JÄGER Busi­ness Blog

Mate­ri­al­aus­wahl für Siebst­er­ne:
NBR oder TPU, was ist bes­ser geeignet?

20.10.2021   |   Hen­ning Schröer

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Über­all, wo gesiebt und sor­tiert wer­den soll, fin­den sich Siebst­er­ne wie­der. Dabei sind die geför­der­ten Mate­ria­li­en unter­schied­lichs­ter Her­kunft – bei­spiels­wei­se Recy­cling­ma­te­ri­al, orga­ni­sche Mas­se beim Kom­pos­tie­ren oder stei­ni­ges Geröll. Damit mög­lichst lan­ge Stand­zei­ten erzielt wer­den, soll­ten sie aus einem Mate­ri­al bestehen, das für den jewei­li­gen Anwen­dungs­be­reich opti­mal geeig­net ist. Hier kann Jäger auf eine brei­te Basis erfolg­rei­cher Pro­jek­te zurück­bli­cken und Emp­feh­lun­gen aus Erfah­rung aussprechen. 

Wel­che Mate­ria­li­en ste­hen für Siebst­er­ne zur Auswahl?

Für indus­tri­el­le Siebst­er­ne haben sich im Wesent­li­chen zwei Mate­ri­al­grup­pen eta­bliert: Nitril­kau­tschuk (NBR) und Ther­mo­pla­ti­sche Elas­to­me­re, meis­tens auf Ure­than­ba­sis (TPU). Bei­de zeich­nen sich durch unter­schied­li­che Eigen­schaf­ten in der Her­stel­lung und im Pra­xis­ge­brauch aus.

Nitril­kau­tschuk ist ein Syn­the­se­kau­tschuk, der durch einen gerin­gen Ein­kaufs­preis und eine hohe Bestän­dig­keit gegen Was­ser, Öle und Fet­te besticht. Leich­te Abstri­che müs­sen Konstrukteur:innen aller­dings beim Abrieb machen. Gute Mischun­gen zei­gen hier her­vor­ra­gen­de Wer­te auf, wel­che jedoch höher aus­fal­len, als es bei PU-Kunst­stof­fen der Fall ist.

Ther­mo­plas­ti­sches Poly­ure­than gibt es in zwei Vari­an­ten: ether- und ester­ba­siert. Bei­de Werk­stof­fe wei­sen ähn­li­che Cha­rak­te­ris­ti­ka auf, unter­schei­den sich jedoch spe­zi­ell hin­sicht­lich des mecha­ni­schen Abriebs sowie ihrer Hydro­ly­se­be­stän­dig­keit. Ether­ba­sier­tes ther­mo­plas­ti­sches Poly­ure­than (oder auch Ether-TPU) ist bestän­dig gegen Was­ser und Mikro­ben, hat jedoch im Ver­gleich weni­ger gute mecha­ni­sche Eigen­schaf­ten, ins­be­son­de­re einen etwas höhe­ren Abrieb. Bei ester­ba­sier­tem TPU (oder auch Ester-TPU) ist das Ver­hal­ten umgekehrt.

Wel­che Fak­to­ren beein­flus­sen die Materialwahl?

Wel­ches Mate­ri­al sich für die Her­stel­lung von Siebst­er­nen bes­ser eig­net, hängt vom Pro­jekt­bud­get, vom Pro­duk­ti­ons­vo­lu­men, von den tat­säch­li­chen Anfor­de­run­gen und von der Geo­me­trie der Ster­ne ab.

Rein von der kal­ku­la­to­ri­schen Sei­te bezüg­lich der Pro­duk­ti­ons­men­ge lässt sich fest­hal­ten: Vul­ka­ni­sier­werk­zeu­ge für NBR-Kom­po­nen­ten sind güns­ti­ger als sol­che, die für TPU-Form­tei­le im Spritz­guss­ver­fah­ren zum Ein­satz kom­men. Aller­dings sind die Pro­zess­kos­ten im TPU-Spritz­guss ab einer gewis­sen Seri­en­grö­ße kunst­stoff­ty­pisch gerin­ger (abhän­gig von der Geo­me­trie). Für klei­ne Seri­en ist daher NBR bes­ser geeig­net, denn das Werk­zeug amor­ti­siert sich sehr schnell. Bei gro­ßen Seri­en ist dage­gen spritz­ge­gos­se­nes TPU zu bevor­zu­gen. Der Voll­stän­dig­keit hal­ber soll­ten auch PU-gegos­se­ne Ster­ne erwähnt wer­den. Hier sind die Werk­zeug­kos­ten eben­falls gering, die Stück­kos­ten jedoch höher als beim ver­gleich­ba­ren Pro­dukt aus NBR. Der größ­te Nach­teil ist hier jedoch die lan­ge Zyklus­zeit pro Produkt.

Auch die mecha­ni­schen und che­mi­schen Eigen­schaf­ten der Werk­stof­fe spie­len eine gro­ße Rol­le für die Mate­ri­al­aus­wahl, ins­be­son­de­re die Hydro­ly­se­be­stän­dig­keit. Ist das Auf­ga­be­gut poten­zi­ell feucht (z. B. orga­ni­sches Mate­ri­al, wie Schnitt­ab­fäl­le oder Kom­post), sind Siebst­er­ne aus NBR oder Ether-TPU sinn­voll. Die­se nei­gen bei Was­ser­kon­takt kaum zu mole­ku­la­ren Schä­den und sind weni­ger anfäl­lig für Mikro­ben. Für öli­ges Auf­ga­be­gut (z. B. Saat­gut) sind Siebst­er­ne aus NBR gut geeig­net, aber auch bestimm­te TPU-Mischun­gen kön­nen ölre­sis­tent sein.

Die kon­kre­ten che­mi­schen und mecha­ni­schen Anfor­de­run­gen an das Siebst­ern­ma­te­ri­al sind aller­dings oft schwer zu defi­nie­ren. In der Forst­wirt­schaft hängt es zum Bei­spiel vom Wet­ter ab, inwie­fern das Auf­ga­be­gut feucht oder tro­cken ist, und auch Öle kön­nen aus­tre­ten, wenn zufäl­lig Samen ent­hal­ten sind.

Dar­über hin­aus beein­flus­sen die gewünsch­ten Stand­zei­ten die Mate­ri­al­aus­wahl. Ein hoher Abrieb bedeu­tet, dass sich die Siebst­er­ne schnel­ler abtra­gen und somit ihre Leis­tungs­fä­hig­keit ver­lie­ren. Sie müs­sen in kür­ze­ren Abstän­den aus­ge­tauscht wer­den, was die War­tungs­kos­ten erhöht. Der Abrieb, und damit die Stand­zei­ten, hän­gen jedoch vom Auf­ga­be­gut ab. Ein Sieb­deck, das abra­si­ve Mate­ria­li­en ver­ar­bei­tet (z. B. Geröll), ver­schleißt schnel­ler als eines, das wei­ches Holz trans­por­tiert. In man­chen Fäl­len kann es auch Sinn erge­ben, Siebst­er­ne mit Metall zu ver­stär­ken, um sie wider­stands­fä­hi­ger zu machen (soge­nann­te „gepan­zer­te Siebsterne“).

Wei­ter­hin ist die Geo­me­trie der Ster­ne für die Mate­ri­al­aus­wahl rele­vant, ins­be­son­de­re Wand­stär­ke und Gewicht. Die Wand­stär­ke spielt eine Rol­le, da sie die Zyklus­zei­ten wäh­rend der Her­stel­lung beein­flusst. Mas­si­ve NBR-Siebst­er­ne müs­sen län­ger geheizt wer­den, bis die Vul­ka­ni­sa­ti­on des Mate­ri­als abge­schlos­sen ist, als dünn­wan­di­ge Ver­tre­ter. Umge­kehrt muss ein TPU-Siebstern im Spritz­guss­ver­fah­ren gekühlt wer­den, damit das End­pro­dukt sei­ne Form bei­be­hält. Auch hier muss im Ein­zel­fall ent­schie­den werden.

Funk­ti­ons­wei­se eines Siebdecks

Leit­fa­den: Wie wäh­le ich das rich­ti­ge Mate­ri­al aus?

Die Wahl des rich­ti­gen Mate­ri­als für ein Sieb­deck hängt im Wesent­li­chen von vier zen­tra­len Fra­gen ab:

1. Wie hoch ist das Bud­get für das Projekt?

2. Wie groß soll das Sieb­deck sein?
Die­se bei­den Fra­gen hän­gen zusam­men, da sie bei­de die mone­tä­re Sei­te des Fer­ti­gungs­pro­jekts betref­fen und oft in Kor­re­la­ti­on ste­hen. Wenn es sich um ein ein­zel­nes Sieb­deck mit nur weni­gen Siebst­er­nen han­delt, ist NBR das bes­se­re Mate­ri­al, da das Werk­zeug im Ver­gleich güns­tig ist und die erhöh­ten Pro­zess­kos­ten bei gerin­gen Pro­duk­ti­ons­men­gen ein Stück weit rela­ti­viert wer­den. Bei gro­ßen bzw. meh­re­ren Sieb­decks ist dage­gen TPU zu bevor­zu­gen, da sich das Werk­zeug mit der Zeit amor­ti­siert und die gerin­gen Pro­zess­kos­ten stär­ker in den Fokus rücken.

3. Wel­ches Mate­ri­al wird geför­dert?
Das Auf­ga­be­gut beein­flusst, mit wel­chen Medi­en die Siebst­er­ne in Berüh­rung kom­men, was wie­der­um Fol­gen für die Mate­ri­al­aus­wahl hat. Bei feuch­ten Stof­fen sind NBR oder Ether-TPU wegen ihrer Hydro­ly­se­be­stän­dig­keit zu bevor­zu­gen. Bei tro­cke­nem Mate­ri­al ist dage­gen Ester-TPU die bes­se­re Wahl, da hier die bes­se­ren mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten in den Vor­der­grund rücken. Ist das Auf­ga­be­gut dage­gen ölhal­tig, soll­ten die Siebst­er­ne ent­we­der aus NBR bestehen oder aus bestimm­ten TPU-Mischun­gen, die spe­zi­ell für öli­ge Stof­fe kon­zi­piert sind.

4. Wie sieht die Geo­me­trie aus?
Je stär­ker die Wand­di­cke, des­to län­ger ist der Zyklus pro pro­du­zier­ter Ein­heit gene­rell. Hier muss im Ein­zel­fall je nach Mate­ri­al und Pro­duk­ti­ons­vo­lu­men ent­schie­den wer­den, wel­che Pro­duk­ti­ons­art sich eignet.

Die­se Fra­gen geben eine Rich­tung für die wesent­li­chen Ein­flüs­se. Aller­dings ist die Mate­ri­al­wahl nicht immer ein­deu­tig. Es kommt vor, dass der Fra­gen­ka­ta­log auf unter­schied­li­che Werk­stof­fe hin­weist; zum Bei­spiel, wenn ein gro­ßes Sieb­deck mit mas­si­ven Siebst­er­nen und lan­gen Stand­zei­ten gewünscht wird, das feuch­te Schnitt­ab­fäl­le ver­ar­bei­ten soll, die manch­mal auch öli­ge Samen ent­hal­ten – und das alles bei gerin­gem Pro­jekt­bud­get. In so einem Fall emp­fiehlt es sich, die Bera­tungs­leis­tung eines oder einer Gum­mi- und Kunststoffproduzent:in in Anspruch zu neh­men, um das pas­sen­de Mate­ri­al im Ein­zel­fall abzu­wä­gen und auszuwählen.

Zusam­men­ge­fasst

Ober­fläch­lich betrach­tet ist die Mate­ri­al­aus­wahl bei Siebst­er­nen recht sim­pel, denn oft kom­men nur drei Mate­ria­li­en in Fra­ge: Nitril­kau­tschuk (NBR) sowie ether- und ester­ba­sier­tes ther­mo­plas­ti­sches Poly­ure­than (TPU). Alle drei unter­schei­den sich hin­sicht­lich ihrer Kos­ten­struk­tur sowie ihrer che­mi­schen und phy­si­ka­li­schen Eigen­schaf­ten. Wel­ches Mate­ri­al sich am bes­ten eig­net, hängt immer vom Kon­text ab. Daher emp­fiehlt es sich, vor der Aus­wahl des Werk­stoffs den Ein­satz­be­reich des Sieb­decks genau zu analysieren.

White­pa­per:
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Autor: Hen­ning Schröer

Hen­ning Schrö­er hat M. Sc. Wirt­schafts­in­ge­nieur­we­sen an der Leib­niz Uni­ver­si­tät Han­no­ver mit dem Schwer­punkt Pro­duk­ti­ons­tech­nik stu­diert. Er ist seit 2019 bei Jäger als Ver­triebs­in­ge­nieur für den Stand­ort Han­no­ver tätig. 

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