Schlüsselmaterialien im Maschinenbau: Eigenschaften und Anwendungen

Präzise, verlässlich, innovativ – deutsche Unternehmen genießen weltweit einen guten Ruf. Eine der Vorzeigebranchen ist dabei der deutsche Maschinenbau. Dessen Umsätze schnellen seit Jahren in die Höhe. Damit dies möglich ist, braucht es aber nicht nur Mut und Ideen sowie das nötige Personal, sondern auch langlebige und widerstandsfähige Materialien – wir stellen ein paar der wichtigsten vor. 

244 Milliarden Euro – so viel erwirtschaftete der deutsche Maschinenbau im Jahr 2022, was einen neuen Umsatzrekord darstellt. Zum Vergleich: Vor fast 30 Jahren wurden noch weniger als die Hälfte des heutigen Umsatzes erzielt. Und laut einer Prognose von Statista, dem Statistischen Bundesamt, Eurostat und OECD könnten es im Jahr 2025 sogar 290 Milliarden Euro werden. Was es hierfür braucht, sind nicht nur innovative Unternehmen, sondern auch das nötige Personal. Auch hier kann der deutsche Maschinenbau punkten, denn er zählt zu den personalstärksten Branchen Deutschlands. Laut dem Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) waren 2021 rund 1.007.000 Beschäftigte in dieser Sparte tätig, wobei Baden-Württemberg diesbezüglich zahlenmäßig ganz vorne liegt.

Ein zweiter ausschlaggebender Faktor ist das Material – und das spielt im Maschinenbau auf doppelte Weise eine Rolle: Auf der einen Seite werden Maschinen verwendet, um neue Werkstoffe zu bearbeiten, auf der anderen Seite besteht eine Maschine selbst aus Materialien, die mitunter die Leistungsfähigkeit, Energieeffizienz oder Wartungsfreundlichkeit beeinflussen können. Dabei gilt: Je weniger Kraftaufwand eine Maschine benötigt, um einen Auftrag abzuarbeiten, desto energiesparsamer ist sie. Langlebige und widerstandsfähige Werkstoffe sind somit gefragt. Und hierbei haben sich ein paar Dauerbrenner etabliert, aber auch neuere, vielversprechende Materialien kommen immer mehr zum Einsatz. Grob lassen sie sich in natürliche und synthetische Werkstoffe unterteilen. Natürliche Materialien, wie allen voran Holz, Stein oder Baumwolle, stammen aus der Natur, während synthetische von Menschen gefertigt werden. Dazu zählen etwa Kunststoff oder Glas. Ein kompakter Überblick:

Holz

Holz ist eines der ursprünglichsten Materialien, welches die Menschheit bereits seit Anbeginn verarbeitet. Vor allem in den letzten Jahren, geprägt von einer neuen Sehnsucht nach allem Natürlichen und einer Rückbesinnung auf Werte wie Beständigkeit und Nachhaltigkeit, erlebt der Holzbau eine Renaissance. Kein Wunder, schließlich vereint es viele Vorzüge: Es ist robust und haltbar, gleichzeitig flexibel und wandelbar. Daraus lassen sich somit vielfältige Formen erzeugen. Holz ist aber auch ein natürlicher Isolator, wodurch es besonders im Bauwesen gefragt ist. Und schließlich handelt es sich bei diesem Werkstoff um eine erneuerbare Ressource – und damit eine umweltfreundliche Wahl. Zwar gibt es mittlerweile auch synthetische Materialien, die das Aussehen und die Haptik von Holz hervorragend zu imitieren wissen, trotzdem stellen diese keinen umfassenden Ersatz dar.

Metall

Unverzichtbar ist seit Jahrzehnten bzw. sogar Jahrhunderten auch Metall. Es zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit und eine lange Haltbarkeit aus. Daneben punktet es mit seiner Fähigkeit, Elektrizität zu leiten. Das macht es wiederum unverzichtbar, wenn es darum geht, elektrische Komponenten zu verkabeln. Und dann ist da noch eine Eigenschaft, die Metall Pluspunkte verschafft: Es kann recycelt werden, ohne dabei seine vielversprechenden Charakteristiken zu verlieren. Doch Metall ist nicht gleich Metall, denn es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Varianten, zum Beispiel:

• Eisen: Eines der bekanntesten Metalle ist Eisen – und das ist auch nicht verwunderlich, schließlich handelt es sich bei mehr als 90 Prozent des weltweit genutzten Metalls um Eisen. Als Hauptbestandteil von Stahl kommt es in großen Mengen bei der Stahlproduktion zum Einsatz. Denn Stahl ist mittlerweile allgegenwärtig – nicht zuletzt aufgrund seiner Festigkeit, Zähigkeit und Vielseitigkeit. Das macht diesen Werkstoff zu einer erstklassigen Wahl für den Maschinenbau, aber auch für den Fahrzeug- und Schiffsbau. Ein weiterer Vorteil: die magnetischen Eigenschaften von Eisen. Ein unentbehrlicher Faktor, um die Herstellung von Generatoren oder Elektromotoren zu ermöglichen.
• Aluminium: Auch Aluminium wird immer beliebter, vor allem dann, wenn weniger Gewicht gefragt ist, etwa im Leichtbau, der inzwischen die Fahrzeug-Industrie revolutioniert hat, aber auch in der Luft- und Raumfahrt. Es handelt sich dabei um das dritthäufigste Element der Erde. Leichte Aluminiumlegierungen kommen aber auch bei EDV- und Haushaltsgeräten sowie in der Unterhaltungselektronik zum Einsatz. Und schließlich kommt auch die Verpackungsindustrie mehr nicht ohne dieses Material aus.
• Kupfer: Überall dort, wo Strom fließt, ist das Schwermetall Kupfer die beste Wahl – ob es sich dabei nun um ein Kabel, eine Leiterplatte oder Spulen von Motoren handelt. Der Grund: Kupfer verfügt über eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit. Besser kann das, bezogen auf das Volumen, nur noch Silber. Außerdem ist Kupfer Legierungsbestandteil von Messing und Bronze.
• Lithium: Diesen Werkstoff verbindet man heutzutage vor allem mit der modernen Batterie- und Akkutechnologie, denn Lithium ist nicht nur das leichteste Metall, sondern auch ein perfekter Energiespeicher. Zwei Eigenschaften, die Lithium zum bevorzugten Rohstoff für Akkus aller Art macht – sei es im Akkuschrauber, im Smartphone oder im Elektroauto.
• Gold: Zu den teuersten Metallen zählt Gold – weil es korrosionsbeständig ist und sich sehr gut verarbeiten lässt. Es wird vor allem für Schmuck und Verzierungen verwendet, hat sich aber auch in der Zahnmedizin bewährt, ist internationales Zahlungsmittel und krisensichere Wertanlage. Auch die Elektroindustrie profitiert von diesem Werkstoff.
• Platin: Noch teurer als Gold ist das Edelmetall Platin. Daher wird es ebenso als Zahlungsmittel verwendet und als Wertanlage gehandelt. Aber auch als Werkstoff macht es eine gute Figur, etwa in Katalysatoren von Autos, in der Labortechnik, Medizin, Luft- und Raumfahrt.

Kunststoff

In Sachen Haltbarkeit und Vielseitigkeit hat auch Kunststoff bei den Materialien die Nase vorn. Daher zählt dieser Werkstoff ebenso zu den beliebtesten weltweit. Am häufigsten wird es für Verpackungen verwendet, aber auch das Baugewerbe oder die Möbelindustrie kommen mittlerweile nicht mehr ohne Kunststoff aus. Zu den wichtigsten Vorteilen zählen: geringes Gewicht, hohe Robustheit und die Möglichkeit, den Werkstoff viele Male wiederzuverwenden. Darüber hinaus ist Kunststoff resistent gegen Wasser und viele Chemikalien. Die Kehrseite der Medaille: Es dauert lange, bis sich Kunststoff zersetzt, was seit Jahren Kritiker auf den Plan ruft, denn die Erde pfeift ohnehin schon aus dem letzten Loch. Darüber hinaus können einige Kunststoffe Chemikalien freisetzen, die nicht nur die Umwelt belasten, sondern auch für uns Menschen schädlich sind. Zu den bekanntesten Kunststoffen zählen folgende:

• Polyethylen: Polyethylen, kurz PE, ist der mengenmäßig am meisten produzierte Kunststoff. Er findet sich in Flaschen, Getränkekästen und anderen festen Gehäusen aller Art wieder oder begegnet uns im Alltag als Verpackungsfolie und Tragetasche.
• Polypropylen: Diese Kunststoffart ist unverzichtbar für die Automobilbranche und kommt überall dort zum Einsatz, wo früher ausschließlich auf Metall zurückgegriffen wurde – bei Scheinwerfergehäusen, Sitzbezügen, Pedalen oder dem Luftfiltergehäuse. Daneben wird es für Lebensmittelverpackungen verwendet, für Gartenmöbel, Koffer oder medizinische Geräte.
• Polyvinylchlorid: Polyvinylchlorid, besser bekannt als PVC, hat sich vor allem in der Bau- und Möbelbranche einen Namen gemacht – als Bodenbelag, Tapete, Dachbahn oder Kunstleder. Auch Abwasser-Rohre bestehen mitunter aus PVC.
• Polystyrol: In seiner festen Form dient diese Kunststoffvariante als Material für Gehäuse von elektrischen Geräten oder als Verpackungsmaterial, aufgeschäumt kennen wird diesen Kunststoff wiederum unter dem Namen Styropor.
• Polyurethan: Polyurethan, kurz PU oder PUR, spielt eine große Rolle bei der Fertigung von Matratzen, Sitzmöbeln und Dämmmaterialien. Es gibt mittlerweile eine breite Palette an PUR Produkten. In Kombination mit Polyester erobert Polyurethan auch die Modeindustrie. Außerdem kommt PU bzw. PUR in der Elektroindustrie als schützende Polymerbeschichtung zum Einsatz.
• Polyethylenterephthalat: Diese Kunststoffart ist vielen als „PET“ bekannt und hat sich als Glasersatz für Getränkeflaschen und Verpackungen durchgesetzt. Aber auch die Elektro- und Fahrzeugtechnik sowie der Maschinenbau profitieren von diesem Material – für Zahnräder, Lager, Schrauben oder Federn.
• Polycarbonat: Überall dort, wo andere Kunststoffe zu weich oder nachgiebig sind, etwa für die Fertigung von CDs, DVDs, Koffern und Co., wird auf Polycarbonat, kurz PC, zurückgegriffen. Darüber hinaus gilt dieses Material als langlebige und bruchfeste Glasalternative und wird für Brillengläser, Flugzeug- und Gewächshausfenster, Scheinwerfer oder die Verkleidung von Elektrogeräten benutzt.
• Polyamide: Polyamide, kurz PA, haben sich vor allem in der Bekleidungsindustrie etabliert. Aber auch Seile, Angelschnüre, Fallschirme, Segel oder die Saiten von Musikinstrumenten bestehen mitunter aus diesem reißfesten und robusten Material. Und schließlich können auch Haushaltsgegenstände und technische Teile damit hergestellt werden.

Glas

Glas ist aus unserer modernen Welt ebenso nicht mehr wegdenken – dieser Werkstoff begleitet uns Menschen ebenfalls schon seit vielen Jahrhunderten. Dabei haben sich die Herstellung und die Einsatzmöglichkeiten enorm weiterentwickelt, sodass Glas auch mit vielen weiteren Materialien wie Natron oder Kalkstein kombiniert werden kann, um verschiedene Glasarten zu erhalten.