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Anleitung zur Materialauswahl

Kunststoffe werden in immer stärkerem Masse als Ersatz für Werkstoffe wie Bronze, Edelstahl, Aluminium und Keramik eingesetzt. Einige der häufigsten Gründe für die Umstellung auf Kunststoffe sind:

  • Längere Lebensdauer von Teilen
  • Notwendigkeit der Schmierung entfällt
  • Geringerer Verschleiss an Flächen von Kontaktteilen
  • Schnellerer Anlagenbetrieb/höhere Geschwindigkeit von Produktionslinien
  • Geringerer Leistungsbedarf für den Betrieb von Anlagen
  • Korrosionsbeständigkeit und Reaktionsträgheit
  • Gewichtsreduzierung


In Anbetracht der Vielzahl verschiedenster Kunststoffe, die derzeit erhältlich sind, kann die Auswahl eines passenden Werkstoffs ein schwieriges Unterfangen sein. Nachstehend finden Sie eine Anleitung, die vor allem Personen unterstützen soll, die mit diesen Kunststoffen weniger vertraut sind.

Stellen Sie fest, ob die Komponente eine:

  • Lager- und Verschleissanwendung (d. h. Reibungskräfte) ODER
  • eine tragende (statische oder dynamische) Anwendung ist.

Nach Bestimmung der primären Funktion der fertigen Komponente werden Sie zu einer Gruppe von Werkstoffen weitergeleitet. Beispielsweise sind kristalline Materialien (z. B. Nylon, Acetal) amorphen Werkstoffen (z. B. Polysulfon, Duratron® PEI oder Polycarbonat) in Lager- und Verschleissanwendungen überlegen. Innerhalb der Werkstoffgruppen können Sie die Auswahloptionen weiter eingrenzen, wenn Sie wissen, welche Additive für Ihre Anwendung am besten geeignet sind.

Verschleisseigenschaften lassen sich durch MoS2, Graphit, Kohlefaser und polymere Schmiermittel (z. B. PTFE, Wachse) verbessern.

Strukturelle Eigenschaften können durch verstärkende Fasern wie Glas- oder Kohlefasern verbessert werden.

Nachdem Sie die Art der Anwendung bestimmt haben (Lager und Verschleiss oder strukturell), können Sie Ihre Werkstoffauswahl noch weiter eingrenzen, indem Sie die gewünschten mechanischen Eigenschaften für Ihre Anwendung festlegen. Für Lager- und Verschleissanwendungen ist der wichtigste Aspekt das Verschleissverhalten, das sich im PV- und „k“-Faktor ausdrückt. Berechnen Sie den erforderlichen PV-Wert (Druck (psi) x Geschwindigkeit (m/min). Wählen Sie anhand der Abbildung 1 Werkstoffe aus, deren begrenzende PV-Werte über dem PV-Wert liegen, der von Ihnen rechnerisch für die Anwendung ermittelt wurde. Eine weitere Auswahl kann anhand des „k“-Verschleissfaktors der ausgewählten Werkstoffe vorgenommen werden. Im Allgemeinen gilt: Je niedriger der „k“-Faktor, desto länger die Verschleisslebensdauer eines Werkstoffs.

Tragende Komponenten sind häufig für maximale Dauerbeanspruchungen beim Betrieb ausgelegt, die 25 % der Bruchgrenze bei einer bestimmten Temperatur entsprechen. Mit Hilfe dieser Anleitung lässt sich das viskoelastische Verhalten von Kunststoffen, das zu einem Kriechen des Materials führt, ausgleichen. Die hier angeführten isometrischen Spannung-Zeit-Diagramme sollen Sie dabei unterstützen, das Festigkeitsverhalten eines Werkstoffs als eine Funktion der Zeit bei Raumtemperatur (Abbildung 2) und bei 150 °C (300 °F) (Abbildung 3) zu charakterisieren.

Berücksichtigen Sie die thermischen Anforderungen Ihrer Anwendung unter normalen und extremen Bedingungen.

Die Hitzebeständigkeit eines Werkstoffs wird durch seine Formbeständigkeitstemperatur (HDT) und seine Dauergebrauchstemperatur charakterisiert. Der HDT-Wert gibt die Erweichungstemperatur eines Werkstoffs bei Wärme an und gilt allgemein als maximaler Temperaturgrenzwert für mässig bis hoch beanspruchte, nicht eingespannte Komponenten. Die angegebene Dauergebrauchstemperatur kennzeichnet einen Punkt auf der Temperaturskala, oberhalb derer nach langer Einwirkung der betreffenden Temperatur eine dauerhafte Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften eines Werkstoffs auftritt. Dieser Richtwert darf nicht mit den von Regulierungsbehörden oder Zertifizierungsstellen wie Underwriters Laboratories (UL) angegebenen Dauerbetriebs- oder Dauernutzungstemperaturen verwechselt werden.

Der Schmelzpunkt kristalliner Materialien und die Glasübergangstemperatur amorpher Materialien sind kurzfristige Extremtemperaturen, bei denen die Formstabilität noch gewahrt bleibt. Die meisten technischen Kunststoffe sollten jedoch nicht bei oder über diesen Temperaturen eingesetzt werden, da Polymere bereits einen Grossteil ihrer mechanischen Eigenschaften bei Einwirkung dieser Temperaturen einbüßen.

Berücksichtigen Sie Chemikalien, denen der Werkstoff bei seiner Verwendung und Reinigung ausgesetzt wird.

Quadrant stellt in dieser Broschüre Informationen zur chemischen Kompatibilität bereit, obwohl sich Angaben dieser Art als schwierig erweisen können, da bei der Entscheidung über die Eignung für einen Verwendungszweck die Konzentration, Temperatur, Zeit und ebenso die Materialbeanspruchung eine Rolle spielen können. Nylon, Acetal und Ertalyte® PET-P eignen sich in der Regel für den Einsatz in industriellen Umgebungen. Kristalline Hochleistungswerkstoffe, z. B. mit Fluorosint® gefülltes PTFE, Techtron® PPS und Ketron™ PEEK, sind für Umgebungen mit aggressiven Chemikalien besser geeignet (siehe Abbildung 5). Wir empfehlen nachdrücklich, den gewünschten Werkstoff unter den beabsichtigten Endnutzungsbedingungen zu testen. Informationen zur chemischen Beständigkeit sind dem Vergleichsdiagramm für Eigenschaften zu entnehmen.

 

 

Bevor Sie mit den Schritten 5 bis 7 fortfahren, sollten Sie unter Umständen weitere Werkstoffeigenschaften berücksichtigen:

  • Relative Schlagzähigkeit/-festigkeit
  • Dimensionsstabilität
  • Einhaltung behördlicher Richtlinien und Normen

Werkstoffe mit einer grösseren Zugdehnung, einer höheren Izod-Schlagzähigkeit und Schlagzugzähigkeit sind in der Regel härter bzw. fester und weniger kerbempfindlich bei Stossbelastungen (siehe Tabelle 1).

Vergleich mechanischer Eigenschaften
 

Zug-

festigkeit

in psi

Druck-

festigkeit

in psi

Biege-

modul

in psi

Dehnung

in %

Izod
Schlag-

zähigkeit
(Raumtemp. 23 °C)

Wasser-

aufnahme
(24h in feuchter Umgebung)

Nylatron® NSM Nylon11,00014,000475,000200.50.25
Acetron® GP Acetal9,50015,000400,000301.00.2
Ertalyte® PET-P12,40015,000490,000200.50.07
Quadrant PPSU11,00013,400345,000302.50.37
Duratron® U1000 PEI16,50022,000500,000800.50.25
Duratron® U2300 PEI17,00032,000900,00031.00.18
Fluorosint®500 PEI1,1004,000500,000100.90.10
Techtron® PPS13,50021,500575,000150.60.01
40% GF Ryton* PPS13,00024,0001,000,00021.00.02
Ketron® 1000 PEEK16,00020,000600,000201.00.10
Ketron GF30 PEEK18,00026,0001,000,00031.40.10
Duratron® T4203 PAI18,00030,000600,00052.00.33
Duratron® T4301 PAI12,00024,0001,000,00030.80.28
Duratron® T5530 PAI14,00027,000900,00030.70.30
Duratron® PI13,50019,000530,00030.60.62
Duratron®  PBI23,00050,000950,00030.50.40

 TABELLE1

Technische Kunststoffe können sich bei Temperaturveränderungen 10- bis 15-mal stärker ausdehnen und zusammenziehen als viele Metalle, z. B. Stahl. Anhand des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) lässt sich die Ausdehnungsrate technischer Kunststoffe schätzen. Der CLTE wird als temperaturabhängige Funktion und als Durchschnittswert angegeben. In Abbildung 6 ist verdeutlicht, wie verschiedene Kunststoffe auf erhöhte Temperaturen reagieren.

Der Elastizitätsmodul und die Wasseraufnahme sind Parameter, die die Dimensionsstabilität eines Werkstoffs ebenfalls beeinflussen. Berücksichtigen Sie unbedingt auch die Auswirkungen durch Luftfeuchtigkeit und Dampf.

Bestimmte Organisationen oder Behörden wie die US-amerikanische Nahrungs- und Arzneimittelbehörde (Food and Drug Administration; FDA), das US-Landwirtschaftsministerium (Department of Agriculture; USDA), Underwriters Laboratory (UL), die 3A-Diary Association und das American Bureau of Shipping (ABS) erteilen allgemein anerkannte Zulassungen oder legen bestimmte Richtlinien für die Nutzung von Werkstoffen in den betreffenden Branchen und Industriesektoren fest.

Wählen Sie die kostengünstigste Form für Ihr Teil aus.

Quadrant bietet Designern eine umfangreiche Auswahl von Grössen und Konfigurationsmöglichkeiten. Beziehen Sie alle verfügbaren Formen in Ihre Auswahl ein. Sie können Ihre Fertigungskosten durch Auswahl der wirtschaftlichsten Form deutlich senken.
Beachten Sie auch die von Quadrant angebotenen alternativen Verarbeitungsoptionen.

Für: Auswahl:

grosse Längen

kleine Durchmesser

(Stab- oder Plattenform, Streifen, Profil,

Hohlprofilstab in Röhrenform, Buchsenform)

Extrusion                                   

grosse Halbzeugformen

endabmessungsnahe Formen

(Stab- oder Plattenform, Hohlprofilstab in Röhrenform,

endformnahe Konfigurationen)

Guss

kleine Formen bei modernen technischen Kunststoffen

(Stab, Scheibe, Platte, Hohlprofilstab in Röhrenform)

Formpressen

kleine Formen bei modernen technischen Kunststoffen,

kleine Durchmesser

(Stab, Scheibe, Platte, Hohlprofilstab in Röhrenform)

Spritzguss

Hinweis: Viele der zur Auswahl stehenden Werkstoffoptionen sind für verschiedene Verfahren geeignet. In Abhängigkeit von der für die Herstellung des Halbzeugs angewandten Verarbeitungstechnik sind Unterschiede in Bezug auf die physikalischen Eigenschaften der Werkstoffe zu beachten.

Beispiele:

  • Im Spritzgussverfahren gefertigte Teile weisen die grösste Anisotropie auf (die Eigenschaften sind richtungsabhängig).
  • Bei extrudierten Produkten ist hingegen nur ein leichtes anisotropes Verhalten festzustellen.
  • Formgepresste Produkte sind isotrop, d. h. deren Eigenschaften sind in allen Richtungen jeweils gleich.

Bestimmen Sie die Zerspanbarkeit der bisher ausgewählten Werkstoffe.

Die Zerspanbarkeit kann ebenfalls ein Kriterium bei der Materialauswahl sein. Alle auf dieser Website angebotenen Produkte von Quadrant sind zwecks besserer Zerspanbarkeit spannungsfrei. Im Allgemeinen weisen glas- und kohlefaserverstärkte Typen einen deutlich stärkeren Abrieb bei der Bearbeitung mit Werkzeugen auf und sind bei der spanenden Bearbeitung kerbempfindlicher als unverstärkte Kunststofftypen bzw. Typen ohne Füllstoff. Verstärkte Typen erweisen sich in der Regel als stabiler bei der spanenden Bearbeitung.

Aufgrund ihrer extremen Härte kann sich die Fertigung von Teilen aus imidisierten Werkstoffen (Duratron® PAI, Duratron® PI und Duratron® PBI) als schwierig erweisen. Zur spanenden Bearbeitung dieser Werkstoffe sollten daher Werkzeuge aus Hartmetall und polykristallinem Diamant eingesetzt werden. Als grobe Orientierung zur Bewertung der Zerspanbarkeit ist in den Vergleichsdiagrammen für Eigenschaften jeweils ein relativer Wert für die Zerspanbarkeit jedes Werkstoffs angegeben.

Stellen Sie sicher, dass Sie den spezifizierten Werkstoff erhalten.

Die auf dieser Website aufgeführten Eigenschaften gelten nur für Werkstoffe von Quadrant EPP. Vergewissern Sie sich, dass Sie kein minderwertiges Produkt erwerben. Fordern Sie bei der Bestellung gültige Produktzertifizierungen an.

Technische Hinweise:
Alle Werkstoffe weisen inhärente Beschränkungen auf, die bei der Konstruktion von Teilen berücksichtigt werden müssen. Zur Verdeutlichung dieser materialtypischen Einschränkungen sind jedem auf dieser Website beschriebenen Werkstoff technische Anmerkungen beigefügt, in denen auf derartige Merkmale hingewiesen wird.

Wir hoffen, dass unsere offenen und realistischen Angaben zu Stärken und auch Schwächen der Werkstoffe Ihren Auswahlprozess erleichtern. Falls Sie weitere Informationen benötigen, wenden Sie sich an die Abteilung für technischen Kundendienst (Technical Services) von Quadrant EPP.

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