Heute stellen die synthetischen Polymerwerkstoffe einen wesentlichen Produktionszweig der chemischen Industrie dar. Diese Werkstoffe, die gewöhnlich auch als Kunststoffe* bezeichnet werden, erlebten in den Jahren 1950 bis 1973 einen Aufstieg, wie er kaum in einem anderen Industriezweig verzeichnet werden konnte. Gründe hierfür waren die Rohstoffverbilligung während dieser Zeit, die Senkung der Produktionskosten durch optimale Anlagengrößen, die Entwicklung neuer leistungsfähiger Technologien zur Herstellung und Verarbeitung dieser Stoffe und nicht zuletzt die Werkstoffeigenschaften, deren Variierbarkeit in weiten Grenzen und die vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten.
Polymerwerkstoffe werden heute fast ausschließlich synthetisch aus organischen Verbindungen (Monomeren) durch verschiedene Verfahren wie Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition hergestellt. Dabei werden die Monomeren zu Makromolekülen verknüpft, den charakteristischen Merkmalen des mikrostrukturellen Aufbaus der Polymerwerkstoffe (HERMANN STAUDINGER, 1881 – 1965).
Thermoplaste sind Polymerwerkstoffe, die aus linearen oder verzweigten Makromolekülen aufgebaut sind. Regelmäßig aufgebaute Makromoleküle sind in der Lage, kristalline Ordnungen einzugehen; eine regellose Anordnung von Polymerketten wird als amorphe Struktur bezeichnet. Von teilkristallinen (partiell-kristallinen) Polymerwerkstoffen spricht man, wenn sowohl kristalline Ordnungen als auch amorphe Phasen vorliegen.
Diese makroskopisch feststellbaren Verformungserscheinungen sind durch die im Werkstoff ablaufenden molekularen Verformungs- und Schädigungsmechanismen charakterisiert. Die rein elastische Verformung ist auf Abstandsänderungen von Atomen und Valenzwinkelverschiebungen zurückzuführen; ihr Anteil ist sehr gering.
Die mechanischen Eigenschaften, vorwiegend der thermoplastischen Polymerwerkstoffe, hängen in sehr viel stärkerem Maße als die der Metalle von der Temperatur, der Zeit und der Höhe und Art der aufgeprägten Beanspruchung ab. Ferner spielen manche Umwelteinflüsse, zum Beispiel UV-Strahlung oder bestimmte chemische Beanspruchung bei der eigenschaftsverändernden Alterung eine große, jedoch in einer Festigkeitsrechnung quantitativ schwer erfassbare Rolle.
Die Rechnerunterstützung (CAD), die den Konstrukteur von Routinearbeiten entlastet, und die Konstruktionsmethodik, die systematisch Prinzipien ordnet und klassifiziert und dadurch das Auffinden optimaler Lösungen wesentlich erleichtert [6.1 bis 6.3], gehören zu den technischen Hilfsmitteln eines Konstrukteurs.
Polymerwerkstoffe werden nach den verschiedensten Verfahren und Technologien vom Rohstoff zum Fertigteil verarbeitet. Eine Übersicht über die wichtigsten Fertigungsverfahren und Fertigungsmittel ist Bild 7.1 zu entnehmen. Hinsichtlich einer detaillierten Verfahrensbeschreibung wird auf die grundlegende Literatur z. B.
Bauelemente mit hoher Verformungsfähigkeit sollten in weiten Bereichen ihrer Struktur auf Biegung oder Torsion beansprucht werden (s. a. Abschnitt 6.1). Zwei typische Beispiele derartiger Konstruktionen aus Polymerwerkstoffen sind Schnapp- oder Rastverbindungselemente und Federelemente. Eine andere Voraussetzung für hohe Verformungsfähigkeit ist eine geringe Wanddicke. Bauelemente mit extrem geringer Wanddicke sind Filmscharniere.
Die klassische Schraubverbindung mit metallischer Durchsteckschraube und Metallmutter hat beim Verbinden von Polymerwerkstoffteilen eine vergleichsweise geringe Bedeutung. Spezifische Vorteile wie hohe und gleich bleibende Vorspannkraft können nicht genutzt werden, die Verbindung erfordert viele Einzelteile und die Montage ist relativ aufwendig.
Rippen sind ein effizientes Gestaltungselement, um die Steifigkeit und Tragfähigkeit biege- oder torsionsbeanspruchter Bauteile zu erhöhen. Wanddicken können gering gehalten, Werkstoff gespart und beim Spritzgießen Fertigungskosten gesenkt werden. Andererseits widersprechen sich gerade bei Rippenkonstruktionen fertigungsgerechte und beanspruchungsgerechte Gesichtspunkte oft diametral.
Zahnräder übertragen schlupffrei Bewegungen und Kräfte bzw. Momente. Im Bereich der Feinwerktechnik ist die Übertragung von Bewegungen häufig die wichtigere Aufgabe von Zahntrieben. Dementsprechend kommen auch Sonderverzahnungen, die besonders spielfrei, reibungsarm oder laufruhig arbeiten müssen, zur Anwendung [11.1 bis 11.4].
Der übergeordnete Begriff „Lager“ umfasst die Lagerung bewegter Maschinenteile. Davon ist das Gleitlager eine spezielle Lagerart, bei der diese Bewegungen gleitend aufgenommen werden. Die Kontaktflächen bewegen sich also relativ zueinander.
Polymerwerkstoffe eignen sich als Laufradwerkstoffe bei niedrigen bis mittleren Radlasten. Aufgrund ihrer werkstoffspezifischen Eigenschaften erweitern sie das Spektrum der klassischen Rollen- und Räderwerkstoffe hinsichtlich der Forderung nach: Laufruhe (Dämpfung).
BEAMS ist ein Programm zur Berechnung von Biegebalken. Es dient zur Ermittlung der Spannungen, Dehnungen und Verformungen beliebig gestalteter Biegeträger im ebenen Belastungsfall. Die Biegeachse darf in einer Ebene beliebig gekrümmt sein, die Querschnittsform kann beliebig veränderlich sein.
