ABS, PA, POM, PEEK … : den richtigen Kunststoff für ein technisches Bauteil wählen

Ein technischer Kunststoff wird wie ein Bauteil ausgewählt: Man geht davon aus, was er leisten muss. Hinter derselben Abkürzung stehen Dutzende Typen, mit oder ohne Füllstoffe, für den Spritzguss oder für die Extrusion, und zwei Teile aus ABS können sich sehr unterschiedlich verhalten. Beantworten Sie diese Fragen, bevor Sie einen Werkstoff benennen:

• Welche Belastungen? Dauerlast oder punktuelle Last, Stöße, Schwingungen, Reibung. Unter konstanter Last verformt sich ein Kunststoff langsam (das sogenannte Kriechen): Ein Teil, das im Test hält, kann sich nach Monaten im Einsatz verformen.
• Welche Temperatur? Dauergebrauchstemperatur, mögliche Spitzen, Wechsel zwischen Wärme und Kälte. Kunststoffe erweichen deutlich früher als Metalle.
• Welche Umgebung? Feuchtigkeit, heißes Wasser, Öle, Reinigungsmittel, Lösungsmittel, UV-Strahlung bei Teilen im Außeneinsatz.
• Welche Optik? Transparenz, Farbe, Oberflächenzustand, Kleb-, Lackier- oder Beschriftbarkeit.
• Welche regulatorischen Anforderungen? Lebensmittelkontakt, Medizintechnik, Brandverhalten.
• Welche Fertigung? Stückzahl, vorgesehenes Verfahren und geforderte Toleranzen.

Mit diesen Antworten schrumpft die Liste bereits auf zwei oder drei Kandidaten, zwischen denen der Betrieb gemeinsam mit Ihnen entscheiden kann. Beschreiben Sie diese in Ihrer Anfrage, statt einen Werkstoff vorzugeben: Ein Betrieb für Kunststoffverarbeitung oder Zerspanung kann einen besser geeigneten oder wirtschaftlicheren Typ vorschlagen.

Thermoplaste werden in drei Stufen eingeteilt:

• Standardkunststoffe (PE, PP, PVC, PS): günstig und leicht, für wenig beanspruchte Teile (Behälter, Abdeckungen, Führungen).
• Technische Kunststoffe (ABS, PC, PA, POM, PBT): besseres mechanisches und thermisches Verhalten, für Funktionsteile.
• Hochleistungskunststoffe (PEEK, PPS, PEI, PTFE): hohe Wärme- und Chemikalienbeständigkeit, aber deutlich teurere Rohstoffe und Verarbeitung.

Eine zweite Unterscheidung hilft, das Verhalten vorauszusehen. Amorphe Kunststoffe (ABS, PC, PMMA) schwinden beim Spritzgießen wenig, lassen sich leicht kleben und können transparent sein, sind aber weniger chemikalienbeständig und können unter Spannung Risse bilden. Teilkristalline Kunststoffe (PA, POM, PP, PE, PEEK, PTFE) sind verschleiß-, ermüdungs- und chemikalienbeständiger, schwinden aber stärker und sind schwieriger zu kleben.

Schließlich verändern Füllstoffe das Bild: Glasfasern erhöhen Steifigkeit und Temperaturbeständigkeit, machen den Werkstoff aber abrasiver für die Werkzeuge und oft spröder; Gleitzusätze (PTFE, Graphit, Molybdändisulfid) verringern die Reibung.

• ABS: guter Kompromiss aus Schlagzähigkeit, Steifigkeit und einfacher Verarbeitung. Es lässt sich leicht spritzgießen, zerspanen, kleben und lackieren, hat aber eine begrenzte Temperaturbeständigkeit und altert in der Sonne ohne Schutz schlecht. Gehäuse, Abdeckungen, Prototypen.
• PC (Polycarbonat): sehr schlagzäh, transparent, wärmebeständiger als ABS. Es zerkratzt leicht und kann durch bestimmte Lösungsmittel oder Öle Risse bekommen.
• PMMA: sehr transparent, gute UV-Beständigkeit, aber spröde. Es lässt sich mit scharfen Werkzeugen gut zerspanen und polieren. Verglasungen, Diffusoren, Displays.
• PA 6 und PA 66 (Polyamide): verschleiß-, stoß- und ermüdungsfest. Sie nehmen Feuchtigkeit aus der Luft auf: Das Teil quillt und seine Eigenschaften ändern sich, was enge Passungen erschwert. PA 12 nimmt deutlich weniger auf. Zahnräder, Rollen, Buchsen.
• POM (Polyacetal): steif, maßstabil, geringe Reibung, kaum feuchtigkeitsempfindlich, sehr angenehm zu zerspanen. Oft die beste Wahl für ein gefrästes mechanisches Präzisionsteil. Es gibt es als Copolymer (POM-C, am gebräuchlichsten) und als Homopolymer (POM-H). Es lässt sich schlecht kleben und verträgt starke Säuren schlecht.
• PP und PE-HD: leicht, günstig, sehr chemikalienbeständig, aber wenig steif, stark wärmedehnend und schwer zu kleben. PP eignet sich für integrierte Filmscharniere.
• PEEK: rund 250 °C im Dauereinsatz, ausgezeichnete chemische Beständigkeit, sterilisierbar, mit biokompatiblen Typen. Es ist sehr teuer und im Spritzguss anspruchsvoll: nur für Anforderungen, die andere Werkstoffe nicht abdecken (Medizintechnik, Luftfahrt, Chemie).
• PTFE: sehr geringe Reibung und chemische Inertheit, aber weich und zum Kriechen neigend. Es wird nicht im herkömmlichen Spritzguss verarbeitet: Man zerspant es aus Stangen, Rohren oder gesinterten Platten. Dichtungen, Auskleidungen, Gleitteile.

Qualitative Richtwerte, die Sie am Datenblatt des gewählten Typs bestätigen sollten. Die Spalte „Spritzguss“ zeigt, ob der Werkstoff üblicherweise spritzgegossen wird; die relativen Kosten beziehen sich auf den Rohstoff (€ günstig, €€€€ sehr hoch).

Zerspanung: Halbzeuge statt Werkzeug

Die Zerspanung geht von Stangen, Platten oder Rohren aus und braucht kein Werkzeug (Formwerkzeug): der natürliche Weg für einen Prototyp oder eine Kleinserie. Kunststoff erwärmt sich beim Schneiden, dehnt sich aus und gibt mitunter innere Spannungen frei: Der Betrieb sieht deshalb oft Schruppen, Spannungsabbau und Schlichten vor. Enge Toleranzen sind hier schwerer einzuhalten als bei Metall: Beschränken Sie sie auf die Funktionsmaße (siehe den Leitfaden zu den Werkstoffen für gefräste und gedrehte Teile).

Spritzguss: erst ein Werkzeug, dann Serien

Beim Kunststoffspritzguss wird die geschmolzene Masse in ein Werkzeug gepresst. Das Werkzeug ist eine Investition, die sich erst über eine Serie amortisiert; dafür sinkt der Preis je Teil. Der Werkstoff muss als Spritzgusstyp existieren (PTFE zum Beispiel gibt es nicht als solchen), und seine Schwindung, bei teilkristallinen Kunststoffen stärker, beeinflusst Präzision und Verzug. Die Toleranzen im Spritzguss sind in der Regel weniger eng als bei der Zerspanung, und das Teil muss Konstruktionsregeln einhalten (Entformungsschrägen, gleichmäßige Wanddicken). Der Leitfaden zum Preis eines Spritzgusswerkzeugs erläutert die Werkzeugkosten im Detail.

3D-Druck: nützlich zum Testen, aber nicht gleichwertig

Die additive Fertigung erzeugt Kunststoffteile ohne Werkzeug, insbesondere aus Polyamid. Ein gedrucktes Teil hat jedoch nicht die Eigenschaften eines spritzgegossenen oder zerspanten Teils aus derselben Familie: In einer Richtung ist es oft weniger belastbar. Es bestätigt Form und Montage, nicht immer die mechanische Festigkeit (siehe 3D-Druck oder CNC-Zerspanung).

Es gibt keine allgemeingültige Schwelle zwischen Zerspanung und Spritzguss: Liegt Ihre Stückzahl dazwischen, lassen Sie beide Verfahren kalkulieren (siehe vom Prototyp zur Serie). Soll die Serie später gespritzt werden, fertigen Sie den Prototyp aus einem ähnlichen Werkstoff und prüfen Sie einige Teile aus dem Werkzeug, bevor die Produktion startet.

• Wärmedehnung. Ein Kunststoff dehnt sich um ein Vielfaches stärker als Stahl: Eine enge Passung bei 20 °C kann bei 60 °C klemmen oder sich lösen. Sehen Sie Spiel vor, besonders in einem Metallrahmen.
• Kriechen. Ein dauerhaft belastetes Teil verformt sich mit der Zeit. Bei Schraubverbindungen sind eine Metalleinlage oder eine breite Scheibe zur Lastverteilung vorzuziehen.
• Feuchtigkeit. Polyamide quellen und verlieren an Steifigkeit; POM ist deutlich stabiler. Muss ein Teil seine Maße halten, ist das oft das entscheidende Kriterium.
• Chemikalien. Die Verträglichkeit hängt von Werkstoff, Konzentration, Temperatur und Spannung ab. PC und PMMA können durch bestimmte Lösungsmittel Risse bilden. Fragen Sie den Lieferanten nach der chemischen Beständigkeit des Typs oder machen Sie einen Versuch.
• UV und Außeneinsatz. Ohne Stabilisator vergilben oder verspröden mehrere Kunststoffe. Geben Sie den Außeneinsatz an: Es gibt stabilisierte Typen.
• Brandverhalten. In der Elektrik oder im Verkehrswesen kann eine Brandklassifizierung verlangt sein (zum Beispiel UL 94). Sie schränkt die Auswahl ein: Nennen Sie sie gleich in der Anfrage.
• Lebensmittel- oder Medizinkontakt. Nur bestimmte Typen sind als konform erklärt: Verlangen Sie die Erklärung des Lieferanten und lassen Sie sie von Ihrem Regulatory-Verantwortlichen prüfen. Siehe auch den Sektor Medizintechnik.

Ein unzureichend bezeichneter Werkstoff führt zu Rückfragen, danebenliegenden Angeboten oder einer bösen Überraschung bei der Lieferung. Geben Sie an:

• die genaue Bezeichnung: „POM-C natur“, „PA 6 mit 30 % Glasfaser“, „ABS schwarz“ statt „Kunststoff“ oder „Nylon“;
• ob der Werkstoff verbindlich vorgegeben ist: „oder gleichwertig“ lässt dem Betrieb Raum, den wirtschaftlichsten verfügbaren Typ vorzuschlagen;
• Farbe und Optik: natur, schwarz, durchgefärbt, gegebenenfalls Polieren;
• die Einsatzbedingungen: Temperatur, Medienkontakt, Feuchtigkeit, Außeneinsatz;
• die erwarteten Dokumente (Werkstoffzeugnis, Konformitätserklärung), die Sie nur anfordern sollten, wenn sie gebraucht werden;
• die Stückzahl und, bei einem Prototyp, die spätere Serie und das angestrebte Verfahren.

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