In diesem Artikel betrachten wir eine der wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen: die Wärmeausdehnung.
● Was ist Wärmeausdehnung?
- Sie bezeichnet die Größenänderung eines Materials infolge von Temperaturänderungen.
- Das Ausmaß dieser Änderung hängt vom jeweiligen Material ab.
● Was ist der Wärmeausdehnungskoeffizient?
- Er beschreibt die relative Längenänderung eines Materials pro 1 °C Temperaturänderung.
Einfach gesagt: Selbst im gleichen thermischen Umfeld dehnen sich verschiedene Materialien unterschiedlich stark aus. Darum spricht man vom Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Vielleicht haben Sie Wärmeausdehnung schon erlebt:
Ein Fahrradreifen, der in der Sommerhitze plötzlich platzt, oder eine verschlossene Brottüte, die in der Mikrowelle „explodiert“ – beides passiert, weil sich Luft durch Wärme ausdehnt.
Ein weiteres Beispiel: Das bekannte „Klack-Klack“ von Zügen auf den Schienen hängt u. a. mit Dehnungsfugen zusammen – kleinen Spalten zwischen Schienenabschnitten. Stahl dehnt sich bei Wärme aus und zieht sich bei Kälte zusammen; diese Fugen nehmen die Längenänderung auf und verhindern Verwerfungen.
● Referenzwerte
Nachfolgend einige Beispielwerte für lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metallen (Einheit: ×10⁻⁶/°C):
- S45C: 11,7
- SS400: 10,2
- SUS304: 17,3
- Aluminium: 23,0
(Hinweis: Eine ausführliche Erläuterung der linearen Ausdehnung sparen wir hier aus. Kontaktieren Sie uns gerne für Details.)
Im Folgenden einige in unseren Produkten häufig eingesetzte Kunststoffe – in der Reihenfolge größerer Wärmeausdehnung. Ein größerer Wert bedeutet eine stärkere dimensionsbedingte Änderung bei Temperaturänderung.
Kunststoffe – Lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten (Einheit: ×10⁻⁵/°C)
- UHMWPE (PE-UHMW): 19 – 10
- PTFE: 13,7 – 12,2
- PP: 10 – 5,8
- PEEK: 5,00
- PPS: 5,00
- Phenolharz: 4,5 – 3,0
- Kohlenstoff (Carbon): 0,35
(*Die Werte können je nach Temperaturbereich leicht variieren. Bitte konsultieren Sie die Angaben der jeweiligen Materialhersteller.)
Fällt Ihnen hier etwas auf?
- Metalle: ×10⁻⁶/°C
- Kunststoffe: ×10⁻⁵/°C
In Dezimalschreibweise:
- Metalle = 0,000001
- Kunststoffe = 0,00001
Das bedeutet: Kunststoffe dehnen sich durch Wärme grob etwa zehnmal stärker aus als Metalle. (Carbon ist eine Ausnahme.)
Wenn Sie z. B. PTFE einsetzen möchten, aber Maßänderungen kritisch sind, bietet sich gefülltes PTFE an. Füllstoffe reduzieren die Ausdehnung und erhöhen die Festigkeit. Bei Kashima Bearings führen wir PTFE-Kugellager – Produkte, die viele Hersteller nicht anbieten.
Kunststoffe dehnen sich stärker aus als Metalle
Wie gesehen, variiert die Wärmeausdehnung stark je nach Material. Selbst für dasselbe Material können Hersteller unterschiedliche Werte angeben – prüfen Sie daher stets Einheiten und Datengrundlagen.
Hatten Sie schon Probleme durch Maßänderungen? Etwa, dass Teile nicht passen oder nicht wie vorgesehen rotieren?
Verwenden Sie in aktuellen oder künftigen Konstruktionen eine Kombination aus Kunststoff und Metall, ist die Wärmeausdehnung ein zentraler Auslegungsfaktor.
Was passiert, wenn sich ein Kunststofflager ausdehnt?
Erwärmt sich ein Kunststofflager, möchte es sich radial nach außen ausdehnen. Befindet es sich jedoch in einem Metallgehäuse, das sich weniger ausdehnt, kann der Kunststoff außen nicht „mit“. Die Ausdehnung verlagert sich nach innen – der Innendurchmesser wird kleiner.
Wird das in der Konstruktion nicht berücksichtigt, kann das Lagerspiel zwischen Welle und Lager verschwinden – die Welle dreht sich ggf. nicht mehr.
Und wie ist es bei Kugellagern?
Im Vergleich zu Metallkugellagern haben Kunststoff-Kugellager größere interne Spiele. Der Grund ist derselbe wie oben beschrieben.
Setzt man ein Kunststoff-Kugellager in ein Metallgehäuse und montiert es auf einer Welle, versucht der Außenring, sich nach außen zu dehnen – wird aber durch das Gehäuse gehalten. Dadurch verkleinert sich der Innendurchmesser.
Gleichzeitig dehnt sich der Innenring nach außen aus; das Spiel zwischen Kugeln und Laufbahnen wird kleiner. Im Extremfall können die Kugeln klemmen, die Rotation kommt zum Stillstand.
Darum müssen Kunststoff-Kugellager mit größeren Spielen ausgelegt werden als Metallkugellager.
Wärmeausdehnung in der Bearbeitung
● Kühlschmierstoffe
Bei der Zerspanung entsteht Reibungswärme, die zu Wärmeausdehnung führt. Unmittelbar nach der Bearbeitung können sich Maße daher von den Abmessungen im abgekühlten Zustand unterscheiden.
Der Einsatz von Kühlschmierstoffen verbessert nicht nur die Zerspanung, sondern auch die Kühlung – thermische Verformungen werden reduziert.
Bei wasseraufnahmefähigen Kunststoffen können Kühlschmierstoffe jedoch zusätzliche Maßänderungen verursachen. In solchen Fällen werden häufig Trockenschnitt oder Luftkühlung (Air Blow) verwendet.
● Praktische Anwendungen der Wärmeausdehnung
Wärmeausdehnung wird auch bei Presssitz-Verbindungen wie Schrumpfsitz und Kühlschrumpf genutzt:
- (1) Schrumpfsitz: Das Gehäuse (A) wird erwärmt; sein Innendurchmesser vergrößert sich. Die Welle bzw. der Ring (B) wird eingesetzt. Beim Abkühlen von A schrumpft das Material und erzeugt einen festen Sitz.
- (2) Kühlschrumpf: Die Welle bzw. der Ring (B) wird abgekühlt; sein Außendurchmesser verringert sich. Das Bauteil wird in das Gehäuse (A) eingesetzt. Beim Erwärmen auf Raumtemperatur dehnt es sich aus und verriegelt den Sitz.
Beide Verfahren beruhen auf Wärmeausdehnung. Damit der Sitz nach der Montage sicher bleibt, müssen die Ausdehnungskoeffizienten von A und B berücksichtigt werden. Andernfalls können Temperatureinflüsse im Betrieb zu Lockerungen führen – insbesondere, wenn A und B aus unterschiedlichen Werkstoffen mit abweichender Ausdehnung bestehen.
Toleranzen & Konstruktionshinweise
Gelegentlich erhalten wir Zeichnungen mit Metalltoleranzen für Kunststoffteile. Unsere Empfehlung lautet dann stets:
„Kunststoffe halten enge Toleranzen nicht so stabil wie Metalle.“
Der Grund: Kunststoffe zeigen größere Maßänderungen durch Umgebungs- und Temperaturschwankungen.
Daher empfehlen wir für Kunststoffteile größere Toleranzfelder als für Metallteile.
Die Wärmeausdehnung ist nur ein Unterschied.
Wie in diesem früheren Beitrag erläutert, unterscheidet sich auch die Wasseraufnahme von Metallen und Kunststoffen stark.
Nur wenn alle relevanten Materialeigenschaften berücksichtigt werden, lässt sich eine optimale Produktleistung erzielen.
