme von Quecksilber, das ist eine glänzende flüssige

Element ), mit charakteristischen hohe Schmelzpunkte und Dichten. Viele der Eigenschaften von Metallen, einschließlich

großen Atomradius, niedrige Ionisierungsenergie und geringe Elektronegativität sind aufgrund der Tatsache, dass die

Elektronen in die Valenzschale von einem Metall-Atomen leicht entfernt werden kann. Ein Merkmal von Metallen ist ihre

Fähigkeit, ohne zu brechen verformt werden. Verformbarkeit ist die Fähigkeit eines Metalls in Form gehämmert werden.

Duktilität ist die Fähigkeit eines Metalls in Draht gezogen zu werden. Weil die Valenzelektronen frei bewegen können, sind

Metalle gute Wärmeleiter und elektrischen Leitern.

Zusammenfassung von allgemeinen Eigenschaften von Metall

Shiny 'Metallic' Auftritt

Feststoffe bei Raumtemperatur (außer Quecksilber)

Hohe Schmelzpunkte

Hohe Dichten

Große Atomradien

Niedrige Ionisierungsenergien

Niedrige Elektronegativitäten

In der Regel hohe Verformung

Formbar

Duktile

Wärmeleiter

Elektrische Leiter

Werkstoffvergleiche Metall - Kunststoff 11.05.2012 Seite 6 von 8

Peter Vyborny

Beispiele:

Kunststoff statt Metall: Machen Sie Ihre Produkte leichter

In vielen Bereichen geht der Trend ganz klar weg vom Metall hin zum Kunststoff. Die beiden wichtigsten Triebfedern dafür sind Einsparungen beim Gewicht und Kostenreduzierung. Inzwischen sind Kunststoffe auch so vielfältig, dass sie selbst als Teile von Motoren eingesetzt werden können.

Autoindustrie setzt auf Kunststoffe Bis das Elektroauto zum Massenprodukt wird, werden noch einige Jahre vergehen. Deshalb arbeiten die Automobilhersteller parallel daran, Benzin- und Dieselmotoren zu verbessern und deren Emissionen zu senken. Dabei spielen naturgemäß auch die Kosten eine Rolle, die pro g/km CO2 gemessen werden. Die teuerste Methode ist der Vollhybrid mit über 100 Euro pro g/km CO2. Am günstigsten ist die Reduzierung des Fahrzeuggewichts mit etwa 26 Euro pro g/km CO2. Hier kommt der Kunststoff ins Spiel, denn er ist allemal leichter als Metall und wesentlich günstiger. Durch die Verfügbarkeit von Hochtemperatur-Polyamiden und PA 66-Werkstoffen mit stark verbesserter Temperaturstabilität können in Zukunft sogar im Motorenbereich Metallteile durch Kunststoffteile ersetzt werden. Auch in der Fertigung von Airbags werden immer häufiger Polymere eingesetzt. Kunststoff spart Kosten bis zu 50 Prozent Fachleute gehen davon aus, dass im Vergleich zu Metall mit Kunststoffen eine bis zu 50-prozentige Kostenreduzierung erreicht werden kann sowie eine bis zu 70-prozentige Gewichtsreduzierung. Außerdem muss man sich nicht um Korrosion kümmern und hat eine größere Freiheit bezüglich des Designs. Kunststoff ist zwar günstig, aber keineswegs ein billiger Metallersatz. Er bietet hochwertige und kostengünstige Lösungen. Mit thermoplastischen Kunststoffen können in vielen Fällen Bauteile aus Metallen wie Zink-, Aluminium oder Magnesium-Druckguss ersetzt werden. Zusätzlich lassen sich oft Nacharbeiten einsparen und die Standzeiten der Werkzeuge sind beim Kunststoff-Spritzguss höher.

(Quelle: http://www.rupp-spritzguss.de/news/kunststoff-anstatt-metall__17.php)

Werkstoffvergleiche Metall - Kunststoff 11.05.2012 Seite 7 von 8

Peter Vyborny

Werkstoffvergleiche Metall - Kunststoff 11.05.2012 Seite 8 von 8

Peter Vyborny

(Quelle: http://www.comco-plastic.de/D-download-pdf/D_Wirtschaftsforum.pdf)

Quellen:

http://www.hevo-plastics.com/html/kunststoffe.html

http://www.comco-plastic.de/D-download-pdf/D_Wirtschaftsforum.pdf

http://www.ensinger-online.com/de/stock-shapes/general-information-to-semi-finished-parts/machining-of-semi-finished-parts/differences-metals-to-plastics/

http://www.ensinger-online.com/de/technische-kunststoffe-halbzeuge/allgemeine-halbzeuginformationen/

http://www.ensinger-online.com/de/technische-kunststoffe-informationen/vor-und-nachteile-von-kunststoff

http://www.rupp-spritzguss.de/news/kunststoff-anstatt-metall__17.php