Auswahl von Materialien und Prozessen für
Ultrahochleistungs-Kunststoffteile

Cypress, Texas, August 2019

Dieses Dokument soll Konstrukteuren und Ingenieuren in der Kunststoffindustrie bei der Auswahl der Prozessabläufe und Materialien helfen die Leistung von wartungskritischen Teilen maximieren.

In der Kunststoffbranche herrscht große Verwirrung über die relativen Unterschiede zwischen bearbeiteten und gespritzten Kunststoffteilen. Dies ist leicht zu verstehen, wenn man sich die Werte der Datenblätter der Harz- und Halbzeug-Hersteller ansieht. Die auf den Datenblättern aufgeführten Werte sind fast immer höher als die von führenden Halbzeug-Herstellern. Lassen Sie sich von dieser Beobachtung nicht ablenken oder verzögern, um das bestmögliche Teil zu entwickeln und zu produzieren. Dieses Missverständnis kann zu Produktionsverzögerungen, Leistungseinbußen und/oder Budgetüberschreitungen, und im schlimmsten Fall, zu unerwarteten Ausfällen führen.

Teilegestaltung

Die folgenden Elemente müssen bei der Konstruktion berücksichtigt werden:

1. Leistungsanforderungen
2. Dimensionale Eigenschaften
3. Zielkosten

Die ersten beiden scheinen selbstverständlich, aber die Zielkosten werden oft übersehen. "Sind schließlich nicht alle Kunststoffteile billiger zu machen als eine metallische Alternative?" Nein, das sind sie nicht.Viele Hochleistungspolymere übersteigen die Kosten von Spezialmetallen, auch wenn sie volumenmäßig ausgedrückt werden. Der mit dem Übergang zu Kunststoffen typischerweise verbundene günstige Wirkungsgrad resultiert aus einer höheren Effizienz und weniger Produktionsschritten im Spritzguss. Kunststoffteile haben sofort ihre endgültige Form, während viele Schritte erforderlich sind, um ein Teil mechanisch herzustellen, angefangen beim Schmieden, Gießen oder Standardformen. Die Kosten müssen jedoch das Kapital beinhalten für ein Werkzeug, damit Sie die Teile spritzen können. Diese Kosten sollten im erwarteten Volumen über die Lebensdauer des Teils enthalten sein.

Materialauswahl

Bei der Auswahl des Kunststoffs für ein neues Bauteil müssen zunächst die Umwelt- und Anwendungsanforderungen berücksichtigt werden. Überlegungen zu Temperatur, Chemikalien und Sonnenlicht werden mit Anwendungsanforderungen wie Verschleißfestigkeit, Festigkeit, Transparenz usw. kombiniert, um die Anzahl der Kandidatenmaterialfamilien auf eine überschaubare Anzahl zu reduzieren. Eine Luft- und Raumfahrtanwendung, die ein Gleichgewicht zwischen hoher Festigkeit bei Hitze und Schlagfestigkeit bei niedrigen Temperaturen erfordert, kann einen Konstrukteur zu Torlon PAI führen. Oder eine Komponente in der Öl- und Gasindustrie, im Bohrloch, die eine hohe Beständigkeit gegen Dampf erfordert, kann einen Ingenieur dazu bringen, PEEK als Kunststofffamilie zu akzeptieren. Kunststoffe, die im geschmolzenen Zustand verarbeitet werden, wie PEI, PSU, PPSU, PPSU, PPSU, PPS, Acetal, Polycarbonat, Polyester und sogar Nylons, werden oft für Hochleistungsteile in Betracht gezogen. Antworten auf einige wichtige Fragen können die Liste in der Regel auf 1 oder 2 sehr gute Materialfamilien verkürzen.

• - Ist mein Teil ein Lager- und Verschleißteil oder ein Strukturbauteil?
• - Wie hoch ist die zu erwartende Betriebstemperatur?
• - Gibt es Anforderungen an das Aussehen (Transparenz, Farbe, usw.)?
• - Welche spezifischen Umweltfaktoren müssen berücksichtigt werden?
• - Welche Mindestanforderungen an die Festigkeit werden gestellt?
• - Ist die Schlagfestigkeit und/oder Zähigkeit entscheidend?

Die Antworten auf die oben genannten Fragen können Sie im Allgemeinen zu einigen Familien aus Kunststoff führen.

Jetzt kann die Materialauswahl schwierig werden.

Jede Materialfamilie besteht aus vielen Sorten und Viskositätsarten, die für den Ingenieur in der Verarbeitungswelt eine größere Bedeutung haben. Ein besseres Verständnis der Terminologie hilft denen, die Teile konstruieren und die in der Regel für die in einer technischen Zeichnung aufgeführte Materialbeschreibung verantwortlich sind. So liefert Solvay beispielsweise mehr als 8 Typen Torlon und mehr als 10 verschiedene PEEK-Typen. Jede Type hat eine leicht unterschiedliche Zusammensetzung, und ein paar verschiedene Viskositäten (Molekulargewichte). Einige haben unterschiedliche Zusammensetzungen und einige haben unterschiedliche Viskositäten. Additive wie Glas- und Kohlefaser, Graphit, PTFE, Öle, Wachse und Mineralien sind in jedem der oben genannten Basisharze enthalten, um bestimmte Eigenschaften wie Festigkeit und/oder Verschleißfestigkeit zu verbessern. Diese Situation gibt est für alle Harzfamilien, was bedeutet, dass viele hundert Kandidaten für ein bestimmtes Teil existieren können.

Wie wähle ich also, und wann treffe ich meine endgültige Entscheidung?

Jetzt ist ein guter Zeitpunkt, um die Type vorläufig auszuwählen, aber bevor Sie eine Type endgültig auswählen und zu einer technischen Zeichnung hinzufügen, müssen Sie die Prozessauswahl berücksichtigen.

Prozessauswahl

Im Allgemeinen zeigt die Kombination aus Teilegröße/Form und erwartetem Volumen deutlich, dass entweder Spritzguss oder Zerspanung das richtige Verfahren ist.

Sobald Ihr Prozess bekannt ist, ist es Zeit die Beratung Ihrer Lieferanten einzuholen. Obwohl viele Materialien als Halbzeuge für die Verarbeitung zur Verfügung stehen, sind nicht alle Kunststoffe in allen Größen erhältlich. Extrudierte Teile werden fast immer aus Kunststoffen mit dem höchsten Molekulargewicht hergestellt. Viele Ingenieure werden jedoch auf der Zeichnung einen niedrigen Viskositätsgrad angeben, der eigentlich für den Spritzguss vorgesehen ist. Dies führt fast immer zu Beschaffungs- und/oder Kostenproblemen. In der Torlon-Nomenklatur ist Torlon 4203L die Bezeichnung für niedrigviskose (höher fließende) Typen, die für das Spritzgießen bestimmt sind. Höher viskose Typen, die in der Formherstellung verwendet werden, enthalten nicht die Bezeichnung "L". Viele Zeichnungen enthalten einen Verweis auf Torlon 4203L, dennoch sind die Teile für die Zerspanung vorgesehen.

Unter den Victrex PEEK-Typenbezeichnungen haben die 150 Typen eine niedrige Viskosität (höherer Durchfluss) und wurden für das Spritzgießen von dünnwandigen Teilen entwickelt. Die 450er Typen eignen sich besser für extrudierte Halbzeuge und dickwandige Teile. Manchmal macht es die Angabe eines Typs 150 in der Materialbeschreibung eines bearbeiteten Teils unmöglich, der Zeichnung zu folgen. Die gleiche Situation besteht für viele andere Materialien, einschließlich Acetal- und Nylonkunststoffe.

Häufig sind glas- und kohlenstoffverstärkte Typen in größeren Größen und Halbzeuge schwer zu finden. Erfahrene Spritzgießer betrachten die Teilequerschnitte und die Gesamtgeometrie, bevor sie sich entscheiden, mit welchem Typ sie die Form füllen sollen. Oft stehen 2 oder 3 Viskositäten zur Auswahl. Denken Sie immer an niedrigviskose (hochfließende) Kunststoffe. Die füllen das Werkzeug schneller, aber das Endprodukt ist leider weniger zäh. Das Abgleichen der beiden Anforderungen ist Teil der Materialauswahl.

Das Spritzgießen ist ein sehr schneller und effizienter Weg zur Herstellung von Kunststoffteilen, aber ein anfänglicher Werkzeugkostenaufwand muss gerechtfertigt sein. Heute reichen die Formen von 10.000 € bis 100.000 € oder mehr. Verstärkte Typen können aufgrund der Faserorientierung zu Verarbeitungsherausforderungen führen, die jedoch fast immer durch eine enge Zusammenarbeit mit Ihrem Spritzgießer überwunden werden, der auf jahrelange Erfahrung bei der Antizipation des Formflusses und der daraus resultierenden Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften zurückgreifen kann. Extrudierte Teilen ermöglichen einen sehr robusten Bearbeitungsprozess, der die höchstmögliche Steifigkeit und Festigkeit durch Teileorientierung mit geringem oder keinem Werkzeug- oder Einmaliges Engineering-Aufwand ermöglicht. Formpressen von Kunststoff ermöglicht die Herstellung bestimmter nicht schmelzbarer Kunststoffe zu Halbzeuge. Beispiele für Kunststoffe, die nur im Pressverfahren hergestellt werden, sind PTFE, UHMW und fast alle Duroplaste. Andere Materialien wie PEEK und PAI werden sowohl im Extrusions- als auch im Pressverfahren verarbeitet. Obwohl die mechanische Festigkeit/Steifigkeit der meisten formgepressten Kunststoffe niedriger ist als bei ihren schmelzverarbeiteten Geschwistern, können sie während der Zerspanung formstabiler sein.

Da nicht alle Teile und Größen von jedem Hersteller gleich hergestellt werden, können sich auch bei gleicher Materialqualität unterschiedliche Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften ergeben. Die enge Zusammenarbeit mit Ihrem Maschinisten und dem Werkzeughersteller ist der zuverlässigste Weg, um sicherzustellen, dass Ihre Teile die besten sind und bei Bedarf funktionieren.

Die Herstellung eines Teils kann sowohl die Zerspanung als auch das Spritzgießen umfassen. Viele Teile werden zunächst durch Zerspanung hergestellt, wenn das Volumen gering ist und die Auslegung noch geändert werden kann, und werden später in Spritzguss umgewandelt, sobald die Auslegung festgelegt und konzepterprobt ist. Design- und Beschaffungsingenieure benötigen Erfahrung mit allen Produktionsabläufen oder sollten zumindest mit Lieferanten zusammenarbeiten, die über umfangreiche Erfahrung in der Verarbeitung von Polymeren verfügen. Zu oft waren Konstrukteure frustriert, zerspante Kunststoffteile in Spritzgussteile umzuwandeln, da sie erwarteten, dass alle Leistungsmerkmale gleich bleiben. Faserorientierung, Bauteilzähigkeit, Verschleißraten und Präzision unterscheiden sich fast immer zwischen zerspanten und spritzgegossenen Teilen. Selbst die Bearbeitung eines spritzgegossenes Halbzeuges oder eines Teils kann andere Eigenschaften ergeben als die Bearbeitung (eines Teils) aus ein extrudiertes oder formgepresstes Halbzeug. Das Verständnis dieser Unterschiede von Anfang an hilft, unerwartete Überraschungen in späteren Produktionsstufen zu vermeiden.

Das Entwerfen mit Hochleistungskunststoffen, bei denen die Bauteil- und Prozessgestaltung für die Systemleistung entscheidend ist, erfordert die Kenntnis aller beabsichtigten Prozessoptionen. Die einzigartige Kombination von Extrusion, Spritzguss und Zerspanung im eigenen Haus ermöglicht es uns, immer das beste Verfahren für ein bestimmtes Teil auszuwählen, wobei sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die Leistung im Vordergrund stehen.

Wähle Ihre Prozesse und Ihre Verarbeiter sorgfältig aus und erinnere dich an das Sprichwort: Es gibt keine schlechten Prozesse.... aber es gibt uninformierte Prozessoren und Ingenieure die nicht nach funktionalen Anforderungen fragen und ihren Ansatz zur Material- und Prozessauswahl auf der Grundlage dieser wichtigen Informationen ändern.