Konstruktionselemente Funktionsteile profitieren von Zink und Kunststoff

Autor / Redakteur: Ulrich Schwab / Josef-Martin Kraus

Die Werkstoffe Zink und Kunststoff stehen weniger im Wettbewerb zueinander. Vielmehr ergänzen sie sich vorteilhaft bei Hybridteilen, die als gegossene Einlegeteile mit Kunststoff um- oder hinterspritzt werden. Zusammen vergrößern sie auch die Möglichkeiten der Variantenkonstruktion.

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Diese Zinkdruckgussteil muss in Hochdruckreinigern hohen Drücken standhalten. Das Druckgießverfahren ermöglicht die Herstellung dieses Teils im einbaufertigen Zustand. Bild: Föhl
Diese Zinkdruckgussteil muss in Hochdruckreinigern hohen Drücken standhalten. Das Druckgießverfahren ermöglicht die Herstellung dieses Teils im einbaufertigen Zustand. Bild: Föhl
( Archiv: Vogel Business Media )

Aufgrund der Vielzahl der heute am Markt angebotenen Konstruktionswerkstoffe spielt die Frage nach Zink oder Kunststoff zugegebenermaßen eine eher untergeordnete Rolle. Beide Werkstoffe konkurrieren vor allem mit unterschiedlichen Stählen oder Leichtmetallen, zum Beispiel auf Aluminium- oder Magnesiumbasis. Dennoch gewinnt die Frage zunehmend an Bedeutung – insbesondere dann, wenn wie beim Druckgießer und Spritzgießer Föhl Bauteile aus beiden Werkstoffen entwickelt und hergestellt werden.

Legierung ZL 0410 spielt Hauptrolle bei Zinkdruckgussteilen in Europa

Zur Herstellung von Druckgussteilen eignen sich verschiedene Zinklegierungen, die unter dem Namen Zamak gehandelt und mit ZL abgekürzt werden. Die Legierungen unterscheiden sich vor allem in ihrem Aluminium- und Kupferanteil. ZL 0410 enthält beispielsweise 4% Aluminium und 1% Kupfer im Vergleich zu ZL 0430 mit 3% Kupfer. In Deutschland und Europa spielt ZL 0410 die Hauptrolle, während in den USA und Asien auch häufig ZL 0400 verarbeitet wird. D

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agegen ist die Anzahl an Kunststoffen nahezu unüberschaubar. Daher beschränkt sich die Betrachtung auf typische technische Kunststoffe wie Polyamid (PA) mit und ohne Glasfaserverstärkung oder Polyoxymethylen (POM). Diese Kunststoffe tragen Bezeichnungen wie PA 6, auch bekannt unter dem Namen Perlon, oder PA 6.6 GF 50. Die ersten Ziffern geben Auskunft über die Herstellung und die damit verbundene chemische Zusammensetzung des Kunststoffs, GF 50 steht für einen Glasfaseranteil von 50%.

Verbesserte Beanspruchbarkeit versus vierfach höhere Dichte

Einen ersten Eigenschaftsvergleich zwischen Zink und Kunststoff zeigt Bild 1 (siehe Bildergalerie). Zink hält einer hohen mechanischen Beanspruchung stand, die ein Mehrfaches der zum Vergleich herangezogenen Kunststoffe betragen kann und auch über der von Aluminium oder Magnesium liegt.

Dafür ist die Schmelztemperatur mit 420 °C deutlich höher als die von Polyamid (etwa 250 °C). Zudem liegt die Dichte mit 7 g/cm3 darüber. Beiden Werkstoffen gemeinsam ist eine begrenzte Temperaturbeständigkeit. So lässt die mechanische Belastbarkeit bei Temperaturen über 80 bis 100 °C nach.

Zink punktet als hervorragender elektrischer Leiter mit guter elektromagnetischer Verträglichkeit

Zusätzlich zu diesen Differenzierungen gibt es weitere unterschiedliche Eigenschaften. Zink ist ein hervorragender elektrischer Leiter mit guter elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV), Kunststoff wirkt dagegen elektrisch isolierend und bietet in der Regel keine Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung.

Zink ist chemisch anfällig gegen Säuren, Laugen und heißes Wasser und neigt ungeschützt unter Lufteinfluss zu Weißrostbildung. Kunststoff ist ebenfalls chemisch anfällig gegen Säuren sowie Oxidationsmittel und Phenole, zeigt aber keine korrosiven Erscheinungen unter Lufteinfluss. Zink lässt sich aber sehr gut galvanisch beschichten, um besondere Eigenschaften hinsichtlich Optik, Korrosionsschutz oder auch Tribologie sicherzustellen.

Wichtig für die Auslegung von Werkzeugen zum Druck- oder Spritzgießen ist die Isotropie oder Anisotropie der Werkstoffe. Bei der Erstarrung schwindet Zink gleich stark in allen Richtungen (isotropes Verhalten), Kunststoff verhält sich dagegen anisotrop: Das Schwindungsverhalten ist richtungs abhängig.

Weltmarkt gibt Werkstoffpreise für Zink und Kunststoffe vor

Zink ist ein Element aus dem Periodensystem und kommt in der Erdkruste häufig vor (24. Stelle der Häufigkeit), womit es zunächst nahezu unbegrenzt verfügbar ist. Große Lagerstätten von Zinkerz befinden sich in China, Nordamerika und Australien. Kunststoffe sind synthetisch hergestellte Werkstoffe, die letzten Endes aus Erdöl gewonnen werden.

Von großem Einfluss auf die aktuelle Verfügbarkeit der beiden Werkstoffe und damit auch auf den Preis hat natürlich das Verhältnis von Angebot und Nachfrage am Weltmarkt. Zink oder Zinklegierungen unterliegen momentan wie Kunststoff prinzipiell keinem Engpass, wenngleich nie auszuschließen ist, dass deren Bedarf plötzlich steigt oder das Angebot durch höhere Gewalt oder künstliche Verknappung eingeschränkt wird – ganz zu schweigen von spekulativen Einflüssen.

Polycarbonat oder Polyphtalamid bieten bessere Eigenschaften als Polyamid

Momentan bewegt sich ZL 0410 mit etwa 2,20 Euro/kg auf dem Preisniveau wie Polyamid (Bild 2), was zwangsläufig einen deutlich höheren Volumenpreis des Zinks bedeutet. Jedoch kam es in jüngster Vergangenheit bei den Polyamid-Werkstoffen zu Verknappungen des Ausgangsmaterials für die Granulatherstellung, deren preisliche Auswirkungen noch abzuwarten sind. Hochwertigere Kunststoffe wie Polycarbonat (PC) oder Polyphtalamid (PPA) bieten im Vergleich zu Polyamiden bessere Eigenschaften und damit Anwendungsmöglichkeiten. Sie haben aber auch einen beinahe doppelt so hohen Preis.

Sowohl Zinklegierungen als auch Kunststoffe werden im flüssigen Zustand und unter hohem Druck auf speziellen Maschinen in eine Form gegossen, die im Wesentlichen das negative Abbild des späteren Werkstücks darstellt. Multipliziert man die projizierte Fläche des herzustellenden Teils mit der Anzahl der aus einem Werkzeug kommenden Teile (sogenannte Fachheit/Kavität) und zählt noch die Fläche des Angusses sowie Zuschläge für Schieber hinzu, so erhält man die gesamte Fläche, auf der in der Form der sogenannte spezifische Gieß- oder Spritzgießdruck wirksam wird.

Unter diesem Druck wird beim Druck- oder Spritzgießen der jeweilige Werkstoff in die Form gepresst. Typische Drücke für das Zinkdruckgießen liegen bei 200 bis 400 bar, beim Kunststoffspritzgießen sind es 300 bis 1000 bar. Die erwähnte Fläche multipliziert mit dem spezifischen Druck ergibt die Kraft, mit der die Schmelze die Form aufzudrücken versucht. Die Maschine muss diese Kraft kompensieren.

Zuhaltekräfte bei Spritzgießmaschinen oft höher als beim Zinkdruckgießen

In der Praxis werden daher Druck- und Spritzgießmaschinen in Klassen eingeteilt, die eine Aussage über die Zuhaltekraft machen. Typische Zuhaltekräfte beim Zinkdruckgießen liegen bei 200 bis 2000 kN und beim Spritzgießen bei 200 bis 10 000 kN.

Außer der Maschine und Prozessführung ist die Form von entscheidender Bedeutung für das Ergebnis. Charakteristisch für das Zinkdruck- und Kunststoffspritzgießen ist ein hochkomplexes Zusammenspiel von thermodynamischen und strömungsmechanischen Einflüssen in der Form sowie den Verarbeitungseigenschaften des jeweiligen Werkstoffs im flüssigen Zustand und bei Erstarrung.

Der eigentliche Druckgießvorgang bei Zink dauert gerade mal 20 ms, beim Spritzgießen kann er – abhängig vom Kunststoff und Teil eine bis mehrere Sekunden betragen. Zusammen mit der anschließenden Abkühldauer, in der jeweils der Werkstoff in der Form erstarrt, und den zusätzlichen Handlingzeiten ergeben sich typische Zykluszeiten von 5 bis 30 s für beide Verfahren, die trotz leistungsfähiger Programme zur Prozess- und Bauteilsimulation noch heute stark von der Empirik leben.

Investitionskosten für die Verfahren sind unterschiedlich hoch

Bild 3 stellt die Kosten beider Verfahren gegenüber. Dabei wird offensichtlich, dass beim Zinkdruckgießen zunächst höhere Investitionen für Maschine, Peripherie und Infrastruktur zu tätigen sind. So muss die Kavität der Druckgießform vor jedem Schuss mit Trennmittel eingesprüht werden, damit sich das Werkstück nach der Erstarrung problemlos entformen lässt.

Allein dafür sind Handlinggeräte, eine Sprühmittelaufbereitung und -absaugung erforderlich – sowie der Kauf des Sprühmittels. Dazu kommen die Kosten für Nachfolgeprozesse wie Strahlen, Gleitschleifen oder Beschichten, die bei Zinkteilen oftmals notwendig sind. Beim Kunststoffspritzgießen entfallen in der Regel diese Kosten. Darüber hinaus spielt die Einhaltung von Emissionsschutzvorschriften beim Zinkdruckgießen eine größere Rolle.

Gießen auf Endkontur sowohl beim Zinkdruckgießen als auch beim Spritzgießen

Eine Gemeinsamkeit beider Verfahren ist, dass die Teile fast immer auf Endkontur gegossen werden. Dadurch entfällt meist eine nachfolgende mechanische Bearbeitung. Die erreichbare Maßgenauigkeit liegt jeweils im Bereich weniger Hundertstel Millimeter, bei Zinkdruckguss können zudem die Wanddicken bis auf 0,3 mm minimiert werden.

Dagegen ist auf einer Spritzgießmaschine die Herstellung von Bauteilen aus zwei bis fünf verschiedenen Kunststoffen möglich: im Mehrkomponentenverfahren oder Montagespritzgießen, bei dem die einzelnen Kunststoffschmelzen nacheinander in die Form gespritzt werden, wodurch kein anschließendes Montieren mehr notwendig ist. Produktbeispiel dafür sind die bekannten Playmobilfiguren.

Zink: Komplexe, filigrane Teile aus einem Guss

Aus Zink werden im Druckgießverfahren in der Regel Teile hergestellt, die komplexe, filigrane Konturen haben, hohen Genauigkeitsforderungen unterliegen und bei Temperaturen unter 80 °C einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt werden. Auf kostengünstige Weise entsteht im wahrsten Sinn des Wortes „aus einem Guss“ das entsprechende Bauteil.

Eine Oberflächenbeschichtung ermöglicht, zusätzlich funktionelle und optische Anforderungen zu erfüllen. Prinzipiell eignet sich Zink sehr gut für unterschiedliche Beschichtungsverfahren, sodass viele verschiedene Anforderungen erfüllt werden können.

Kunststoff-Spritzgießteile mechanisch weniger belastbar

Für Kunststoff-Spritzgießteile gilt im Prinzip ähnliches. Jedoch können sie aufgrund der deutlich niedrigeren Festigkeitswerte nicht dieselben mechanischen Anforderungen erfüllen wie Zinkteile. Auch sind die extrem dünnen Wanddicken wie beim Zinkdruckgießen nicht möglich.

Dennoch ist aufgrund der Werkstoff- und Verarbeitungsvorteile das Anwendungsspektrum der technischen Kunststoffe mindestens so breit gefächert wie das von Zinkdruckguss. So entfällt in der Regel die Beschichtung, weil Kunststoffteile nicht korrodieren und der jeweilige Werkstoff sehr unterschiedlich eingefärbt werden kann. Einen Überblick über die bei Föhl realisierten Anwendungen geben Bild 4 und 5 a bis d.

Verbund aus Zink und Kunststoff führt zu mehr Bauteilfunktionen

Aufgrund der Werkstoff- und Verarbeitungseigenschaften können Zink und Kunststoff unterschiedlicher kaum sein. Jedoch gibt es Möglichkeiten, die beiden Werkstoffe in einem Bauteil zu kombinieren, sofern die Herstellung von Hybridteilen sinnvoll ist. Für Hybridteile sprechen der vereinfachte Herstellprozess und die Integration zusätzlicher Bauteilfunktionen, die der ursprüngliche Werkstoff nicht erfüllen kann.

So kommt im Hybridteil der jeweilige Werkstoff dort zur Anwendung, wo dessen spezifische Eigenschaften gefordert sind. Dies wird entweder in einem Montagevorgang (Post Moulding Assembly) erreicht oder – auf elegantere Weise – in einem zusätzlichen Gieß- oder Spritzgießprozess (In Moulding Assembly), wobei zwischen Inserttechnik (eingelegtes Bauteil wird umgossen) und Outserttechnik (eingelegtes Bauteil wird hintergossen) unterschieden wird.

Trotz der unterschiedlichen Schmelztemperaturen kann auch ein Kunststoffteil prinzipiell mit Zink um- oder hintergossen werden. In der Praxis spielt dies bislang aber keine Rolle. Zum jetzigen Zeitpunkt wird immer ein Zinkdruckgussteil mit Kunststoff um- oder hinterspritzt (Bilder 6 und 7).

Bild 8 zeigt ein Waschmaschinenscharnier, bei dem bis auf die Stahlbolzen alle Bauteilkomponenten bei Föhl hergestellt werden. Zudem wird das komplette Teil dort einbaufertig montiert.

Scharnier mit Zinkdruckgussteilen günstiger als mit Stanz-Biegeteilen

Ursprünglich war diese Komponente als Stanz-Biegeteil in Blech ausgeführt. Jetzt sorgen Zinkdruckgussteile für die geforderte mechanische Belastbarkeit und die aus Kunststoff hergestellten Gleitlager gewährleisten die notwendigen Gleiteigenschaften und vorgeschriebenen Momente beim Öffnen und Schließen der Waschmaschinentür. Aufgrund dieser Umstellung ergeben sich Vorteile bezüglich der Bauteileigenschaften, des Fertigungsablaufs und der -kosten.

Bild 9 zeigt ein Bauteil für die Automobilindustrie. Die sogenannte Bodenplatte ist Bestandteil eines Gehäuses für Dachantennnen, zum Beispiel für den GPS-Empfang. Ursprünglich bestand die Bodenplatte aus einem Zinkdruckgussteil mit einer separaten Formdichtung, die in einem Extra-Arbeitsgang aufgebracht wurde.

Jetzt wird das Zinkdruckgussteil in einer automatisierten Spritzgießzelle mit einem thermoplastischen Elastomer umspritzt, das für die Dichtfunktion sorgt. Ein Aufbringen von Primern oder ähnlichen Haftungsmitteln ist dabei nicht notwendig, weil der Thermoplast durch reinen Formschluss mit der Bodenplatte verbunden wird.

Werkstoffwechsel bei gleichen Teilen erhöht die Erfolgschancen am Markt

In Bild 10 ist ein Nassrasierer dargestellt, bei dem der sogenannte Einleger aus einem Zinkdruckgussteil besteht. Dieses Druckgussteil wurde mit Kunststoff umspritzt. Aufgrund des spezifischen Gewichts und metallischen Glanzes von Zink vermittelt der Rasierer einen hochwertigen Qualitätseindruck, der Kunststoff hält die Kosten in Grenzen und sorgt für den entsprechenden Grip bei der Handhabung. Bei diesem Beispiel hat der Werkstoffverbund nicht nur rein funktionale Gründe, sondern entspricht einem Endkundentrend und verleiht dem Produkt angehnehme Haptik.

Der Nassrasierer ist auch ein gutes Beispiel für die Variantenfertigung. So gibt es das Produkt nicht nur als Hybrid, sondern auch in einer teuren Ausführung als komplettes Zinkdruckgussteil oder als kostengünstiges reines Kunststoffteil für den Einmalgebrauch. Das verdeutlicht die Thematik, einer sinnvollen Werkstoffsubstitution.

Die Gründe für eine Substitution von Zink oder Kunststoff liegen in solchen Fällen vor allem in der besseren oder zusätzlichen Erfüllung von Bauteilfunktionen, in der Vermittlung subjektiver Eigenschaften wie Haptik, Optik und Wertigkeit sowie in der Erschließung von Kosten- oder Preisvorteilen. Eine vor allem im Automobilbau häufig gestellte Forderung ist zudem die Gewichtsreduzierung, was zweifellos für Kunststoff spricht. Doch auch das Gegenteil trifft teilweise zu – immer dann, wenn die höhere Dichte von Zink in Form von Massenträgheit zur Schwingungsreduzierung genutzt werden soll.

Anderer Werkstoff erfordert Änderungen in der Konstruktion

In jedem Fall sind bei einem Werkstoffwechsel konstruktive Bauteiländerungen erforderlich. Eine werkstoff- und fertigungsspezifische Konstruktion wirkt sich natürlich auf die Kosten und die Zeitschiene aus – und das nicht nur bei der Konstruktion. In der Regel sind aufgrund eines Werkstoffwechsels auch ein neues Werkzeug, eventuell eine neue Maschine sowie Bauteilprüfungen, Bemusterungen und eine erneute Freigabe erforderlich. Dies erfordert eine entsprechend enge und konstruktive Zusammenarbeit mit dem Kunden, wie sie bei dem in Bild 11 gezeigten Bauteil erfolgreich praktiziert wurde.

Bild 11 zeigt ein Gehäuse für das Innenleben eines Hochdruckreinigers. Das Zinkdruckgussteil erfüllt die geforderte hohe Festigkeit, im Vergleich dazu die Kunststoffausführung für geringere Belastungen gedacht ist und darüber hinaus zwei Aufnahmearme integriert hat, die beim Zinkteil ein zusätzliches Bauteil notwendig machen.

Dübel mit unterschiedlichen Eigenschaften als Zinkdruckguss- oder Kunststoffspritzgießteil

Im Bild 12 ist ein Dübel für Gipskartonplatten dargestellt. Diesen Dübel gibt es mit entsprechend modifizierter Konstruktion sowohl als Zinkdruckguss- wie auch als Kunststoffspritzgießteil. Letzteres bietet zwar nicht die gleiche mechanische Belastbarkeit wie die Zinkausführung, hat dafür aber aufgrund der isolierenden Wirkung des Kunststoffs Vorteile bei Elektroinstallationen.

Ein Beispiel aus der Beschlagindustrie zeigt Bild 13. Die sogenannte Getriebeschale gibt es in ähnlicher Ausführung sowohl in Zink als auch in Polyamid. Auch bei diesem Produkt wird Zink bei entsprechend hoher mechanischer Belastbarkeit verwendet, dagegen kommt Kunststoff bei moderaterer Belastung zum Einsatz.

Für Kunststoff spricht zudem eine einfachere Montage: Bei der Kunststoffausführung können die beiden Getriebeschalen geklipst werden. Darüber hinaus bietet die Kunststoffausführung ein besseres Reibungsverhalten für die in der Schale laufenden Teile.

Ulrich Schwab ist technischer Geschäftsführer der Adolf Föhl GmbH + Co KG in 73635 Rudersberg

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