Kunststof lagers voor hoge belastingen? Wat betekent een hoge belasting eigenlijk?

Kate Meerschaut | 11 August 2020

Er is een gezegde onder conservatieve Duitse ingenieurs dat als volgt luidt: “Wer Kunststoff kennt, nimmt Stahl”. “Diegenen die bekend zijn met kunststoffen nemen in plaats daarvan staal”. De eerlijkheid gebied te zeggen dat ik dit al een hele tijd niet meer heb gehoord. Maar het zit nog wel in de hoofden van vele ingenieurs. Zelfs al spreken ze geen woord Duits. Anno 2018 is er nog steeds sprake van scepticisme omtrent de capaciteiten van kunststoffen. Dus laten we hier nader naar kijken. Het gezegde richt zich duidelijk op de sterkte van de materialen. En op papier zijn kunststoffen geen partij voor staal of vele andere materialen wanneer het gaat om hoge belastingen (met een paar speciale uitzonderingen). En zo is het idee ontstaan om metaal te prefereren boven kunststoffen wanneer het gaat om lagermaterialen.

De vraag is, is dit aspect echt wel zo belangrijk voor lagers? Het antwoord – zoals u waarschijnlijk al aanvoelt is “nee”, maar waarom?

Niet alles wat wordt aangeduid als “hoge belasting” is dat ook daadwerkelijk

Om het geheim maar direct te verklappen: je zou denken dat “hoge belastingen” heel gemakkelijk zijn te meten en goed te vergelijken zijn, maar het feit is dat “hoge belastingen” vaak een zeer persoonlijk beoordeling zijn. Het is vaak verbazingwekkend hoeveel de definities van “hoge belastingen” in de realiteit verschillen. Er is een ontwikkelaar van mountainbike frames die de oppervlaktebelasting van 60 MPa in de lagers van de achtervering een “hoge belasting” noemt. Tegelijkertijd is er de fabrikant van hydraulische heftafels, die de belasting in de ooglagers van de hydraulische gewrichten “hoge belasting” noemt terwijl ze in werkelijkheid “slechts” 30 MPa zijn. Merkwaardig. Maar mensen hebben de neiging dingen te vergelijken met wat ze kennen en ervaren in hun dagelijkse leven. Dus een ingenieur van mountain bikes noemt een belasting van 60 MPa veel, terwijl een ingenieur die mechanismen voor miniatuurpompen ontwerpt met voornamelijk zachte materialen 10 MPa als zeer hoog zal beoordelen.

Dus wat zijn “hoge belastingen” nu eigenlijk?

De belasting op de lagers in het bijzonder en op mechanische componenten in het algemeen wordt bepaald door de uitgeoefende druk (of oppervlaktebelastingen voor lagers). Zonder hier al te technisch te worden: dit betekent de kracht die wordt uitgeoefend op een bepaald gebied. Veel kracht op een klein gebied betekent hoge druk. Veel kracht op een groot gebied betekent lage druk. Of om u een beeld te geven: de schrijver van deze tekst zakt diep in de sneeuw wanneer hij gewone schoenen aan heeft. Maar wanneer de schoenen er uit zien als met een soort tennisrackets er onder – sneeuwschoenen genoemd –  dan zal hij er gemakkelijk op kunnen lopen. Het is deze oppervlaktebelasting of druk welke de “hoge belasting” definieert wanneer u deze vergelijkt met de capaciteiten van materialen. De belasting welke een materiaal aan kan word doorgaans beschreven in het datablad van het materiaal.

Maar wat is dan precies “oppervlaktebelasting”?

Oppervlaktebelastingen – en ook druk in het algemeen – wordt gemeten in “Pa” (Pascal). In het metrische deel van de wereld tenminste. Omdat bij engineering en materiaalwetenschap de krachten meestal vrij groot zijn, gebruik je “MPa” (Megapascal, 1000 Pascal). 1 MPa is gelijk aan 1 Newton (N) per mm² oppervlak. Voor de eerder genoemde man met de hydraulische cilinders en zijn 30 MPa betekent dit het gewicht van 3 kilogram uitgeoefend op 1 mm². Dat staat gelijk aan een kleine auto van 1200 kg welke wordt gedragen door een standaard vingertop van 20 x 20 mm … Om maar even een idee te geven hoeveel 30 MPa is.

Wanneer u deze kennis neemt en toepast op de materiaal databladen van de meeste kunststoffen en metalen die worden gebruikt voor het maken van lagers, dan zult u zien dat de meeste van hen prima voldoen voor de belastingsscenario’s die ik zojuist heb beschreven. Sommige kunststoffen gaan zelfs tot 100 of 150 MPa. Wow. Ja toch?

Slijtageresulaten na test bij 30 MPa belasting. (van links naar rechts:) Kunststoffen: iglidur® Q, iglidur® G, iglidur® Z. Metaal: messing, staal met PTFE coating. De laatste twee en iglidur® G vertonen variërende maten van lengtetoename

Maar niet alleen de oppervlaktebelasting is belangrijk.

Wanneer dat wel het geval zou zijn dan zou het artikel hier eindigen. Het Duitse gezegde is juist, kunststoffen zijn niet sterker dan metaal en daarom is metaal het beste lagermateriaal. Maar zoals meestal zit de duivel in de details. Over het algemeen zijn mechanische componenten ontworpen op basis van van tevoren bepaalde en berekende data voor belastingen en sterktes. Maar dit is niet zo gemakkelijk voor bewegende delen. Componenten kunnen verkeerd zijn uitgelijnd, belastingen worden niet permanent uitgeoefend en met dezelfde waarde. In plaats daarvan kunnen ze snel toenemen of afnemen. Ze duren soms slechts enkele seconden of dagen achter elkaar.  Niet alleen maakt dit het berekenen van applicatieparameters een pittige uitdaging, het wijzigt ook de vereisten waar de materialen aan moeten voldoen. De vereisten verschuiven van het vergelijken van de waarden van de bestendigheid tegen belasting naar andere vereisten. Een zeer hard materiaal bijvoorbeeld kan te broos zijn voor wisselende belastingen of zelfs schokken en trillingen. In deze gevallen kan een zachter materiaal, dat meegeeft voordat het terugkeert naar haar oorspronkelijke vorm, beter geschikt zijn.

Het wijzere hoofd geeft toe

Vooral in scenario’s met schokbelastingen, trillingen en wisselende belastingen, kan het zijn dat kunststoffen beter geschikt zijn voor hogere belastingtoepassingen, ondanks het feit dat op papier metaal betere eigenschappen heeft. Er is een aantal toepassingen in de praktijk zoals deurscharnieren met toenemende kantelbelastingen die metalen lagers kapot konden scheuren en vuil in combinatie met trillingen in grondverzetmachines in de landbouw eten stalen lagers met PTFE voor ontbijt. “Zachtere” en elastischere componenten hebben telkens weer bewezen dat ze de superieure oplossingen zijn.

Daarom is het altijd de moeite nader naar de toepassingsgegevens te kijken, deze te vergelijken met de databladen van verschillende materialen en – idealiter – te testen onder echte omstandigheden.