Plastik versus Metall - zwei Werkstoffe im Vergleich

Kaum ein Werkstoff hat einen solchen Wandel in der öffentlichen Wahrnehmung erlebt, wie die Kunststoffe. Das umgangssprachlich als "Plastik" bezeichnete Material war bei seinem Aufkommen Ende der 1940er Jahre eine echte Revolution. Plötzlich war es mit Hilfe neuer Verfahren möglich, billige und erstaunlich dauerhafte Produkte herzustellen.

Die Dauerhaftigkeit von Kunststoffen ist jedoch mittlerweile zu einem echten Problem geworden: Die Frage nach der nachhaltigen Entsorgung von Kunststoffabfällen ist eine der drängendsten Aufgaben der Zukunft. Bei kaum einem anderen Thema in der Werkstofftechnik wird gegenwärtig so intensiv geforscht. Aber die Erfahrung zeigt: Wenn sich der Mensch eine Aufgabe stellt, ist eine Lösung früher oder später sicher. Es besteht also kein Grund, das heute eher ungeliebte Plastik zu verdammen. Vielmehr sollte beim Vergleich zwischen Kunststoffen und Metallen objektiv vorgegangen werden, denn beide Werkstoffe haben spezifische Eigenschaften, die je nach Kontext vorteilhaft oder nachteilig sind.

Jahrhunderte alter Standard: Metallblech

Man weiß heute nicht mehr genau, wann zum ersten Mal Erz zu Metall verhüttet wurde. Elementares Metall, das nicht als Oxyd vorliegt, ist eher selten. Blei, Gold und Platin zählen zu diesen Metallen, die praktisch in der reinen Form abgebaut werden können. Wann aber nach einem Lagerfeuer der erste Kupferklumpen entdeckt wurde, lässt sich heute nicht mehr sagen. In jedem Fall war der wundersame neue Stoff außerordentlich praktisch: Er ließ sich mit gezielten Hammerschlägen in jede gewünschte Form treiben. Ebenso ließ er sich einschmelzen und mit Hilfe von Wachs und Ton zu jedem beliebig geformten Gegenstand gießen. Diese Vorzüge haben Metalle noch heute: Was als Schrott unbrauchbar geworden ist, lässt sich immer wieder einschmelzen und in jede beliebige Form walzen, fräsen, gießen oder pressen.

Metalle waren deshalb zu Beginn der ersten industriellen Revolution ein standardmäßig verwendetes Material für Gehäuse. Außer Messing, Glas und Holz standen den Kesselbauern der Dampftechnik kaum etwas anderes zur Verfügung. Mit dem Aufkommen der Elektrizität wurde dies aber zu einem Problem: Bei allen Vorzügen des Metalls, hat es jedoch eine nicht immer willkommene Eigenschaft: Es leitet den elektrischen Strom. Abschirmungen in Form von Gehäusen waren aus Metall daher immer suboptimal. Zunächst hat man sich mit Holz und später mit Kunststoff-Vorläufern, dem Bakelit, geholfen. Als aber die gut bearbeitbaren Plastikwerkstoffe auf den Markt kamen, waren sie für die Handhabung von Elektrizität ein echter Durchbruch.

Herstellung von Metallprodukten

Für die Herstellung von Metallprodukten kommen drei verschiedene Verfahren in Frage:

• Urformen: Gießen und Spritzgießen
• Umformen: Biegen, Pressen, Kanten
• Trennen: Sägen, Stanzen, Zerspanen

Der Vorteil bei diesen Verfahren ist, dass anfallende Reststoffe sofort wieder dem Produktkreislauf zugeführt werden können.  Metallspäne sind ein begehrter Rohstoff für neue Metalle. Das macht die Verarbeitung von Metallen in gewisser Hinsicht ökologisch. Allerdings werden bei der Verhüttung, also der Erzeugung von Metallen aus Erz, viele Schadstoffe frei gesetzt und enorme Mengen Energie benötigt. Im ökologischen Vergleich von Kunststoffen und Metallen müssen diese Faktoren deshalb berücksichtigt werden.

Kunststoffe werden noch keine hundert Jahre lang verwendet

Erste Versuche zu den aus Erdöl gewonnenen Werkstoffen gab es bereits gegen Mitte der 1920er Jahre. Einer der ersten Kunststoffe war das Plexiglas, das im Thermoformverfahren zu Cockpithauben von Jagdflugzeugen geformt wurde. Glas war für diesen Zweck nicht dauerhaft und formbar genug. Die blasenförmigen Hauben waren aber eines der charakteristischen Merkmale dieser Waffenträger im zweiten Weltkrieg. Von da an dauerte es aber nochmals bis Anfang der 1950er Jahre hinein, bis der Plastik-Boom wirklich an Fahrt aufnehmen konnte. Radios, Fernseher, elektrische Handwerkzeuge, Haushaltsgeräte und Autoteile konnten plötzlich enorm preiswert hergestellt werden. Denn in ihrer Handhabbarkeit in einer Produktionskette sind die Kunststoffe den Metallen weit überlegen: Einmal als Granulat aus dem Labor vorhanden, lassen sie sich mit dem passenden Werkzeug binnen Sekunden in die gewünschte Form bringen. Zwar gibt es auch den Druckguss bei Metallen, der ein ähnliches Verfahren wie der Spritzguss ist. Werkstoffkosten und vor allem die Energiekosten sind  bei dieser Verarbeitungsform aber wesentlich höher, als bei den Kunststoffen.

Heute bieten Kunststoffe ein niedriges Bauteilgewicht, eine elektrische Abschirmung und eine hohe Dauerfestigkeit. Es gibt nur wenig, was Kunststoffe zersetzen oder zerstören kann. Neben roher Gewalt und Feuer war und ist das UV-Licht ein großes Problem beim Umgang mit diesen Werkstoffen.

Lange, klebrige Ketten

Kunststoffe bestehen aus langkettigen Molekülen, den sogenannten Polymeren. In erwärmter, pastöser Form verhalten sich diese Polymere wie frisch gekochte Spaghetti. Sie sind in jeder beliebigen Weise formbar. Sobald sie aber erstarrt sind, verhaken sich die langen Ketten der Polymer-Moleküle ineinander und geben dem Kunststoff so seine Festigkeit. Es wird zwischen Duroplasten und Thermoplasten unterschieden. Duroplaste lassen sich nur ein einziges Mal in die gewünschte Form bringen. Thermoplaste können dagegen, in gewissen Grenzen, mehrmals umgeformt werden. Diese Eigenschaft macht die Thermoformung erst möglich. Bei diesem dem Pressen bzw. Tiefziehen von Metallen ähnlichen Verfahren, werden Kunststoffplatten durch Druck und Wärme in eine andere Geometrie umgeformt. Das zweite Verfahren zur Herstellung von Kunststoffprodukten ist das Spritzgießen. Dabei wird Kunststoffgranulat erwärmt und im pastösen Aggregatszustand in eine Hohlkammer gespritzt.

Noch nicht ganz im Griff: UV-Licht

Die Fahrer US-amerikanischer Chrysler Fahrzeuge staunten nicht schlecht, als sich ihre noch keine zehn Jahre alten Fahrzeuge aufzulösen begannen. Durch Einsparmaßnahmen wurde bei manchen Modellen ab Baujahr 2004 ein minderwertiges Plastik für die Armaturenbretter verwendet. In den sonnenreichen Südstaaten der USA machte sich dies durch eine gnadenlos zerbröselnde Inneneinrichtung bemerkbar. Der Grund dafür ist das UV-Licht der Sonne.
Die langkettigen Polymere sind es, die einem Kunststoffprodukt seine Stabilität geben. Diese an sich extrem widerstandsfähigen Moleküle haben eine Schwachstelle: UV-Licht. Das kurzwellige, hochenergetische Licht ist in der Lage, die Polymere aufzubrechen und in kleinere Segmente zu zerlegen. Man kann dies gut bei Plastikspielzeug beobachten, das monatelang im Sandkasten liegt. Nach ein bis zwei Jahren verliert das Spielzeug zunächst seine Farbe und verblasst stark. Dann wird es sehr zerbrechlich, so dass es schnell zu Abfall wird.
Die moderne Chemie hat heute aber durchaus UV-beständige Kunststoff im Programm. Die Frage, welche Kunststoffe für welchen Einsatzzweck verwendet werden können ist daher nur durch eine fachkompetente Beratung zu beantworten.

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