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Kunststoffe Verbundwerkstoffe und Dichtstoffe – Metall und Kunststoff gemeinsam konstruieren

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Kunststoffe Verbundwerkstoffe und Dichtstoffe – Metall und Kunststoff gemeinsam konstruieren

Einleitung

In diesem aiMOOC lernst Du, wie Metall und Kunststoff in einer gemeinsamen Konstruktion so zusammenwirken, dass Ausdehnung, Kontaktflächen und Befestigung von Anfang an berücksichtigt werden. Die Lerneinheiten sind kurz, bildorientiert und auf die Ausbildung ausgerichtet.

Ausbildungsfall	Randbedingungen
Abdeckung einer Ausbildungs-Prüfstation	500 mm lange PA6-Kunststoffplatte auf einer Aluminium-Tragschiene, verschraubt und mit elastischem Dichtelement
Temperatur	20 °C bis 60 °C
Konstruktionsziel	Abdeckung bleibt funktionsfähig, dicht, demontierbar und kann unterschiedliche Wärmeausdehnung aufnehmen

Sicherheitsrahmen: Praktische Werkstattarbeiten dürfen nur nach Unterweisung, Gefährdungsbeurteilung und mit zuständiger Aufsicht durchgeführt werden. Der Kurs erteilt keine Arbeitsfreigabe. Drehmomente, Werkstoffe, Dichtungen, Bearbeitungsschritte und Prüfverfahren sind im realen Betrieb ausschließlich nach freigegebener Zeichnung, Herstellerangaben, Normen und betrieblichen Vorgaben anzuwenden.

Das Bild zeigt Kunststoffgranulat am Beispiel von Polypropylen. Im Ausbildungsfall wird dagegen PA6 betrachtet. Entscheidend ist: Kunststoffe besitzen andere thermische und zeitabhängige Eigenschaften als Metalle.

Glasfasern können Kunststoffe verstärken. Dadurch ändern sich Steifigkeit, Wärmeausdehnung und häufig auch die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du:

Wärmeausdehnung von Metall und Kunststoff vergleichen und eine Längenänderung berechnen.
Kontaktflächen beurteilen und den Zusammenhang von Kraft, Fläche und Flächenpressung erklären.
Befestigungen so beurteilen, dass unterschiedliche Ausdehnung nicht unnötig behindert wird.
Verbundwerkstoffe hinsichtlich richtungsabhängiger Eigenschaften einordnen.
Dichtungen und Dichtstoffe funktional von tragenden Verbindungselementen unterscheiden.
Messwerte aus einer einfachen Messwertansicht auswerten und Konstruktionsentscheidungen begründen.

Lerneinheit 1: Unterschiedliche Wärmeausdehnung

Für kleine Temperaturbereiche kann die lineare Längenänderung näherungsweise mit

$Δ L = α \cdot L_{0} \cdot Δ T$

berechnet werden.

Merke: Entscheidend ist nicht nur, dass sich zwei Bauteile ausdehnen, sondern wie unterschiedlich sie sich ausdehnen.

Lernwerte für den Ausbildungsfall

Die folgenden Werte dienen der Lernrechnung. Für reale Konstruktionen zählt immer der freigegebene Werkstoffdatensatz des tatsächlich verwendeten Materials.

Werkstoff	Linearer Ausdehnungskoeffizient als Lernwert	Hinweis
Stahl	ca. 12 × 10^-6 /K	typischer Orientierungswert
Aluminium	ca. 23 × 10^-6 /K	typischer Orientierungswert
PA6, Beispiel	80 × 10^-6 /K	herstellerabhängig, temperatur- und richtungsabhängig
PA6 GF30, Beispiel	60 × 10^-6 /K	Glasfaserverstärkung kann die Längsausdehnung verringern

Rechenbild zum Ausbildungsfall

Gegeben: $L_{0} = 500 m m$ und $Δ T = 40 K$ .

Bauteil	Rechnung	Längenänderung
Aluminium-Tragschiene	23 × 10^-6 /K × 500 mm × 40 K	0,46 mm
PA6-Abdeckung	80 × 10^-6 /K × 500 mm × 40 K	1,60 mm
Differenz	1,60 mm − 0,46 mm	1,14 mm

Würde die Abdeckung in ihrer Mitte eindeutig positioniert und an beiden Enden gleitfähig geführt, ergäbe sich idealisiert eine relative Bewegung von etwa 0,57 mm je Seite. Das ist ein Konstruktionshinweis, keine Freigabe für ein konkretes Bauteil.

Messwertansicht

Temperatur	ΔL Aluminium	ΔL PA6	Differenz
20 °C	0,00 mm	0,00 mm	0,00 mm
30 °C	0,12 mm	0,40 mm	0,28 mm
40 °C	0,23 mm	0,80 mm	0,57 mm
60 °C	0,46 mm	1,60 mm	1,14 mm

Auswertung: Je größer Temperaturänderung und Bauteillänge sind, desto wichtiger wird die konstruktive Aufnahme der Relativbewegung.

Lerneinheit 2: Kontaktflächen richtig denken

Eine Schraube überträgt nicht einfach „Kraft in einen Punkt“. Unter Schraubenkopf, Mutter, Scheibe, Hülse oder Auflagefläche entsteht eine Kontaktbeanspruchung.

$p = \frac{F}{A}$

Bei gleicher Kraft sinkt die mittlere Flächenpressung, wenn die tragende Kontaktfläche größer wird.

Für Kunststoff wichtig: Dauerhafte Druckbeanspruchung kann zu Kriechen und Relaxation führen. Dadurch kann sich die Klemmkraft einer Verbindung verändern.

Beobachtung	Konstruktive Frage
Kleine Auflagefläche	Entsteht lokal zu hohe Flächenpressung?
Kunststoff liegt direkt unter Schraubenkopf	Ist eine Scheibe, Hülse oder andere Lastverteilung vorgesehen?
Kunststoff muss gleiten können	Verhindert die Klemmung die notwendige Relativbewegung?
Dichtung liegt in der Fuge	Wird sie definiert belastet oder unkontrolliert zusammengedrückt?

Lerneinheit 3: Befestigung – festhalten, ohne einzusperren

Ein Drehmomentschlüssel zeigt: Schraubverbindungen werden kontrolliert montiert. Für Metall-Kunststoff-Verbindungen gibt es aber kein universelles Anziehdrehmoment. Maßgebend sind Zeichnung, Schraube, Reibwerte, Kunststoff, Einlegeteile, Kontaktflächen und Herstellerangaben.

Ein häufiges Konstruktionsprinzip bei stark unterschiedlicher Wärmeausdehnung ist die Kombination aus:

eindeutigem Bezugspunkt für die Lage,
Bewegungsmöglichkeit an weiteren Befestigungspunkten,
ausreichender Lastverteilung an den Kontaktflächen.

Ein Langloch oder eine gleitfähige Befestigung kann Relativbewegung ermöglichen. Ob dieses Prinzip zulässig ist, hängt von Lasten, Dichtfunktion, Schwingung, Toleranzen und Sicherheitsanforderungen ab.

Drei typische Fehlerbilder

Fehler	Mögliche Folge	Bessere Denkfrage
Alle Punkte starr fixiert	Wärmespannung, Verzug oder Riss	Wo darf Relativbewegung stattfinden?
Schraubenkopf drückt kleinflächig auf Kunststoff	lokale Verformung, Kriechen	Wie wird die Kraft verteilt?
„Mehr Drehmoment ist sicherer“	Überlastung oder blockierte Gleitfunktion	Welche freigegebene Klemmung ist erforderlich?

Lerneinheit 4: Verbundwerkstoffe verändern die Regeln

Bei Faser-Kunststoff-Verbunden tragen Fasern und Matrix unterschiedliche Aufgaben. Eigenschaften können stark von Faserrichtung, Faseranteil, Temperatur und Feuchte abhängen.

Wichtig: Ein glasfaserverstärktes PA6 ist nicht einfach „PA6 mit etwas mehr Festigkeit“. Auch Wärmeausdehnung, Bearbeitungsverhalten, Kerbempfindlichkeit und Kontaktbeanspruchung können sich ändern.

Vergleich	Ausbildungsfolgerung
PA6	höhere Wärmeausdehnung als viele Metalle
PA6 GF30	häufig geringere Wärmeausdehnung als unverstärktes PA6
Faserverbund	Kennwerte können richtungsabhängig sein

Lerneinheit 5: Dichtstoffe und Dichtungen an der Kontaktfläche

Ein Dichtstoff ist ein verarbeitbarer Werkstoff, der eine Fuge abdichtet. Eine Dichtung ist ein definiertes Dichtelement, zum Beispiel ein O-Ring oder eine Flachdichtung. In Konstruktionen mit Metall und Kunststoff können beide an Kontaktflächen vorkommen.

Bei der Auswahl sind unter anderem Medium, Temperaturbereich, Oberflächen, Spalt, Werkstoffverträglichkeit, Kompression und Bewegung zu berücksichtigen.

Merke: Eine Dichtung soll abdichten. Sie ist nicht automatisch dazu bestimmt, konstruktive Fehler bei Ausdehnung oder Befestigung auszugleichen.

Ausbildungsfall: Entscheide konstruktiv

Die PA6-Abdeckung soll auf der Aluminium-Tragschiene befestigt werden. Zwischen beiden liegt ein elastisches Dichtelement. Die Baugruppe erwärmt sich von 20 °C auf 60 °C.

Basisaufgabe

Berechne mit den Lernwerten die Längenänderung von Aluminium und PA6 über 500 mm.

Begründetes Feedback: 0,46 mm für Aluminium und 1,60 mm für PA6. Die Differenz von 1,14 mm zeigt, warum eine vollständig starre Verbindung kritisch sein kann.

Anwendungsaufgabe

Skizziere eine Befestigung mit einem eindeutigen Bezugspunkt und mindestens einem Punkt, der Relativbewegung zulässt. Kennzeichne zusätzlich eine Maßnahme zur Lastverteilung an der Kunststoffoberfläche.

Begründetes Feedback: Eine gute Lösung trennt die Funktionen Positionieren, Kräfte übertragen und Bewegung zulassen. Eine größere Kontaktfläche oder eine geeignete Hülse kann die lokale Druckbeanspruchung reduzieren; ein gleitfähiger Punkt kann Wärmedehnung aufnehmen.

Transferaufgabe

Ersetze PA6 gedanklich durch PA6 GF30 mit dem Lernwert 60 × 10^-6 /K. Beurteile, ob dadurch eine gleitfähige Befestigung automatisch überflüssig wird.

Begründetes Feedback: Nein. Die Längenänderung sinkt zwar auf 1,20 mm und die Differenz zu Aluminium auf etwa 0,74 mm. Sie verschwindet aber nicht. Zusätzlich müssen Richtungsabhängigkeit, Temperatur, Feuchte, Bauteilgeometrie und reale Materialdaten berücksichtigt werden.

Gestufte Hilfen

Hilfe 1 – Formel wählen
Für freie lineare Wärmeausdehnung gilt näherungsweise: ΔL = α · L0 · ΔT.

Hilfe 2 – Konstruktion zerlegen
Frage getrennt: Wo wird positioniert? Wo wird Kraft eingeleitet? Wo darf sich etwas bewegen? Wo muss abgedichtet werden?

Hilfe 3 – Entscheidung prüfen
Kontrolliere jede Lösung auf vier Punkte: Ausdehnung, Flächenpressung, Klemmkraft und Dichtfunktion.

Praxisbezug ohne Arbeitsfreigabe

Eine reale Messung an Bauteilen, das Bohren von Langlöchern, das Anziehen von Schrauben, das Erwärmen von Werkstoffen oder das Einbauen von Dichtungen darf im Ausbildungsbetrieb nur im freigegebenen Arbeitsauftrag erfolgen.

Für den Kurs genügt eine sichere Datenauswertung mit vorbereiteten Messwerten, Zeichnungen oder freigegebenen Demonstrationsbauteilen.

Fachquellen und Medienrechte

Die Lernwerte und Konstruktionsprinzipien wurden mit Hersteller- und Fachquellen abgeglichen. Für reale Bauteile gelten immer die freigegebenen Originaldaten.

Quelle	Genutzter Inhalt
Covestro – technische Thermoplaste und Joining Techniques Design Guide	unterschiedliche Wärmeausdehnung, gleitfähige Befestigungen, Langlochprinzip
Ensinger – TECAMID 6 MO	Wärmeausdehnung von PA6-Beispielwerkstoff
Ensinger – TECAMID 6 GF30	Wärmeausdehnung eines glasfaserverstärkten PA6-Beispielwerkstoffs
Parker – O-Ring Handbook	Grundlagen statischer O-Ring-Dichtungen, Werkstoff- und Einbaueinflüsse
Wikipedia – Wärmeausdehnung	physikalische Grundlagen
Wikipedia – Faser-Kunststoff-Verbund	Grundlagen zu Faser, Matrix und Richtungsabhängigkeit

Rechteprüfung der eingebundenen Bilder

Wikimedia-Commons-Datei	Lizenz laut Dateiseite
Polypropylene Pellets - DPLA - f7c2fa29d14525ce21219452f4a1a316.jpg	CC BY 4.0
Glass fabric.jpg	Public Domain
Thermal-expansion.svg	CC BY-SA 4.0
LinearThermalExpansionChart Al vs. Cu.svg	CC BY-SA 4.0 / GFDL
Digital caliper.jpg	CC BY-SA 4.0 / GFDL
Bolted joint.svg	Public Domain
Torque wrench 20-220 Nm.jpg	CC BY-SA 4.0
Drilled hole in carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sample.jpg	CC BY 4.0
Gasket.svg	Public Domain
O-ring static seal usage example.png	CC0 1.0

Die YouTube-Videos werden nur über die Plattform eingebettet; es wird keine Videodatei übernommen. Rechte an den Videos verbleiben bei den jeweiligen Rechteinhabern. Eingebettet sind Bildungsinhalte von Jeff Hanson, The Efficient Engineer und Parker Hannifin. Für jede andere Nachnutzung ist die jeweilige Rechteangabe des Anbieters zu beachten.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Größe beschreibt die lineare Wärmeausdehnung eines Werkstoffs? (Ausdehnungskoeffizient) (!Dichte) (!Härte) (!Oberflächenrauheit)

Welche Gleichung passt zur freien linearen Wärmeausdehnung? (Delta L gleich Alpha mal Ausgangslänge mal Temperaturänderung) (!Delta L gleich Kraft mal Fläche) (!Delta L gleich Druck durch Länge) (!Delta L gleich Drehmoment mal Temperatur)

Warum kann eine starre Metall-Kunststoff-Verbindung bei Temperaturänderung kritisch sein? (Die Werkstoffe können sich unterschiedlich stark ausdehnen) (!Metall kann keine Wärme aufnehmen) (!Kunststoff besitzt keine Kontaktflächen) (!Schrauben ändern ihre Gewinderichtung)

Was verringert bei gleicher Kraft die mittlere Flächenpressung? (Eine größere tragende Kontaktfläche) (!Eine kleinere Unterlegscheibe) (!Ein kürzeres Bauteil) (!Eine höhere Temperatur)

Welche Eigenschaft von Kunststoff kann die Klemmkraft über die Zeit beeinflussen? (Kriechen) (!Magnetisierung) (!Funkenspannung) (!Schallgeschwindigkeit)

Welche Befestigungsidee kann unterschiedliche Wärmeausdehnung aufnehmen? (Ein definierter Bezugspunkt mit gleitfähigem weiteren Befestigungspunkt) (!Alle Schrauben maximal fest anziehen) (!Alle Bohrungen ohne Spiel ausführen) (!Die Dichtung als Führung verwenden)

Was kann eine Glasfaserverstärkung bei PA6 bewirken? (Die Wärmeausdehnung kann geringer und richtungsabhängig werden) (!Die Wärmeausdehnung wird immer null) (!Der Kunststoff wird zu reinem Metall) (!Die Temperaturabhängigkeit verschwindet vollständig)

Welche Aussage zu Anziehdrehmomenten ist richtig? (Das zulässige Drehmoment muss aus freigegebenen Vorgaben stammen) (!Für Kunststoff gilt immer dasselbe Drehmoment) (!Mehr Drehmoment ist grundsätzlich sicherer) (!Das Drehmoment ist für Kontaktflächen bedeutungslos)

Welche Hauptaufgabe hat ein O-Ring in einer geeigneten Dichtstelle? (Er soll den unerwünschten Austritt oder Eintritt eines Mediums verhindern) (!Er ersetzt die gesamte Tragstruktur) (!Er bestimmt die Gewindesteigung) (!Er verhindert jede Wärmeausdehnung)

Was ist bei realen Werkstattarbeiten in diesem Kurs zwingend? (Unterweisung Gefährdungsbeurteilung und zuständige Aufsicht) (!Eine selbst erteilte Arbeitsfreigabe) (!Nur das Lesen des Kurses) (!Ein beliebiges Anziehdrehmoment)

Memory

Wärmeausdehnung	Längenänderung durch Temperaturänderung
Kontaktfläche	Bereich der Kraftübertragung zwischen Bauteilen
Langloch	ermöglicht gerichtete Relativbewegung
Unterlegscheibe	vergrößert die Auflagefläche
Kriechen	zeitabhängige Verformung unter Last
Glasfaser	Verstärkung in einem Faserverbund
O-Ring	elastisches Dichtelement mit rundem Querschnitt
Vorspannung	Zugkraft im angezogenen Schraubenelement

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Ausdehnungskoeffizient	Temperaturbedingte Längenänderung
Unterlegscheibe	Lastverteilung an der Kontaktfläche
Langloch	Aufnahme gerichteter Relativbewegung
Metallhülse	Begrenzung direkter Kunststoffkompression
Dichtelement	Abdichtung einer Fuge

Kreuzworträtsel

Dehnung	Wie heißt die Längenänderung eines Werkstoffs unter thermischer oder mechanischer Einwirkung?
Langloch	Welche Bohrungsform kann eine gerichtete Relativbewegung ermöglichen?
Kriechen	Wie heißt die zeitabhängige Verformung eines Kunststoffs unter Last?
Vorspannung	Wie heißt die im angezogenen Schraubenelement erzeugte Zugkraft?
Dichtstoff	Wie heißt ein verarbeitbarer Werkstoff zum Abdichten einer Fuge?
Glasfaser	Welcher Verstärkungsstoff wird häufig in technischen Kunststoffen eingesetzt?

LearningApps

Lückentext

Die lineare Längenänderung wird mit dem

des Werkstoffs beschrieben.

Bei einer Temperaturänderung können Metall und Kunststoff eine unterschiedliche

zeigen.

Im Ausbildungsfall beträgt die berechnete Differenz bei 40 K ungefähr

.

Eine größere Auflagefläche kann bei gleicher Kraft die mittlere

reduzieren.

Unter dauerhafter Belastung kann Kunststoff zeitabhängig

.

Eine gleitfähige Befestigung kann notwendige

ermöglichen.

Bei faserverstärkten Kunststoffen können Eigenschaften von der

abhängen.

Ein O-Ring ist ein elastisches

.

Das zulässige Anziehdrehmoment muss aus einer freigegebenen

stammen.

Praktische Werkstattarbeiten benötigen vor Beginn eine gültige

.

Offene Aufgaben

Leicht

Die Aufgaben dieses Niveaus sichern die Basis.

Basis – Ausdehnung markieren: Zeichne eine 500-mm-Metallleiste und eine 500-mm-Kunststoffleiste vor und nach Erwärmung. Kennzeichne, welche sich mit den Lernwerten stärker verlängert.
Basis – Daten lesen: Vergleiche in zwei freigegebenen Datenblättern die Angaben zur Wärmeausdehnung und notiere Einheit, Temperaturbereich und Prüfrichtung.
Basis – Kontaktfläche erkennen: Markiere in einer Schraubverbindung alle Flächen, an denen Kräfte in den Kunststoff eingeleitet werden.
Basis – Funktion trennen: Erstelle eine Skizze, in der Befestigung, Führung und Abdichtung jeweils eine eigene Funktion erhalten.

Standard

Die Aufgaben dieses Niveaus verlangen Anwendung.

Anwendung – Messwertreihe auswerten: Übertrage die Messwertansicht in ein Diagramm und erkläre, ab welcher Temperatur die Differenz konstruktiv sichtbar relevant wird.
Anwendung – Befestigung skizzieren: Entwirf für den Ausbildungsfall einen eindeutigen Bezugspunkt und zwei gleitfähige Punkte. Begründe jede Stelle.
Anwendung – Auflage vergleichen: Vergleiche zwei unterschiedlich große Auflageflächen bei gleicher Kraft qualitativ und begründe, welche Kunststoffoberfläche stärker beansprucht wird.
Anwendung – Werkstoffwechsel: Berechne die Differenzausdehnung des Ausbildungsfalls für PA6 GF30 und vergleiche sie mit PA6.

Schwer

Die Aufgaben dieses Niveaus verlangen Transfer.

Transfer – Toleranzkette: Entwickle eine einfache Toleranzkette aus Fertigungstoleranz, Wärmeausdehnung und benötigtem Bewegungsspiel. Begründe, welche Größe dominieren kann.
Transfer – Variantenmatrix: Bewerte drei Befestigungsvarianten nach Ausdehnung, Kontaktfläche, Demontage, Dichtfunktion und Fertigungsaufwand.
Transfer – Schadensbild: Analysiere den Fall „Kunststoffabdeckung wölbt sich nach Warmlauf“. Leite mindestens drei plausible Ursachen und passende Prüfungen ab.
Transfer – sichere Prüfplanung: Plane eine Messung der temperaturabhängigen Längenänderung ausschließlich als freigabefähigen Ausbildungsauftrag. Benenne notwendige Unterweisung, Gefährdungsbeurteilung, Aufsicht und Messmittel, ohne die Arbeit eigenständig auszuführen.

Lernkontrolle

Zusammenhang: Zwei gleich lange Bauteile aus Aluminium und PA6 sind an beiden Enden starr verschraubt. Erkläre, warum eine Temperaturänderung zu inneren Kräften führen kann, obwohl von außen keine Kraft aufgebracht wird.
Transfer: Begründe, warum eine größere Unterlegscheibe an Kunststoff hilfreich sein kann, aber nicht automatisch jedes Problem einer Schraubverbindung löst.
Bewertung: Ein Konstrukteur ersetzt PA6 durch PA6 GF30. Welche Annahmen aus der ursprünglichen Konstruktion müssen neu geprüft werden?
Systemdenken: Erkläre, warum eine Dichtung gleichzeitig von Kontaktfläche, Befestigung und Wärmeausdehnung beeinflusst werden kann.
Diagnose: Nach mehreren Temperaturzyklen sinkt die Klemmkraft. Entwickle eine Prüfreihenfolge, die Werkstoffkriechen, Kontaktfläche und Befestigung berücksichtigt.
Dateninterpretation: Eine Messreihe weicht deutlich von der linearen Lernrechnung ab. Nenne mögliche Gründe und erkläre, warum Du nicht einfach einen neuen Ausdehnungskoeffizienten „erfinden“ darfst.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis ist wichtig, dass Du:

die Formel der linearen Wärmeausdehnung richtig anwendest und Einheiten sicher behandelst,
eine Differenzausdehnung zwischen Metall und Kunststoff berechnest,
Kontaktflächen und mögliche lokale Druckbeanspruchungen erkennst,
eine Befestigung hinsichtlich Positionierung und Relativbewegung beurteilst,
den Einfluss von Kriechen auf Kunststoff-Schraubverbindungen erklärst,
faserverstärkte Kunststoffe als potenziell richtungsabhängige Werkstoffe einordnest,
Dichtfunktion und Tragfunktion auseinanderhältst,
Messwerte nachvollziehbar auswertest,
Konstruktionsentscheidungen fachlich begründest,
den Sicherheitsrahmen einer realen Werkstattarbeit korrekt benennst.

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