Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Potential des Strahlenvernetzens für mechanisch und tribologisch modifizierte

Stirnräder aus Kunststoff

In diesem Forschungsvorhaben soll das Potential des Strahlenvernetzens zur Eigenschaftsverbesserung von Maschinenelementen aus thermoplastischen Kunststoffen untersucht und bewertet werden. Am Beispiel von Stirnrädern soll die erwartete Leistungssteigerung hinsichtlich mechanischer, thermischer und tribologischer Eigenschaften analysiert werden. Dabei soll vor allem der Einfluss verschiedener Modifikationen der Polymermatrix durch Zugabe von Fasern und Füllstoffen zur tribologischen Optimierung, sowie unterschiedlicher Verarbeitung-sparameter und Bestrahlungsstärken auf die Leistungsfähigkeit untersucht werden. Die dabei anhand von Modellversuchen (z. B. Stift-Scheibe) gewonnenen tribologischen Ergebnisse können als Vergleichsbasis herangezogen werden, um Aussagen über die Eignung des Bestrahlungsverfahrens zur Leistungssteigerung von Maschinenelementen zu treffen.

Es sollen vernetzte und unvernetzte, modifizierte und unmodifizierte Probekörper in Abhängigkeit der Verarbeitungs- und Bestrahlungsparameter vergleichend charakterisiert werden. Durch eine Korrelation der Modifikation, Verarbeitungs- und Bestrahlungsparameter – und den daraus resultierenden Vernetzungsgraden – mit den tribologischen und mechanischen Kenngrößen lässt sich eine angepasste Verarbeitungs- und Bestrahlungsstrategie ableiten.

Relevant sind diese Ergebnisse vor allem für KMU’s der kunststoffverarbeitenden Industrie, sowie für KMU’s aus den Branchen Automobilbau, Feinmechanik und Medizintechnik, da dort leistungsfähige Bauteile zu einem konkurrenzfähigen Preis angeboten werden müssen. Das erzielte Wissen kann dort eingesetzt werden wo thermisch, mechanisch und tribologisch hochbelastete Kunststoffe eingesetzt werden und möglicherweise dazu führen, dass eine Substitution von Hochtemperatur-Thermoplasten oder Stahl erreicht wird. Nach ersten Untersuchungen entstünde durch den Einsatz modifizierter strahlenvernetzter Kunststoffe ein deutlicher Leistungs- und Kostenvorteil gegenüber Wettbewerbern.

Ergebniszusammenfassung:

Der Einfluss des Strahlenvernetzens auf die tribologischen Eigenschaften von (tribologisch modifizierten) PA9T- und PA66-Werkstoffen wurde mittels Stift-Scheibe-, und Zahnraduntersuchungen charakterisiert. Es wurden Untersuchungen nach ISO 527 durchgeführt. Die als Hauptmaterial vorgesehenen PA9T - Materialtypen konnten durch geeignete Additivierung im Vergleich zur ersten geprüften PA9T-Materialcharge an Performance zulegen. Dies wurde jedoch nicht durch die Strahlenvernetzung erreicht. Bei den im weiteren Verlauf des Vorhabens stattdessen verwendeten tribologisch modifizierten PA66 - Typen sind hingegen gute Verbesserungen in der Leistungsfähigkeit zu erkennen. Im Stift-Scheibe-System konnte für beide tribologischen Modifikationen nachgewiesen werden, dass mit einer Bestrahlung eine z.T. deutliche Reduktion im Verschleißverhalten einhergeht. So konnte der Verschleiß je nach Modifikation und Bestrahlungsdosis um den Faktor 2 bis 2,2 reduziert werden. Bei Zahnraduntersuchungen konnte gezeigt werden, dass sich auch für diese Materialien - trotz unterschiedlicher Art und Weise der Einbringung des Vernetzungsadditivs - eine Verschleißreduktion von bis zu 50 % realisieren lässt bei hohen Einsatztemperaturen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass nicht zwingend eine Maximalbestrahlung die besten Verschleißergebnisse liefert. Die Untersuchungen nach ISO 527 zeigen, dass sich tribologisch modifizierte Materialien durch Bestrahlung auf ein Niveau mit unmodifizierten Werkstoffen oder besser bringen lassen. Es konnte zuletzt nachgewiesen werden, welchen Einfluss verschiedene Parameter (Heizrate, Haltetemperatur, Atmosphäre) auf die Zersetzung des Vernetzungsadditiv haben und somit ein Prozessfenster festgelegt werden. Ein besseres Verständnis der Zersetzungseigenschaften des Vernetzungsadditivs könnte im Umkehrschluss eine Möglichkeit eröffnen, doch Hochtemperaturwerkstoffe mit ihren höheren Verarbeitungsanforderungen erfolgreich zu vernetzen und leistungszusteigern.