Technische Kunststoffe

Technische Kunststoffe (auch Konstruktionskunststoffe, englisch engineering plastics) sind Polymere mit besseren mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften als Standardkunststoffe (Massenkunststoffe) wie PE, PP, PS oder PVC. Sie kommen dort zum Einsatz, wo ein Kunststoffteil Lasten trägt, sich bewegt, bei erhöhter Temperatur arbeitet oder mit Chemikalien in Berührung kommt. Typische Vertreter sind Polyamide (PA6, PA66, PA12), POM, Polycarbonat (PC), PBT und PET, oft werden auch ABS und PMMA dazugezählt.

Darüber stehen die Hochleistungskunststoffe wie PEEK, PPS, PEI, PSU oder PTFE, die dauerhaft meist 150 bis 250 °C vertragen und von denen viele auch aggressiven Chemikalien widerstehen, die aber ein Vielfaches kosten. Gängige technische Kunststoffe haben eine Dauergebrauchstemperatur in der Größenordnung von 80 bis 120 °C.

Nach dem inneren Aufbau unterscheidet man amorphe Kunststoffe (PC, ABS, PMMA, PEI), die transparent sein können, wenig schwinden und gut maßhaltig sind, aber empfindlicher auf Chemikalien und Spannungsrissbildung reagieren, und teilkristalline Kunststoffe (PA, POM, PBT, PEEK), die Chemikalien und Verschleiß besser widerstehen und gute Gleiteigenschaften haben.

Füllstoffe verändern die Eigenschaften deutlich. Glasfasern (meist 30 Gewichtsprozent, Bezeichnung zum Beispiel PA66-GF30) erhöhen Festigkeit und Steifigkeit, Kohlenstofffasern (CF) die Steifigkeit bei geringerem Gewicht, PTFE oder Graphit senken die Reibung. Unverstärkte technische Kunststoffe haben meist einen E-Modul von 1,5 bis 3,5 GPa, mit 30 % Glasfasern etwa 6 bis 10 GPa, Aluminium dagegen rund 70 GPa und Stahl rund 210 GPa. In der Serie werden sie vor allem im Spritzguss verarbeitet, in Kleinserien durch Zerspanen von Platten und Stäben und für Prototypen auch im 3D-Druck, etwa PA12 im SLS- und MJF-Verfahren.

Ziehen Sie einen technischen Kunststoff anstelle von Metall in Betracht, wenn geringes Gewicht, leiser Lauf und Gleiteigenschaften ohne Schmierung, elektrische Isolation, Korrosionsbeständigkeit oder niedrige Stückkosten in der Serie dank Spritzguss entscheiden: Zahnräder, Gleitlager, Rollen, Gerätegehäuse, Halter, Steckverbinder, Pumpenteile oder Teile von Lebensmittelmaschinen. Einem Standardkunststoff ist er vorzuziehen, wenn das Teil dauerhaft belastet wird oder bei höherer Temperatur arbeitet.

Beginnen Sie die Auswahl bei den Anforderungen: Einsatztemperatur einschließlich kurzzeitiger Spitzen, Höhe und Dauer der Belastung, geforderte Steifigkeit, Reibung und Verschleiß, einwirkende Chemikalien und Reinigungsmittel, UV-Strahlung, Transparenz, Brennbarkeit (Klasse nach UL 94) und gegebenenfalls Lebensmittelkontakt. Der teuerste Kunststoff ist nicht automatisch der beste: In vielen Anwendungen genügt statt PEEK auch PA66 oder POM.

Der häufigste Fehler ist, ein Kunststoffteil wie ein Metallteil nach Datenblattwerten auszulegen. Diese Werte gelten für den Kurzzeitversuch bei 23 °C. Bei höherer Temperatur sinken Festigkeit und Steifigkeit deutlich, und unter Dauerlast verformt sich der Kunststoff langsam weiter (Kriechen). Berücksichtigen Sie die Wärmeausdehnung, die bei unverstärkten Kunststoffen fünf- bis zehnmal höher ist als bei Stahl, und bei Polyamiden die Maßänderung durch Feuchtigkeitsaufnahme.

Füllstoffe verursachen Anisotropie: Ein glasfaserverstärktes Teil ist in Fließrichtung der Schmelze fester und schwindet weniger als quer dazu, was zu Verzug führt. Scharfe Kerben und Innenecken ohne Radius sind typische Bruchstellen. Amorphe Kunststoffe können nach Kontakt mit Lösungsmitteln, Klebstoffen oder Reinigungsmitteln Spannungsrisse bekommen. Schreiben Sie deshalb nicht nur „Kunststoff“ oder „PA“ auf die Zeichnung, sondern den konkreten Typ mit Füllstoff und Farbe (zum Beispiel PA66-GF30, schwarz), und prüfen Sie beim Prototyp, wie stark Werkstoff und Verfahren vom Serienteil abweichen.