Theorie und Praxis von Härte- und Druckverformungsrestprüfungen 

Ex-US Präsident Barack Obama verkündete in seiner zweiten Amtszeit, dass die westliche Welt eine industrielle Revolution erwartet. Eine Rücksiedlung von Industrie im großen Rahmen würde wohl stattfinden in den nächsten Jahrzehnten. Grund dafür wäre die Tatsache, dass sich immer mehr Werkstoffe aus Metallen durch Kunststoffe ersetzen lassen. Diese wiederum werden in der Zukunft vor allem aus riesigen 3D Druckern kommen, die kaum noch humane Arbeitskraft erfordern. Wie wird sich das auf unsere Wirtschaft auswirken? Und wie lassen sich diese Werkstoffe sicher nutzen?

3D Drucker – Schluss mit Made in China?

Welche Bedeutung Kunststoffe oder Elastomere in der Zukunft haben werden lässt sich gar nicht optimistisch genug ausdrücken. Solche Materialien bringen zahlreiche Vorteile mit sich.

Zum einen wäre da der Fakt, dass sich in vielen Bereichen schwer zu verarbeitende und seltene Metalle durch sie einsparen lassen. Waren in den ersten Smartphones zum Beispiel noch zahlreiche Metalle in der Hülle, ist heute Kunststoff der Standard. Das macht die Produktionsprozesse deutlich einfacher. Zudem gibt es mittlerweile einen Krieg um die Rohstoffe auf dieser Erde. Und in diesem Kampf liegt leider China derzeit vorne.

Zum anderen ist da aber vor allem die Tatsache, dass die Herstellungsverfahren sich weiterentwickeln. Mit der Verbesserung von 3D Druckern wird sich die Verlagerung von Arbeitsplätzen in Richtung Asien immer weiter erübrigen. Warum? Weil es vor allem die Lohnkosten sind, die dort bisher billiger waren. Doch wenn die Produktion weniger Mitarbeiter benötigt, dann spielen deren Gehälter für eine Fabrik eine geringere Rolle. 3D Drucker sind bisher etwas für kleine Produktserien. Noch ist es meist Spritzguss, der für Kunststoffe verwendet wird. Doch wenn die Drucker günstiger werden, dann können umso mehr Drucker in einer Halle stehen, die dann sehr günstig viele kleine Lose fabrizieren. Somit ist anzunehmen, dass sich auch in den bisherigen Industrieländern Fabriken wieder lokal ansiedeln werden.

Moderne Kunststoffe – Wahre Wunderwerke

Forscher aus der Werkstofftechnik sind permanent dabei bessere Materialien zu entwickeln. Vor allem im Bereich der Kunststoffe ist viel passiert. Heutzutage trifft man sie in zahlreichen Produkten und es werden immer mehr. Grund dafür ist, dass man ihre Eigenschaften im Laufe der Zeit immer wieder verbessern konnte, je nach dem was benötigt wird: Elastizität, Stabilität, Hitzebeständigkeit, Kälteresistenz usw. Sie ersetzen immer mehr klassische Werkstoffe.

Umweltschützer monieren bei ihnen lediglich, dass sie sich in der Natur nicht abbauen lassen. Und ja, das ist richtig. Nicht umsonst gibt es die riesigen Plastikmüll Teppiche in den Ozeanen. Doch das Gute ist, man arbeitet auch am Recycling solcher Materialien und dort gibt es ebenfalls Fortschritte zu vermelden.

Kunststoff – wie steht es mit der Stabilität und Verlässlichkeit?

Jeder Mensch hat eine gewisse Prägung, bedingt durch sein Umfeld. Bei uns in Deutschland gibt es dadurch noch häufig die Ansicht, dass Qualität und Stabilität Hand in Hand gehen mit dem Material, aus dem etwas hergestellt wurde. Ein Smartphone mit Metallgehäuse ist besser als eines aus „billigem“ Plastik. Und tatsächlich, es mag sein, dass Metall immer etwas stabiler sein wird. Aber dennoch gibt es Kunststoffe, die einen hohen Härtegrad aufweisen. Dabei sind sie deutlich leichter als Metall. Einen Vorschlaghammer aus Plastik sollte man daher sicherlich nicht herstellen. Aber für ein Handy reicht es problemlos aus. Außer man möchte das Gerät zugleich als Tennisschläger nutzen. Und damit man sich als Kunde darauf verlassen kann, gibt es spezielle Messverfahren, mit denen sich das garantieren lässt.

Messverfahren für die Stabilität von Kunststoffen

Wenn sich in der Industrie abzeichnet, dass immer mehr Kunststoffe oder Elastomere eingesetzt werden, dann gibt es natürlich auch immer Leute, die das passende Prüfverfahren dazu entwickeln. Damit soll sichergestellt werden, dass die Werkstoffe an kritischer Stelle verlässlich einsetzbar sind.

In diesem Bereich wird das IRHD Verfahren eingesetzt. Dabei handelt es sich um eine Materialprüfung, die streng durch DIN und andere Institute genormt wurde. Wer es nach den gültigen Vorgaben nutzt, der stellt sicher, dass ein Material aus dieser Kategorie auf seine Stabilität oder den Grad der Verformbarkeit zuverlässig geprüft ist.

Allgemein läuft die Prüfung so ab, dass ein Material auf eine Auflagefläche gelegt wird. Anschließend wird eine Halterung mit einem bestimmten Gewicht von oben herabgelassen. An der Spitze dieser Halterung befindet sich eine streng genormte Metallkugel. Mit Hilfe von Mikroskopen, Kameras bzw. sonstigen optischen Hilfsmitteln wird nun gemessen, wie weit die Kugel in den Werkstoff eindringt. Es können dazu unterschiedliche Kugeln genutzt werden, um die Reaktionen bei jeweils anderen Gewichten zu testen.

Bei der Durchführung unterscheidet man folgende Optionen:

• N – Normalprüfung
• H – Prüfung bei hoher Härte
• M – Mikrohärte

Dabei ist der wichtigste Unterschied immer der Durchmesser der Kugel und deren Gewicht. Werden mehrere verschiedene von ihnen eingesetzt, dann entsteht eine Art Diagramm. Ein Diagramm aus dem sich für unterschiedlichsten Belastungen die Auswirkungen ablesen lassen.

Wichtig ist das deshalb, weil in der Technik viele Dinge nicht so schön linear entwickeln. Doppeltes Gewicht heißt nicht doppelte Tiefe beim Eindringen der Kugel. Es entstehen bei solchen Untersuchungen immer wieder Grafen, bei denen eine immens komplexe Formel erforderlich ist, um sie abzubilden. Eine Mischung aus unzähligen Integralen und sonstigen hoch komplexen Kalkulationen. Früher erstellte man dafür Zahlentabellen in Tafelwerken, wo diese Werte enthalten waren. Heute wir die Ermittlung zum Glück vom Computer durchgeführt und man bekommt für jedes einzelne Material eine eigene, individuelle Berechnung angezeigt.

IRHD wurde speziell für die Anwendung bei Kunststoffen und Elastomeren entwickelt. Mit Hilfe dieser Prüfmethode ist es möglich eine komplexe Analyse für die Festigkeit bzw. die Verformbarkeit solcher Werkstoffe zu erhalten. Der Test gilt als absolut sicher und verlässlich. Das heißt, Sie können damit vorhersagen, wie viel Druck eine Handyhülle, eine Plastik-Schraube oder ein sonstiges Bauteil haben wird.

Bedeutung von IRHD in der Praxis

Man sollte sich bewusst machen, dass heute an immer mehr kritischen Stellen Kunststoff eingesetzt wird, wenn es die erforderliche Stabilität an dieser Stelle möglich macht. Selbst in Flugzeugen zum Beispiel wurden in den letzten Jahren wichtige Komponenten aus Plastik eingebaut. Sie machen die Flugzeuge nicht nur leichter, sondern es ist auch viel günstiger.

Vor allem aber sollte man dazu wissen, dass die Verwendung von 3D Druckern völlig neue Komponenten ermöglicht. Durch ihr ganz besonderes Herstellungsverfahren sind Konstruktionen möglich, die aus Metall gar nicht gehen würden. Beim Drucken wird Plastik Schicht für Schicht gegossen oder gespritzt. Einen Hohlraum mit einer Form in Innern zu bilden ist kein Problem. Bei Metall dagegen geht das nicht. Dort müsste man eine Außenwand gießen und die Form im Innern irgendwie montieren. Das kostet zusätzlichen Aufwand.

Auf alle Fälle haben neue Methoden und neue Werkstoffe das Potenzial komplette Industrien umzuwälzen. Wegen ihrer Verlässlichkeit brauchen sich Konsumenten keine Sorgen zu machen. Ihre Festigkeit wird mit standardisierten Prüfverfahren stets sichergestellt. Es ist also kein russisches Roulette, wenn sie heute in zahlreichen Produkten zum Einsatz kommen. Unserem Wirtschaftsstandort und auch der Umwelt wird es jedenfalls guttun, wenn Firmen ihre Produktion wieder zurück verlegen aus dem fernen Asien. Spart man sich doch immense Transportwege.