Technische Kunststoffteile: Vom Werkstoff über die Verarbeitung bis hin zur Bauteilauslegung

Hoch beanspruchte Kunststoffteile finden sich in den unterschiedlichsten Einsatzbereichen. Von der Medizintechnik über die Energiewirtschaft bis hin zur Automobilindustrie. In der Chirurgie in Form von Brustspreizern und im Bereich der Diagnostik in Form von Endoskopiegriffen; in Windrädern in Kugellagerkäfigen und in Pkws in Bremskraftverstärkern oder auch Abgas-Rückführventilen. So unterschiedlich die Beanspruchungen dabei auch sein mögen – sie alle eint ein extrem hohes Anforderungsprofil. Charakterisiert durch hohe Temperaturen, mechanische/dynamische Belastungen, von höchsten Anforderungen an die Festigkeit, die Schlagzähigkeit und/oder auch die Steifigkeit. Wie Kunststoffteile das gewährleisten? Wie technische Kunststoffe beziehungsweise Hochleistungskunststoffe dazu beitragen, Menschen zu gesunden oder auch technische Systeme Tag und Nacht am Laufen zu halten beziehungsweise zu Höchstleistungen zu befähigen? Die Antworten finden Sie hier.

Welche Werkstoffe kommen für technische Kunststoffteile und die Kunststoffverarbeitung in Frage?

Ganz klar: Jeder Kunststoff hat seine physikalischen/chemischen Grenzen (einen guten Überblick zu dem Thema gewinnen Sie auch mit unserem Ratgeber „Tribologisch modifizierte Kunststoffe. Grundlagen und Zusammenhänge leicht verständlich dargestellt.“)

Zu den KO-Kriterien zählen die Temperaturbelastung oder die chemische Beständigkeit (ein Polyamid in Schwefelsäure funktioniert schlichtweg nicht, weil es sich einfach auflöst). Betrachten wir das Temperaturspektrum, fällt dabei – von „unten” betrachtet – folgendes auf beziehungsweise spielen folgende technische Kunststoffe eine Rolle für die kunststoffverarbeitende Industrie und die Bauteilentwickler:

• Bis 100 Grad Celsius kommen POM, Polyethylen, ABS, PC/ABS in der Kunststofftechnik zum Tragen.
• In dem Bereich 100 bis 120/125 Grad spielen technische Kunststoffe wie Polypropylen, Polyketon, Polyamide oder Polyester wichtige Rollen.
• Im Bereich 120 bis 150 Grad funktionieren „noch” Polyamid 66, PBT und PET.
• Ab 150 Grad Celsius Langzeitbelastung – also bereits im Hochtemperaturbereich für Kunststoffteile – kommen dann PA46, PPA, PPS, PEEK, PES, PEI zum Einsatz.

Stufen wir den Bereich über 150 Grad Celsius weiter ab:

• Von 150 bis 180 Grad funktionieren PA46, PPA oder Polyethersulfon,
• darüber dann PPS bis 220 Grad langzeitig und 240 Grad Celsius kurzzeitig, und dann kommen
• PEEK beziehungsweise TPI zum Einsatz.

Darüber folgen dann „nur noch” marginale Steigerungen: PEK, PEKK mit nochmals um 10, 20 oder 30 Grad gesteigerten Schmelzpunkten oder auch um 15 Grad gesteigerten Dauergebrauchstemperaturen auf Basis von umstrukturierten Molekülketten und daraus resultierenden höheren Glasübergangspunkten.

Bei 280 Grad Celsius Langzeitbelastung ist dann für technische Kunststoffe beziehungsweise geplante Kunststoffteile das Ende der Fahnenstange in puncto Kunststoffverarbeitung erreicht. Alles was darüber hinausgeht, ist ganz klar mit Risiken oder einer zeitlichen Limitierung verbunden.

Von der Chirurgie bis zur Energiewirtschaft: Kunststoffteile sind vielseitig einsetzbar

Sie fragen sich, wann Sie welche Verarbeitungstechnologie wählen? Hier gibt es einen kurzen Überblick über die Charakteristika der drei wichtigsten Verfahren:

• Die Extrusion ist in der kunststoffverarbeitenden Industrie eine sehr weitverbreitete Methode. Besonders angesichts der hohen Effizienz hat das formgebende Verfahren in der Serienproduktion von technischen Kunststoffen große Bedeutung gewonnen.
• Das Spritzgießen kommt in der Kunststoffverarbeitung bevorzug dann zum Zug, wenn rund 1.000 Kunststoffteile – oder deutlich mehr; bis in die Millionen gehend – pro Jahr gefertigt werden sollen. Von da an beginnt sich die hohe Investition in eine Spritzgießmaschine und das Werkzeug zu amortisieren. Spritzgießen eignet sich darüber hinaus auch besonders gut für komplexe technische Kunststoffteile, die maschinenfallend produziert werden.
• Der 3D-Druck spielt seine Stärken unter anderem im Prototypenbau aus – wenn zum Beispiel haptische Kunststoffteile gefordert sind. LEHVOSS konzentriert sich auf technische Bauteile in kleinen und mittleren Stückzahlen und funktionale Prototypen. Diese wird ermöglicht durch auf das Verfahren optimierte Werkstoffe auf Basis einer breiten Palette von technischen Kunststoffen. Wenn eine Konstruktion das Papier- beziehungsweise Bildschirmstadium verlassen soll und man etwas zum Anfassen braucht, etwas das man drehen und von allen Seiten betrachten kann. Dazu kommt der Ersatzteilbereich – hier ist der 3D-Druck in der kunststoffverarbeitenden Industrie ebenfalls sehr effizient einsetzbar. Eine weitere Stärke des 3D-Drucks liegt in seiner Nachhaltigkeit. Wie unsere restlichen Materialien, sind auch LEHVOSS 3D-Druckmaterialen sind vollständig recycelbar und können vollumfänglich für den nächsten Druck verwendet werden.

Kunststoffgerechte Verarbeitung ist eine Kunst für sich

Doch worauf ist in Bezug auf die Bauteilauslegung zu achten? Hier die wichtigsten Aspekte:

• Erst einmal muss das Anforderungsprofil genau definiert sein. LEHVOSS zum Beispiel verwendet hierfür ein eigens entwickeltes Lastenheft. In dieser werden alle prozessentscheidenden Parameter vorab abgefragt. Es geht um die Anforderungen in der Anwendung, also z.B. Temperaturbelastung, Chemikalienkontakt, UV-Belastung, Festigkeiten.
• Dann beginnt die Materialauswahl: Welches Material kann funktionieren? Ist die Konstruktion bereits auf ein Material zugeschnitten? Ist das Material in dem angedachten Fertigungsverfahren optimal zu verarbeiten?
• Darauf folgt die Kennwert-Ermittlung für etwaige geplante Simulationen – von der Füllsimulation über die FEM-Berechnung bis hin zur Werkzeug-Auslegung.
• Dann geht es an das Fertigungsverfahren: Spritzgießen? Extrusion? 3D-Druck? Formpressen? Wie viele Kavitäten im Werkzeug machen Sinn? Ist es möglich, da vielleicht 16 Kavitäten ins Werkzeug einzubauen oder handle ich mir damit Riesenprobleme ein? Ist das Material eigentlich im Heißkanal verarbeitbar?

Sie wollen noch mehr über die Werkstoffentwicklung von LEHVOSS erfahren? Für weiterführende Informationen setzen Sie sich gerne mit einem unserer Kunststoff-Experten in Kontakt.

Fazit: Bei der Verarbeitung von Kunststoffen für technische Bauteile kommt es auf Kleinigkeiten an

In der kunststoffverarbeitenden Industrie müssen zahlreiche Mosaiksteinchen exakt passend zusammengefügt werden, damit aus einem technischen Kunststoff oder Kunststoffgranulat am Ende des Verarbeitungsprozesses ein hochbelastbares Kunststoffteil herauskommt – oder gar millionenfach maschinenfallend produziert wird. Material – Konstruktion – Werkzeug – Fertigungsverfahren - Verarbeitungsparameter: allesamt Mosaiksteinchen, die passend zusammengelegt werden wollen, damit das Ergebnis stärker wird als die Summe seiner Einzelteile.

Wir von LEHVOSS können das. Als Materialentwickler, der im Rahmen seiner anwendungstechnischen Beratung nicht nur alle Mosaiksteinchen, sondern vor allem auch alle – vermeintlichen – Stolpersteinchen kennt und weiß, wie diese – im Interesse aller Beteiligten – erfolgreich aus dem Weg zu räumen sind.