Überdimensionierung vermeiden: Metallbauteile durch Hochleistungskunststoffe ersetzen

Ingenieure greifen häufig auf Metalle zurück, um robuste Produkte zu schaffen – sie sind stark, typischerweise korrosionsbeständig, thermisch stabil und in der Ingenieursgemeinde gut verstanden. Angesichts der Fortschritte bei hochentwickelten Thermoplasten und Duroplasten, Fertigungstechniken und digitalen Designtools sind Kunststoffe heute leistungsfähiger, als man vermuten könnte. Möglicherweise überdimensionieren Sie Ihr Bauteil durch den Einsatz von Metall und verschenken die vielen vorteilhaften Eigenschaften von Kunststoffen.

Entscheidungskriterien

Um zu beurteilen, ob Ihr Bauteil ein Kandidat für die Umstellung von Metall auf Kunststoff ist, müssen Sie die Leistungsanforderungen genau verstehen. Welche Betriebsbedingungen herrschen? Welche Lastfälle treten auf? Wie viel Kriechen/Ermüdung ist akzeptabel? Welche Anforderungen bestehen an chemische und UV-Beständigkeit? Ihr Bauteil kann nicht-verhandelbare Anforderungen haben, die eine Umstellung ausschließen, doch die breite Palette verfügbarer Materialeigenschaften und Kunststoffvarianten macht die Suche nach einer passenden Alternative einfacher denn je.

Ausreichende Festigkeit

Zwar erreichen Kunststoffe nicht die Festigkeit von Metallen, doch bestimmte Kunststoffe sind für viele Anwendungen stark genug. Beispielsweise weist Cyanate Ester, ein proprietärer Polymer für Carbons® Digital Light Synthesis (DLS)-Technologie, hohe Wärmeformbeständigkeit, Festigkeit und Steifigkeit auf. Letztere ist mit glasfaserverstärktem Nylon vergleichbar und wurde bereits zum Ersatz älterer Metallkomponenten eingesetzt, wo Kosten oder Gewicht wichtiger waren. Ein durchdachtes Redesign unter Nutzung komplexer Strukturelemente wie Rippen und Stege kann es ermöglichen, Ihr Bauteil von Metall auf Kunststoff umzustellen und dennoch die funktionalen Anforderungen zu erfüllen.

In manchen Fällen übertreffen Kunststoffbauteile sogar ihre metallischen Pendants. Metallbauteile mit komplexen Geometrien erfordern manchmal nachträgliche Prozesse wie das Schweißen separater Komponenten zur Erreichung der Endgeometrie. Schweißnähte schaffen potenzielle Schwach- und Korrosionsstellen, während ein Kunststoffbauteil als Einzelteil ohne diese Mängel gefertigt werden kann – wie im Bild unten dargestellt.

Leistungsgewinne

Heutige Kunststoffe bieten ein breites Spektrum funktionaler Vorteile. Zahnräder sind beispielsweise gute Umstiegskandidaten, da der richtige Kunststoff – im Gegensatz zu Metall – keine externe Schmierung benötigt. In stark korrosiven Umgebungen kann das Kunststoffbauteil eine längere Lebensdauer erreichen und sein metallisches Gegenstück überdauern.

Weitere funktionale Vorteile von Kunststoffen: verbesserte Abdichtung, Vibrations- und Schalldämpfung, elektrische und thermische Isolierung. Kunststofffertigungsverfahren erreichen engere Toleranzen als Blech- oder Gusskomponenten. Zudem bieten sie größere gestalterische Freiheit bei der Ästhetik – individuelle Farben, Logos oder Texturen lassen sich realisieren.

Geld und Zeit sparen

Durch Redesign von Metallbauteilen lassen sich erhebliche Kosteneinsparungen realisieren. Ein offensichtliches Beispiel ist die Luftfahrt, wo Massenreduktionen von wenigen Gramm signifikante Dollarbeträge bedeuten. Weitere Einsparpotenziale:

• Material- und Zeiteinsparung durch Wegfall zusätzlicher Beschichtungen oder Lackierungen, die bei vielen Metallbauteilen nötig sind
• Kostensenkung durch höhere Materialeffizienz von Near-Net-Shape-Verfahren
• Zeit- und Personalkostensenkung durch Baugruppenkonsolidierung, ermöglicht durch Spritzgießen und 3D-Druck

Ein reales Beispiel aus unserem Geschäft: Kühlluftkanäle eignen sich hervorragend für Teilekonsolidierung, da Geometrie und Strömung durch additive Fertigung optimiert werden können. Fast Radius fertigt den Kühlkanal der HP 500/300 Druckerserie im HP MJF-Verfahren. Durch Konsolidierung von acht Teilen (überwiegend Metall) auf ein einziges Bauteil konnte HP die Lieferkette vereinfachen und die Komponentenkosten um 30 % senken.

Spritzgießen oder 3D-Druck?

Viele Faktoren beeinflussen die Wahl des Kunststofffertigungsverfahrens. Folgende Kriterien geben Orientierung, wann additive Fertigung traditionellen Spritzgießverfahren vorzuziehen ist:

• Lieferzeit – Während der Werkzeugbau für Spritzgießen Monate dauern kann, reduziert additive Fertigung die Lieferzeit auf Tage oder Wochen, was den Produktlaunch beschleunigt.
• Break-even-Punkt – Viele Spritzgießverfahren erfordern hohe Stückzahlen für wirtschaftliche Rentabilität aufgrund hoher Werkzeug- und Rüstkosten. Bei geringeren Volumina bietet additive Fertigung erhebliche Kostenvorteile.
• Designfreiheit – Additive Fertigung macht zuvor nicht herstellbare Designs möglich und erschließt erheblichen Mehrwert: komplexe Strukturelemente wie Gitterstrukturen, organische Geometrien und individuelle Anpassungen pro Bauteil.

Besser machen

Dass etwas funktioniert, heißt nicht, dass es nicht besser funktionieren könnte. Die Umstellung von Metallbauteilen oder -baugruppen auf Kunststoff ist ein hervorragender Ansatzpunkt für Effizienz- und Kosteneinsparungen in der Stückliste (BOM). Bei Fast Radius haben wir unzähligen Unternehmen geholfen, Produktdesign und -leistung durch die Umstellung von Metall auf Kunststoff zu verbessern. Beispielsweise wandelten wir einen klassischen Wärmetauscher in Cyanate Ester um und erzielten eine 2-fache Verbesserung der Wärmeübertragung. Auch halfen wir Bastian Solutions, einen leichteren Arm für dessen Materialhandling-Roboter zu schaffen, indem wir ein einzelnes Bauteil additiv aus PA 12 statt einer überwiegend metallischen Baugruppe fertigten.

Beim nächsten Design eines Metallbauteils fordern wir Sie auf, innezuhalten und zu fragen: Könnte dieses Bauteil aus Kunststoff besser gemacht werden?

Möchten Sie aufhören, Ihre Metallbauteile zu überdimensionieren? Wenden Sie sich an die Experten von Fast Radius, die Ihnen helfen, geeignete Bauteile zu identifizieren, sie neu zu gestalten und effizienter zu fertigen.