Fachartikel vom 09.05.2011

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Maßgeschneiderte Kunststoff-Compounds für anspruchsvolle Anwendungen

Dr.-Ing. Luca Posca, LATI Industria Termoplastici Deutschland GmbH

Die Nachfrage nach technischen Kunststoffen zur Metallsubstitution ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen, und dieser Trend setzt sich ungehindert fort. Neben sehr hoher Steifigkeit und Festigkeit gewinnt eine sehr gute Oberflächenqualität zunehmend an Bedeutung. Neue Kunststoff-Compounds von LATI Industria Termoplastici erfüllen diese Anforderungen und können Metalle in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen ersetzen.

Kunststoffe besitzen gegenüber Metallen wie Stahl, Aluminium oder Magnesium zahlreiche Vorteile wie höhere Gestaltungsfreiheit und geringeres Gewicht. Durch die Integration zusätzlicher Funktionselemente lassen sich zudem Montageschritte vermeiden, und die Fertigung durch Spritzgießen ermöglicht dank hoher Standzeiten der eingesetzten Werkzeuge eine wirtschaftliche Produktion.

In den letzten Jahren ist es Rohstoffherstellern und Compoundeuren gelungen, die Eigenschaften von technischen Kunststoffen denen von Metallen immer mehr anzunähern. Mit Hilfe verschiedener Basiskunststoffe, Füllstoffe und Additive lassen sich die Eigenschaften von Kunststoff-Compounds für den jeweiligen Einsatzbereich maßschneidern.

Geringe Verformung und hohe Ermüdungsbeständigkeit

Bild 2. Auf Grund der sehr geringen Bruchdehnung eignen sich hochsteife Compounds für Anwendungen, bei denen eine geringe Verformung selbst bei hohen Belastungen gefordert ist.
Bild 2. Auf Grund der sehr geringen Bruchdehnung eignen sich hochsteife Compounds für Anwendungen, bei denen eine geringe Verformung selbst bei hohen Belastungen gefordert ist.
Bild 1. Der E-Modul der neuen, hochsteifen thermoplastischen Compounds liegt weit über dem herkömmlicher glas- und kohlefaserverstärkter Kunststoffe.
Bild 1. Der E-Modul der neuen, hochsteifen thermoplastischen Compounds liegt weit über dem herkömmlicher glas- und kohlefaserverstärkter Kunststoffe.
Die neuen hochsteifen Compounds von LATI mit bis zu 40 Gew.-% Kohlenstofffasern eignen sich für Bauteile, bei denen eine sehr geringe Verformung bei hohen Belastungen, die Einhaltung engster Toleranzen sowie eine hohe Dimensionsstabilität und Ermüdungsbeständigkeit im Mittelpunkt der Anforderungen stehen. Als Matrixmaterialien kommen Hochleistungskunststoffe wie Polyamid (PA), Polyphenylensulfid (PPS), Polyphthalamid (PPA) und Polyetheretherketon (PEEK) zum Einsatz.

Bild 3. Künstliches Fußgelenk aus LATAMID 66 H2 K/40, einem mit 40 Gew.-% Kohlefasern gefüllten Polyamid 66
Bild 3. Künstliches Fußgelenk aus LATAMID 66 H2 K/40, einem mit 40 Gew.-% Kohlefasern gefüllten Polyamid 66
Abhängig vom Basiskunststoff und Füllstoffgehalt kann der Elastizitätsmodul bis zu 50.000 MPa betragen (Bild 1) und ist damit fast doppelt so hoch wie der herkömmlicher glas- oder kohlenfaserverstärkter Kunststoffe. Die Bruchdehnung liegt bei nur 1 % (Bild 2).

Typische Einsatzgebiete sind die Rüstungs- und Raumfahrtindustrie, die Medizintechnik sowie die Bereiche Elektronik, Textilmaschinen, Präzisionsmechanik und Pneumatik. Bild 3 zeigt ein künstliches Fußgelenk aus einem mit 40 Gew.-% Kohlefasern verstärkten Polyamid 66 aus der LATAMIDReihe von LATI.

Hohe Festigkeit und Zähigkeit

Glasfaserverstärkte PA 6-, PA 66- oder PPS-Compounds mit 40 bis 60 Gew.-% Glasfasern kommen häufig für Bauteile zum Einsatz, die im Betrieb sehr hohen Schlag-, Biege- oder Torsionsbeanspruchungen ausgesetzt sind. Sie besitzen eine hohe mechanische Festigkeit und Schlagzähigkeit und zeichnen sich durch ihr gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis aus.

Teilaromatische Polyamide (Polyphthalamid = PPA) schlagen mit ihrer vorteilhaften Eigenschaftskombination eine Brücke zwischen herkömmlichen technischen Kunststoffen und den teuren Hochleistungs-Spezialitäten. Ihre Wasseraufnahme ist im Vergleich mit herkömmlichen Polyamiden gering, und sie sind beständiger gegenüber aggressiven Medien. Darüber hinaus sind sie hochfest, besitzen eine sehr hohe Schlagzähigkeit und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ermöglichen daher Bauteile mit hoher Dimensionsstabilität und geringem Verzug.

Bild 4. Das mit 60 Gew.-% Glasfasern verstärkte PPA LARAMID G/60 (links) besitzt eine um 40 % höhere Zugfestigkeit als herkömmliches glasfaserverstärktes PPS (rechts).
Bild 4. Das mit 60 Gew.-% Glasfasern verstärkte PPA LARAMID G/60 (links) besitzt eine um 40 % höhere Zugfestigkeit als herkömmliches glasfaserverstärktes PPS (rechts).
Das neue LARAMID G/60 von LATI ist ein PPA mit 60 Gew.-% Glasfasern. Seine Zugfestigkeit von mehr als 280 MPa liegt um ca. 25 % höher als die von herkömmlichem glasfaserverstärktem PA 66 und um 40 % höher als die von glasfaserverstärktem PPS (Bild 4).

Zu den typischen Anwendungen gehören die Substitution von Messing bei Ventilen oder Verbindungsstücken im Wasser- und Rohrleitungsbau (Bild 5). Auf Grund seiner geringen Wasseraufnahme und hohen Medienbeständigkeit eignet sich dieser Werkstoff auch für den Einsatz unter der Motorhaube, für Pumpengehäuse von Kühlanlagen sowie Deckel von Hydraulikpumpen.

Sehr gute Oberflächenqualität

Bei Kunststoffen mit einem sehr hohen Gehalt an Glas- oder Kohlenstofffasern kommt es häufig zur Ausbildung von Fasernestern an der Bauteiloberfläche, die zu einer Beeinträchtigung der Oberflächenqualität führen. Gerade ästhetische Aspekte spielen bei der Anwendung von Kunststoffen bei Sportartikeln, Elektrowerkzeugen, Möbelbeschlägen, Türgriffen sowie im Sichtbereich von Kfz aber eine wichtige Rolle.

Bild 5. Eine typische Anwendung ist die Substitution von Messing bei Ventilen oder Verbindungsstücken.
Bild 5. Eine typische Anwendung ist die Substitution von Messing bei Ventilen oder Verbindungsstücken.
Die hochgefüllten Compounds aus der LATIGLOSS-Familie sind mit 30 Gew.-% Kohlenstofffasern bzw. 50 bis 60 Gew.-% Glasfasern erhältlich. Sie verbinden sehr gute mechanische Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, geringe Kriechneigung in einem breiten Temperaturbereich mit guter Verarbeitbarkeit und einer sehr hohen Oberflächenqualität. Als Matrixmaterial kommt PA 6 oder PA 66 zum Einsatz. Ein spezieller Modifikator verhindert, dass Fasern an die Bauteiloberfläche vordringen und ermöglicht ein glattes und hoch glänzendes Aussehen. Zudem sind die Compounds in verschiedenen, auch individuellen Farbeinstellungen erhältlich. Neuen, für den Lebensmittelkontakt zugelassenen Typen sowie Compounds mit verbessertem Brandverhalten sind in der Entwicklung.

Ein aktuelles Anwendungsbeispiel sind die Möbelbeschläge aus der Serie ‚EVO‘ des italienischen Unternehmens Effegi Brevetti, für die üblicherweise eine Zinkdruckguss-Legierung verwendet wird. In einem ersten Schritt wurde zunächst lediglich die Grundplatte, die zur Befestigung des Scharniersystems an der Seitenwand des Möbelstücks dient, aus Kunststoff gefertigt. Ziel war eine Reduktion der Fertigungskosten und des Bauteilgewichts.

Größte Herausforderung waren die hohen Kräfte, die bei der Montage der Gasdruckfeder entstehen, sowie die Kräfte, die in der Ruhestellung des Beschlags auf die Grundplatte einwirken und bei längerer Einsatzdauer zur plastischen Verformung führen. Da die Beschläge in High-End-Küchen und –Möbeln verwendet werden, waren auch die Anforderungen an die Ästhetik der Produkte und damit die Oberflächenqualität des Kunststoffs entsprechend hoch.

Bild 6. Hohe Oberflächenqualität und lange Haltbarkeit waren die Hauptanforderungen bei diesem Möbelbeschlagsystem für High-End-Küchen des italienischen Herstellers Effegi Brevetti.
Bild 6. Hohe Oberflächenqualität und lange Haltbarkeit waren die Hauptanforderungen bei diesem Möbelbeschlagsystem für High-End-Küchen des italienischen Herstellers Effegi Brevetti.
Auf Anraten von LATI testete der Hersteller LATIGLOSS 66 H2 G/50, einem mit 50 Gew.-% Glasfasern verstärktem Polyamid 66. Auf Grund der positiven Erfahrungen bei diesem Pilotprojekt hat sich Effegi Brevetti inzwischen dazu entschlossen, weitere Elemente des Beschlagsystems aus diesem Kunststoff zu fertigen (Bild 6).

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Die Schlüsselkriterien bei der Substitution von Metallen durch Kunststoffe sind hohe Steifigkeit, hohe Schlagzähigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit sowie eine sehr gute Oberflächenqualität. Neue, speziell auf diese Anforderungen zugeschnittene Compounds von LATI können Metalle in vielen verschiedenen Anwendungen ersetzen – in der Medizintechnik, bei Sportartikeln und Haushaltsgeräten, im Maschinenbau, in den Bereichen Elektrotechnik und Elektronik sowie in der allgemeinen und Automobilindustrie.


Über LATI: Die LATI Industria Termoplastici S.p.A. gehört zu den führenden europäischen Herstellern von technischen Kunststoffen. Das Unternehmen verfügt über mehr als 60 Jahre Erfahrung im Bereich Kunststoffe und genießt bei Kunden und Partnern einen guten Ruf in Bezug auf Qualität und Service. Das Portfolio umfasst 2.500 verschiedene Typen, darunter zahlreiche maßgeschneiderte Compounds, die weltweit vertrieben werden. Zu den Spezialitäten gehören Hochleistungskunststoffe, selbstlöschende, selbstschmierende sowie verstärkte und gefüllte Compounds für die Elektro- und Elektronik-, die allgemeine Industrie und das Transportwesen. Das Unternehmen beschäftigt ca. 250 Mitarbeiter und hatte 2008 einen Umsatz von 115 Millionen Euro.


LATI Industria Termoplastici Deutschland GmbH

Otto-von-Guericke-Ring 7
65205 Wiesbaden-Nordenstadt, Deutschland

Tel.:   +49 (0) 6122 9082-0
Fax:   +49 (0) 6122 9082-22

Internet: www.lati.com


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