Nano-Schichten verleihen Kunststoffteilen metallähnliche Eigenschaften

Damit lassen sich Bauteile herstellen, die einerseits die Festigkeit und Steifigkeit von Metallen haben, andererseits eine hohe Gestaltungsfreiheit und ein niedriges Gewicht, wie bei Hochleistungskunststoffen, ermöglichen. Dabei stellt sie die traditionellen Kunststoff-Metall-Hybridverfahren „auf den Kopf“.

Die Nanometall-Kunststoff-Hybridtechnik Meta Fuse ist eine Gemeinschaftsentwicklung von Du Pont, Morph Technologies und Integran Technologies (beide Kanada) sowie von Powermetal Technologies (USA). Bei diesem Verfahren wird eine ultrahochfeste Metallschicht mit geringer Dicke auf Bauteile aus technischen Kunststoffen aufgebracht.

Diese Teile können komplex geformt sein. Das Ergebnis sind leichte Komponenten, die im Vergleich mit Magnesium- oder Aluminiumteilen eine ähnliche Steifigkeit und sogar eine höhere Festigkeit erreichen. Die nanokristalline Mikrostruktur des Metalls bewirkt eine Festigkeit, die sich mit konventionellen Beschichtungsverfahren nicht erreichen lässt.

Die mittlere Korngröße der Metalle ist mit etwa 20 nm rund tausendmal kleiner als die von herkömmlichen Metallen. Die Festigkeit liegt um das Zwei- bis Dreifache über denen von typischen Stählen und Nickel-Chrom-Beschichtungen.

Nanometallschicht erhöht die Steifigkeit

Aufgrund der extrem hohen Festigkeit der nanokristallinen Metalle reichen relativ dünne Schichten von 25 bis 200 µm Dicke aus, um hochfeste Kunststoff-Metall-Hybridteile herzustellen. Mittels konventioneller chemischer oder elektrochemischer Beschichtung oder der Gasphasenabscheidung (CVD) ist dies nicht möglich.

Bei der Entwicklung der Nanometall-Kunststoff-Hybridtechnik Meta Fuse kamen spezielle technische Kunststoffe und Verfahren von Du Pont zur Anwendung. Das Außergewöhnliche dabei ist: Das Metall wird an der Stelle aufgebracht, an der es die Steifigkeit maximal steigert.

Bei einer Biege- oder Torsionsbelastung ist das die Bauteilaußenhaut. Sie ist am weitesten von der „neutralen Faser“ entfernt. Dort sind die Zug- und Druckspannungen maximal, die sich proportional mit dem Abstand von der neutralen Faser erhöhen.

Genau an dieser Stelle kommen die herausragenden mechanischen Eigenschaften der Nanometalle optimal zur Wirkung. Die Biegesteifigkeit des Bauteils steigt, denn sie ist das Produkt aus E-Modul und Flächenträgheitsmoment. Letzterer Faktor wächst dabei exponentiell mit dem Abstand der Beschichtung von der neutralen Faser.

Torsionssteifigkeit steigt mit der Biegesteifigkeit

Analog gilt dies auch für die Torsionssteifigkeit und -festigkeit. In beiden Fällen hat also eine auf der Bauteiloberfläche befindliche Nanometallschicht den maximalen Einfluss auf die Bauteilbelastbarkeit.

Zum Bestimmen der Bauteileigenschaften wurden Versuche mit unterschiedlichen technischen Kunststoffen als Substratwerkstoff vorgenommen. Bild 3 zeigt den typischen Anstieg der mechanischen Kennwerte anhand von Prüfungen mit spritzgegossenen ISO-Zugstäben aus dem Polyamid Zytel (PA66) von Du Pont. Der Kunststoff ist mit 25 Gew.-% Glasfasern verstärkt und hat eine 100 µm dicke Oberflächenschicht aus einer nanokristallinen Nickel-Eisen-Legierung.

Im Vergleich zum unbeschichteten Kunststoff steigen der Biegemodul und die Schlagfestigkeit um das Zwei- bis Vierfache. Die tatsächlichen Werte hängen stark von der Probengeometrie, Metallschichtdicke und dem Substratwerkstoff ab. So ist die Zugfestigkeit eine direkte Funktion der verwendeten Metallmenge.

Darüber hinaus haben die Tests gezeigt, dass die Nanometall-Kunststoff-Hybridteile ihre sehr guten mechanischen Eigenschaften auch bei Temperaturen behalten, bei denen unbeschichtete Kunststoffe deutliche Einbußen verzeichnen. Die von Du Pont gemessenen Daten lassen erwarten, dass die Meta-Fuse-Technik eine Anwendung von Kunststoffen bei Bauteilen ermöglicht, die mechanisch und thermisch hoch beansprucht werden.

So lässt sich aufgrund der Beschichtung mit nanokristallinen Metallen die Dauergebrauchstemperatur von Kunststoffteilen um 50 bis 75 °C erhöhen. Allerdings werden diese Ergebnisse – wie bereits erwähnt – vom verwendeten Substratwerkstoff abhängen.

Selektive Beschichtung ist meist ausreichend

Viele praktische Anwendungen erfordern keine Nanometall-Rundumbeschichtung. Oft reicht eine gezielte selektive Beschichtung aus, um die gewünschte Festigkeit oder andere Eigenschaften zu erreichen. Das vereinfacht die Beschichtung von Bauteilen mit komplexen Konturen, die in konventionellen Verfahren nur schwierig und teuer zu metallisieren sind.

Bisher hat man sich bei diesen Teilen meist auf das Erreichen der erforderlichen Festigkeit und Steifigkeit konzentriert.

Die Nanometall-Kunststoff-Hybridtechnik Meta Fuse ermöglicht, weitere Eigenschaften zu optimieren, zum Beispiel die Verschleißfestigkeit, die Kriechbeständigkeit, die elektrische Leitfähigkeit, das chemische Verhalten, die elektromagnetische Abschirmung, die verminderte Permeabilität für Gase und Flüssigkeiten sowie die UV- und Hydrolysebeständigkeit.

Daraus resultieren vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel im Automobilbau und der Unterhaltungselektronik. So kann die Nanometall-Kunststoff-Hybridtechnik eine Vielzahl an Fahrzeugteilen funktionell und dekorativ aufwerten, wie Motorölwannen, Zylinderkopfhauben, Wasser- und Hydraulikpumpen, Dichtungssysteme, Zahnriemenspanner, Getriebegehäuse und -komponenten, Kraftstoffeinspritzleisten, Elektromotorengehäuse, Lenksäulenfixierungen und Fahrwerksteile, aber auch Rahmen und Gehäuse für Mobiltelefone sowie Fahrradteile. Dabei zielt Du Pont weniger auf große, einfach aufgebaute, lasttragende Strukturen, weil die Substitution gestanzter Blechteile nicht kosteneffizient wäre.

Stattdessen sucht man nach sinnvollen Anwendungen bei multifunktionalen Bauteilen, deren mechanische und thermische Belastungen die Möglichkeiten thermoplastsicher Kunststoffe überschreiten oder die in der Gestaltung eingeschränkt sind. Ein weiteres Anwendungspotenzial bietet die Substitution von Metallteilen, die aus mehreren Einzelteilen zusammengeschweißt werden. Auch bei Gussteilen mit hohem Nachbearbeitungsaufwand kann die Nanometall-Kunststoff-Hybridtechnik Metafuse eine Alternative sein.

Mike Day ist Technical Manager beim US-amerikanischen Kunststofferzeuger Du Pont Engineering Polymers in Wilmington/Delaware. Hubert Müller ist Leiter Marktentwicklung Industrial & Consumer Zentraleuropa bei der Du Pont de Nemours (Deutschland) GmbH in 61352 Bad Homburg.