Plastikkleidung:Was sie verursacht und wie man sie vermeidet

Kunststoffverschleiß ist wie Reibung ein komplexes Phänomen. Es findet als zwei Oberflächen statt  gegeneinander gleiten oder rollen und die Kräfte der Relativbewegung entfernen allmählich Material. Zwei gängige Verschleißmechanismen sind Adhäsion und Abrieb. Adhäsive Abnutzung tritt auf, wenn die Passflächen gegeneinander gleiten und sich Fragmente einer Oberfläche lösen und an der anderen haften. In einem geschmierten Material bilden die resultierenden Trümmer ein feines Pulver auf der Gegenfläche. Dies ist der primäre Verschleißmechanismus für Thermoplaste im Reibkontakt.

Schleifverschleiß tritt andererseits auf, wenn die härtere Oberfläche ihren Gegenstück schabt oder abreibt. Diese Art von Verschleiß ist durch in die Teileoberfläche eingeschnittene Rillen oder Riefen gekennzeichnet. Abgelöste Partikel wie Glasfasern können zwischen den Oberflächen rollen und starken Abrieb verursachen. Polymere mit inhärenter Zähigkeit helfen, abrasiven Verschleiß zu reduzieren.

Kunststoffverschleiß kann zu ungewollter Bewegungsfreiheit oder Präzisionsverlust oder beidem führen. Schon der Verlust relativ kleiner Materialmengen kann zu Systemausfällen führen. Auch wenn ein gut konstruiertes tribologisches System den Materialabtrag nicht vollständig eliminieren kann, kann es den Verschleiß auf ein unbedeutendes Maß reduzieren.

Die Verschleißeigenschaften gleitfähiger Thermoplaste unterscheiden sich stark. Designs, bei denen Kunststoff auf Metall verwendet wird, funktionieren am besten. Aber Konstruktionen, die Kunststoff-auf-Kunststoff erfordern, können durch die Verwendung unterschiedlicher Polymere mit einem oder mehreren verschleißfesten Additiven wie PTFE gut funktionieren.

Design für Plastikkleidung

Sobald das Systemdesign fertig ist, muss der Ingenieur feststellen, ob "erheblicher Verschleiß" wahrscheinlich ist. In diesem Fall muss die Verschleißrate auf ein "akzeptables" Niveau eingestellt werden.

Die Systemverschleißrate wird durch das Zusammenspiel von meist kontrollierbaren Variablen bestimmt. Strukturvariablen umfassen beispielsweise Materialien in relativer Bewegung und deren Oberflächenbeschaffenheit sowie Grenzflächenmaterialien wie Schmiermittel und Schleifpartikel. Ein weiterer Faktor ist die Art der Bewegung – hin- und hergehende versus kontinuierliche oder geometrische Bewegung (d. h. Gleiten, Rollen) zwischen Komponenten. Betriebsbedingungen wie Geschwindigkeit, Last und Temperatur können ebenfalls einen Einfluss haben.

Die Materialauswahl für Lager, Buchsen, Dichtungen und Zahnräder hängt oft von Faktoren ab, die wenig oder nichts mit der Verschleißfestigkeit zu tun haben. Attribute wie Kosten, Gewicht, chemische Beständigkeit oder thermische und mechanische Eigenschaften können diese Designs bestimmen. Trotzdem ist es auch mit eingeschränkten Materialoptionen möglich, gute Reibungs- und Verschleißeigenschaften zu erzielen.

Wenn eine thermoplastische Verbindung nicht richtig funktioniert, können Ingenieure erwägen, die Additivmengen zu ändern oder neue einzuführen. Sie können auch einen anderen verschleißfesten Kunststoff auswählen oder das Material der Gegenfläche ändern oder beides, um die Leistung zu steigern.

Die wirklichen Verschleißkosten sind nicht der Anschaffungspreis des Compounds, sondern die versteckten Kosten, die entstehen, wenn gar nicht der richtige Thermoplast verwendet wird. Standardisierte Tests wie ASTM D-3702 geben einen Hinweis auf die relativen Verschleißraten. Es ist wichtig, Prototypen zu erstellen oder tatsächliche Anwendungstests durchzuführen, wenn Verschleiß ein Problem darstellt.

Abnutzungsraten berechnen

Der Verschleiß kann quantitativ als die spezifische Verschleißrate gemessen werden, die den volumetrischen Materialverlust über eine Zeiteinheit darstellt. Der Verschleiß ist proportional zur Belastung der Probe multipliziert mit der Distanz, die die Probe zurücklegt. Der Verschleißfaktor ergibt sich aus der folgenden Beziehung:

W =K•F•V•T

Wobei k =Verschleißfaktor (in.3 min/ft/lb/h) 10-10, W =Verschleißvolumen (in.3), F =Kraft (lb), V =Geschwindigkeit (ft/min), T =verstrichene Zeit (h). Je niedriger das K, desto verschleißfester ist der Kunststoff. K sollte jedoch nur als relatives Leistungsmaß verwendet werden, wenn thermoplastische Alternativen verglichen werden.

Sowohl der Anpressdruck (P) als auch die Gleitgeschwindigkeit (V) beeinflussen die Materialverschleißraten stark. Die PV-Fähigkeit eines Lagermaterials wird als Produkt von P und V ausgedrückt. Jedes Material hat einen PV-Grenzwert. Oberhalb dieser Grenze wird ein Material versagen. Das PV-Limit ist jedoch eher konzeptionell als praktisch. Höhere PV-Werte weisen auf die Fähigkeit hin, unter schwereren Lasten und schnelleren Oberflächengeschwindigkeiten zu arbeiten. Eine Druckerhöhung erhöht die Verschleißrate und verringert die Reibung, während eine höhere Gleitgeschwindigkeit sowohl den Verschleiß als auch die Reibung erhöht.

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