Polyetheretherketon erreicht eine Leistungsstufe, die kein anderes spritzgießfähiges Polymer erreicht – eine Dauerbetriebstemperatur von nahezu 260 °C, ein Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, das dem von Aluminium in nichts nachsteht, Beständigkeit gegen praktisch alle Industriechemikalien mit Ausnahme von konzentrierter Schwefel- und Salpetersäure, eine inhärente Biokompatibilität, die für den langfristigen Einsatz in Implantaten validiert ist, sowie die Fähigkeit, Metall in Präzisionsbauteilen zu ersetzen, die 100 Millionen Ermüdungszyklen ohne messbare Maßänderungen standhalten müssen.
Die Herausforderung besteht nicht darin, einen Grund für die Wahl von PEEK-Kunststoff zu finden. Die Herausforderung besteht vielmehr darin, die Spezifikation korrekt umzusetzen. Beim PEEK-Spritzgießen werden Zylindertemperaturen von 370–420 °C erreicht – höhere Werte, als für die meisten Präzisionsmaschinen vorgesehen sind. Formtemperaturen von 160–200 °C erfordern spezielle Heißöl- oder elektrische Heizsysteme. Das Kristallinitätsmanagement entscheidet darüber, ob ein PEEK-Bauteil seine Nennwerte bei den mechanischen Eigenschaften erreicht oder um 30–40% darunter bleibt. Und die Materialkosten – in der Regel das 30- bis 80-Fache derjenigen von ABS – bedeuten, dass jeder Verarbeitungsfehler teuer zu Buche schlägt.
Dieser Leitfaden behandelt sowohl die Werkstoffkunde als auch die Fertigungstechnik, die erforderlich sind, um PEEK-Kunststoffprojekte zu realisieren, deren Leistung den Spezifikationen entspricht. Er stützt sich auf die Erfahrungen von Dimud bei der Verarbeitung von PEEK für Komponenten von Medizinprodukten, Halbleiter-Handhabungsanlagen, Präzisionslagersitze für die Automobilindustrie und Gelenkkomponenten für die Robotik – und bietet damit die technische Grundlage für Ingenieure, die den Werkstoff verstehen müssen, bevor sie sich für den Einsatz von Werkzeugen entscheiden.
Was ist PEEK-Kunststoff?
PEEK-Kunststoff – Polyetheretherketon – ist ein teilkristalliner Hochleistungs-Thermoplast aus der Familie der Polyaryletherketone (PAEK), der sich durch eine sich wiederholende Einheit aus zwei Etherbindungen (E) und einer Ketongruppe (K) auszeichnet, die aromatische Phenylenringe miteinander verbinden. Dieses Verhältnis von Ether zu Keton von 2:1 ist kein Zufall – es sorgt für das spezifische Gleichgewicht zwischen Kettenflexibilität und Anziehung zwischen den Ketten, das PEEK seine einzigartige Kombination aus Schmelzverarbeitbarkeit, thermischer Stabilität und mechanischer Leistungsfähigkeit verleiht.
Das Polymer wurde erstmals 1978 von ICI (heute Victrex) unter dem Markennamen Victrex® PEEK auf den Markt gebracht und gilt nach wie vor als Maßstab, an dem alle konkurrierenden Hochleistungs-Thermoplaste gemessen werden. Die molekulare Struktur erklärt die Eigenschaften:
Das aromatische Grundgerüst (Phenylenringe in der Hauptkette) sorgen für die thermische Stabilität und Steifigkeit, die die Leistungsgrenze von PEEK bestimmen. Im Gegensatz zu Polymeren mit aliphatischem Grundgerüst (PE, PP, PA), die oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur zunehmend erweichen, schränken die aromatischen Ringe von PEEK die Kettenbeweglichkeit bis zu 143 °C (Tg) ein – und die bei kontrollierter Abkühlung gebildeten teilkristallinen Domänen bewahren die strukturelle Integrität bis auf 30–40 °C nahe dem kristallinen Schmelzpunkt von 343 °C.
Die Ätherverbindungen bietet eine Flexibilität in der Lieferkette, die es ermöglicht, PEEK in Spritzgussanlagen schmelzverarbeitet zu werden (bei einer Zylindertemperatur von 370–420 °C) – ein Vorteil hinsichtlich der Verarbeitbarkeit gegenüber anderen aromatischen Polymeren wie PPS oder PPSU, die strengere Verarbeitungsbedingungen erfordern.
Die Keton-Carbonylgruppen führen zu Dipol-Wechselwirkungen zwischen den Ketten, die zur Verschleißfestigkeit, zu den chemischen Barriereeigenschaften und zum Ermüdungsverhalten von PEEK unter zyklischer Belastung beitragen.
Was PEEK-Kunststoff bietet, was kein anderer spritzgießbarer Thermoplast erreicht:
- Dauerbetriebstemperatur: 240–260 °C (im Vergleich zu 130 °C bei PC, 180 °C bei PA66 und 220 °C bei PPS)
- Zugfestigkeit bei 200 °C: > 100 MPa bei den Kohlefasersorten 30% – eine Leistung, für die Metalle spezielle Legierungen benötigen, um mithalten zu können
- Chemische Beständigkeit: Beständig gegen > 95% aller industriellen Lösungsmittel, Säuren und Laugen; Ausnahmen bilden konzentrierte H₂SO₄ und HNO₃
- Hydrolytische Beständigkeit: Behält seine mechanischen Eigenschaften auch nach tausenden von Stunden ununterbrochenem Eintauchen in Dampf bei 260 °C bei
- Inhärente Biokompatibilität: nicht zytotoxisch, nicht hämolytisch, entspricht ASTM F2026 für chirurgische Implantate
- Röntgentransparenz: Durchlässigkeit für Röntgenstrahlen und MRT – entscheidend für medizinische Anwendungen im Bereich von Implantaten
- Strahlungsbeständigkeit: Behält seine Eigenschaften nach einer Gamma-Sterilisation mit Dosen von bis zu 2.000 kGy bei
Was PEEK-Kunststoff kostet:
- Rohstoff: $80–$400/kg je nach Sorte gegenüber $3–8/kg bei ABS oder PP
- Verarbeitungsanlagen: Zylindertemperaturen von 370–420 °C erfordern modernisierte oder speziell dafür vorgesehene Spritzgießmaschinen
- Formwerkzeuge: Erhöhte Formtemperaturen (160–200 °C) erfordern Heißöl- oder elektrische Heizsysteme, die bei Standardpolymeren nicht zum Einsatz kommen
- Kristallinitätsmanagement: Die Anforderungen an die Prozessdisziplin sind höher als bei jedem anderen kommerziell genutzten thermoplastischen Spritzgusswerkstoff
Unter Dimud, PEEK-Kunststofflösungen kommen nur dort zum Einsatz, wo das Preis-Leistungs-Verhältnis wirklich günstig ist – nämlich dort, wo die Alternative ein Metallbauteil wäre, das zusätzliches Gewicht mit sich bringt, korrodiert oder eine Nachbearbeitung erfordert, oder wo kein anderer Kunststoff den Einsatzbedingungen standhält.
Qualitätsstufen: Ungefüllt, verstärkt und PEEK in Implantatqualität
Unfülltes PEEK (Natur / Standardqualität)
Das Basis-Homopolymer: teilkristallin, von naturheller Bernsteinfarbe, bietet die volle chemische Beständigkeit und Biokompatibilität von PEEK, ohne dass Füllstoffe die mechanischen Eigenschaften beeinflussen. Zu den wichtigsten handelsüblichen Typen gehören Victrex® PEEK 450G (Victrex), KetaSpire® KT-820 (Solvay) und Vestakeep® 4000G (Evonik).
Unfilled PEEK wird in folgenden Fällen vorgeschrieben:
- Die chemische Beständigkeit ist der wichtigste Faktor (Füllstoffe können Wege für das Eindringen von Chemikalien öffnen)
- Eine Zertifizierung der Biokompatibilität ist erforderlich (ungefülltes PEEK in Implantatqualität gemäß ASTM F2026)
- Die elektrische Isolationsleistung muss gewährleistet sein (Kohlefasersorten sind leitfähig)
- Eine optische Prüfung durch das Bauteil hindurch ist erforderlich
Glasfaserverstärktes PEEK (GF-PEEK)
Die kurzen Glasfasern 10–30% erhöhen den Biegemodul um das 2- bis 3-fache und die HDT um 20–30 °C im Vergleich zur ungefüllten Sorte, was jedoch mit einer verminderten chemischen Beständigkeit an den Faser-Matrix-Grenzflächen und einem erhöhten Verschleiß der Schleifwerkzeuge beim Spritzgießen einhergeht:
- 10% GF-PEEK: Leichte Verbesserung der Eigenschaften; gute Ausgewogenheit für Anwendungen im Lebensmittelbereich und in der Halbleiterindustrie
- 30% GF-PEEK: Maximale strukturelle Leistungsfähigkeit ohne die Kosten von Kohlefaser; Standard für Lagersitze im Automobilbau und industrielle Verschleißteile
Kohlefaserverstärktes PEEK (CF-PEEK)
Die kurze Kohlefaser 10–30% bietet die höchste Steifigkeit und Festigkeit, die bei einem spritzgießfähigen Thermoplasten überhaupt erhältlich ist:
| Note | Zugfestigkeit | Biegemodul | HDT | Besondere Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| 10% CF-PEEK | 175–200 MPa | 14.000–17.000 MPa | 310 °C+ | Elektrisch leitfähig |
| 30% CF-PEEK | 210–240 MPa | 18.000–22.000 MPa | 315 °C+ | Stufe „Metallersatz“ |
CF-PEEK ist der Werkstoff der Wahl für Strukturhalterungen in der Luft- und Raumfahrt, Gelenkkomponenten für Roboter sowie für alle Anwendungen, bei denen ein maximales Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis das Konstruktionsziel ist. Aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit ist CF-PEEK zwar für elektrische Isolationsanwendungen ungeeignet, ermöglicht jedoch den Einsatz als ESD-ableitendes Material bei der Handhabung von Halbleitern.
Verschleißfester PEEK (PTFE/Graphit/CF-Hybrid)
Entwickelt mit PTFE (10–15%), Graphit (10%) und Kohlefaser (10%) für selbstschmierende Verschleißanwendungen – Lagerflächen, Dichtungsringe, Kolbenkomponenten und alle Anwendungen mit Gleitkontakt, bei denen Trockenschmierung erforderlich ist:
- PV-Grenzwert (Druck × Geschwindigkeit): 2–5-mal höher als bei ungefülltem PEEK
- Dynamischer Reibungskoeffizient: 0,10–0,20 (im Vergleich zu 0,35–0,45 bei ungefülltem PEEK)
- Verschleißrate: 10–50-mal geringer als bei ungefülltem PEEK unter gleichen PV-Bedingungen
PEEK in Verschleißqualität ist bei Dimud die vorherrschende Spezifikation für Pumpenkomponenten, Ventilsitze in Kompressoren und Buchsen für medizinische Instrumente.
PEEK in Implantatqualität
Die strengste Qualitätsklasse. PEEK in Implantatqualität erfüllt:
- ASTM F2026: Norm für PEEK-Polymere für chirurgische Implantate – Reinheitskriterien, Mindestmolekulargewichte, Grenzwerte für mechanische Eigenschaften
- ISO 10993: Biologische Bewertung von Medizinprodukten – umfassende Biokompatibilitätsreihe
- USP-Klasse VI: Systematischer Injektionstest, intrakutane Reaktivität, Implantationstest
- Ausschließlich Reinzellstoff; keine Farbstoffe, Füllstoffe oder Verarbeitungshilfsmittel, die nicht in der Spezifikation aufgeführt sind
Zu den handelsüblichen Implantatqualitäten gehören Victrex® PEEK-OPTIMA® und Invibio® Biomaterial-Lösungen Produkte – getrennte Produktionsumgebungen, Rückverfolgbarkeit der Chargen von der Monomersynthese bis zum fertigen Granulat sowie Konformitätsbescheinigungen gemäß ASTM F2026 als Standarddokumente in der Lieferkette.
Weitere spezielle PEEK-Typen
| Note | Änderung | Wichtigster Vorteil | Anwendung |
|---|---|---|---|
| ESD/leitfähiges PEEK | Ruß oder CF | Ableitung statischer Elektrizität | Halbleiterwafer-Trays, IC-Testfassungen |
| PEEK für hohe Durchflussraten | Geringere MW | Formbarkeit dünnwandiger Teile | Miniatursteckverbinder, Präzisionsinstrumente |
| PEEK/PTFE-Compound | PTFE-Mischung | Verbesserte Chemikalienbeständigkeit + Gleitfähigkeit | Komponenten für Chemiepumpen |
| Mit Keramik gefülltes PEEK | ZrO₂ oder TiO₂ | Röntgenopazität (Knochen-ähnliche Opazität) | Abutments für Zahnimplantate |
| PEEK für den Kontakt mit Lebensmitteln | Zertifiziert gemäß FDA/EU 10/2011 | Lebensmittelsicherheit | Komponenten für Anlagen zur Lebensmittelverarbeitung |
Wichtige physikalische und mechanische Eigenschaften
| Eigentum | Ungefülltes PEEK | 30% GF-PEEK | 30% CF-PEEK | PEEK für Verschleißanwendungen | Prüfnorm |
|---|---|---|---|---|---|
| Dichte | 1,30–1,32 g/cm³ | 1,49–1,54 g/cm³ | 1,40–1,44 g/cm³ | 1,32–1,40 g/cm³ | ISO 1183 |
| Zugfestigkeit (23 °C) | 100–110 MPa | 160–190 MPa | 210–240 MPa | 90–120 MPa | ISO 527 |
| Zugfestigkeit (200 °C) | 50–60 MPa | 90–110 MPa | 120–150 MPa | 45–60 MPa | ISO 527 |
| Biegemodul | 3.600–4.100 MPa | 10.000–13.000 MPa | 18.000–22.000 MPa | 3.200–4.000 MPa | ISO 178 |
| Izod-Schlagzähigkeit mit Kerbe | 50–85 J/m | 60–90 J/m | 50–80 J/m | 40–70 J/m | ISO 180 |
| Wärmeformbeständigkeitstemperatur (1,82 MPa) | 152–160 °C | 280–300 °C | 305–315 °C | 150–158 °C | ISO 75 |
| Dauerbetriebstemperatur | 240–260 °C | 240–260 °C | 240–260 °C | 240–260 °C | UL 746B |
| Glasübergangstemperatur (Tg) | 143 °C | 145 °C | 145 °C | 140–143 °C | DSC |
| Schmelzpunkt (Tm) | 343 °C | 343 °C | 343 °C | 340–343 °C | DSC |
| Formschrumpfung (Fließverhalten) | 1,2–1,8 % | 0,5–1,0 % | 0,4–0,8 % | 1,0–1,5 % | ISO 294-4 |
| Wasseraufnahme (23 °C, gesättigt) | 0.50 % | 0.30 % | 0.20 % | 0.30 % | ISO 62 |
| Chemische Beständigkeit | Außergewöhnlich | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Außergewöhnlich | — |
| Entflammbarkeit | UL 94 V-0 | UL 94 V-0 | UL 94 V-0 | UL 94 V-0 | UL 94 |
| Grenzsauerstoffindex | 35 % | 40 % | 43 % | 35 % | ISO 4589 |
| Durchschlagfestigkeit | 19–24 kV/mm | 16–20 kV/mm | Leitfähig | 18–22 kV/mm | IEC 60243 |
| Biokompatibilität | ASTM F2026 / ISO 10993 | Limited (Lückenfüller) | Limited (CF) | Begrenzt | — |
| Strahlungsbeständigkeit (Gamma) | Ausgezeichnet (bis 2.000 kGy) | Gut | Gut | Gut | — |
Dimud-Technischer Hinweis – Der Metallersatzschwellenwert für 30% CF-PEEK
Mit einem Biegemodul von 18.000–22.000 MPa und einer Zugfestigkeit von 210–240 MPa liegt 30% CF-PEEK im Leistungsbereich der Aluminiumlegierung 6061-T6 (Biegemodul ~69.000 MPa; Zugfestigkeit 276 MPa) bei etwa 55% der Dichte. Bei Bauteilen, bei denen die Steifigkeit proportional zur dritten Potenz der Dicke ist (wie bei biegebeanspruchten Strukturelementen), lässt sich durch die Konstruktion aus CF-PEEK mit entsprechender Geometrieoptimierung häufig eine gleichwertige oder höhere Bauteilsteifigkeit im Vergleich zu Aluminium bei einer Massenreduzierung von 30–50% erzielen. Bei Dimud wird die Machbarkeit des Metallersatzes durch CF-PEEK bereits in der DFM-Phase (Design for Manufacturing) mithilfe der FEA (Finite-Elemente-Analyse) als Standardleistung für strukturelle PEEK-Programme bewertet.
PEEK-Spritzguss: Prozessparameter und kritische Kontrollpunkte
Das PEEK-Spritzgießen gehört zu den technisch anspruchsvollsten Standard-Spritzgießverfahren, die kommerziell angewendet werden. Die erforderlichen Zylindertemperaturen (370–420 °C) übersteigen die Verarbeitungstemperatur praktisch aller anderen handelsüblichen Thermoplaste und stoßen an die thermischen Grenzen herkömmlicher Spritzgießanlagen. Formtemperaturen von 160–200 °C erfordern Heizsysteme, die über die übliche Wasserkühlungsinfrastruktur hinausgehen. Und das teilkristalline Erstarrungsverhalten von PEEK bedeutet, dass die Kristallinität – und damit die mechanischen Eigenschaften – direkt von der thermischen Geschichte bestimmt werden, die das Bauteil während und unmittelbar nach dem Spritzgießen durchläuft.
Anforderungen an die Maschinen für den PEEK-Spritzguss
Vor der Festlegung der Prozessparameter ist die Maschinenqualifizierung die Voraussetzung:
- Zylinder und Schnecke: Bimetall-Zylinder mit korrosions- und verschleißfester Auskleidung (PEEK wirkt bei 400 °C aggressiv); Schnecke mit kontrolliertem Kompressionsverhältnis (empfohlen: 2,0–2,5:1); Schneckendurchmesser ausgelegt für den Einsatz mit einem Zylinder vom Typ ≥ 25%, um die Verweilzeit zu minimieren
- Maximale Temperaturbeständigkeit des Laufs: Mindestens 420–450 °C; Standardmaschinen, die für 380 °C ausgelegt sind, reichen für PEEK nicht aus
- Düse: gehärtet und isoliert; Design mit offener Spitze (die umgekehrte Verjüngung führt zur Ansammlung von Kaltmetall, was schwarze Flecken in PEEK-Teilen verursacht)
- Klemmkraft: 0,4–0,6 T/cm² projizierte Fläche (vergleichbar mit handelsüblichen technischen Kunststoffen)
- Temperaturregler für Spritzgussformen: Heißöl- oder elektrische Heizpatronenregler mit einem Temperaturbereich von 160–200 °C; herkömmliche Wasserkühler können den erforderlichen Formtemperaturbereich nicht erreichen
Trocknungsprotokoll
Die Wasseraufnahme von PEEK (0,50%-Sättigung) ist moderat, doch bei einer Zylindertemperatur von 370–420 °C führt jegliche Restfeuchte zu einer hydrolytischen Kettenspaltung, die das Molekulargewicht und die mechanischen Eigenschaften dauerhaft beeinträchtigt:
| Parameter | Ungefülltes PEEK | GF/CF-PEEK | PEEK in Implantatqualität |
|---|---|---|---|
| Trocknertyp | Entfeuchtungstrichter (Taupunkt ≤ −40 °C) | Dasselbe | Ebenso; eigener Trockner |
| Temperatur | 150–160 °C | 150–160 °C | 150 °C |
| Dauer | Mindestens 4–6 Stunden | 4–6 Stunden | 5–8 Stunden |
| Zielfeuchte | < 0,02 % | < 0,02 % | < 0,02 % |
| Überprüfung | Karl-Fischer-Titration | Karl Fischer | Karl Fischer (obligatorisch) |
| Maximaler Nachschliff | 10, maximal % | 5 % maximal | 0 % (ausschließlich Jungfrauen, auf jeden Fall) |
Zylinder- und Schmelztemperatur
| Zone | Ungefülltes PEEK | 30% GF-PEEK | 30% CF-PEEK | Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|
| Rückseite (Eingabe) | 340–360 °C | 350–370 °C | 355–375 °C | Kontrollierter Einlass; kalte Pfropfen vermeiden |
| Mittel (Kompression) | 360–390 °C | 375–400 °C | 375–405 °C | Primäre Schmelzzone |
| Vorderseite (Messung) | 375–400 °C | 385–415 °C | 390–415 °C | Endschmelztemperatur |
| Düse | 370–395 °C | 380–405 °C | 380–405 °C | Offene Spitze; isoliert; Kältebrücke vermeiden |
Obergrenze für den Abbau: PEEK beginnt sich bei Temperaturen über 420–430 °C zu zersetzen, was zu Verfärbungen und einer Verringerung des Molekulargewichts führt. Bei Dimud wird die Zylindertemperatur bei der Maschinenqualifizierung mit einem kalibrierten Thermoelement überprüft, wobei eine Toleranz von ±5 °C als Produktionsstandard gilt. Die Verweilzeit wird für jede PEEK-Maschinenkonfiguration berechnet und dokumentiert – bei Produktionsunterbrechungen sind Spülprotokolle mit kurzer Verweilzeit zwingend vorgeschrieben.
Formtemperatur – Der entscheidende Faktor für die Kristallinität
Formtemperatur beim PEEK-Spritzgießen: 160–200 °C
Dies ist der Prozessparameter mit dem größten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von PEEK. Ausführliche Informationen zum Kristallinitätsmanagement finden Sie in Abschnitt 6. Die Auswirkungen lassen sich kurz wie folgt zusammenfassen:
- Formtemperatur < 160 °C: Amorphes oder gering kristallines PEEK; die HDT sinkt von 152 °C auf < 50 °C; Festigkeit, Elastizitätsmodul und chemische Beständigkeit sind im Vergleich zu optimal kristallisierten Bauteilen um 20–40% geringer
- Formtemperatur 160–180 °C: Zielbereich für die Kristallinität von technischen PEEK-Typen (30–35%) bei den meisten ungefüllten und verstärkten PEEK-Typen
- Formtemperatur 180–200 °C: Maximale Kristallinitätsentwicklung; für anspruchsvolle Anwendungen mit Dauerbetrieb bei > 200 °C
Um eine gleichmäßige Formtemperatur von 160–200 °C zu erreichen, ist Folgendes erforderlich: spezielle Temperaturregler für Heißöl (keine Wassereinheiten). Die PEEK-Programme von Dimud verwenden standardmäßig ölgekühlte Temperaturregler mit einer Genauigkeit von ±3 °C.
Einspritzgeschwindigkeit und -druck
- Einspritzdruck: 100–160 MPa für ungefülltes PEEK; 130–180 MPa für 30% CF-PEEK (höchster Einpressdruck unter den handelsüblichen Thermoplasten)
- Halte-Druck: 60–80% des Einspritzdrucks; eine verlängerte Haltezeit ist entscheidend für die Maßhaltigkeit
- Gegendruck: 5–10 MPa — sehr gering; PEEK bei 400 °C reagiert empfindlich auf Scherwärmung durch Gegendruck
- Einspritzgeschwindigkeit: Mäßig bis langsam — Eine schnelle Einspritzung von PEEK führt zu übermäßiger Scherbeanspruchung am Anguss, was zu einer Schwächung der Schweißnaht und zu Verfärbungen der Oberfläche führt; bei Präzisionsbauteilen beträgt die Füllzeit typischerweise 3–10 Sekunden
Glühen nach dem Formen
Bei Anwendungen, bei denen maximale Kristallinität, Dimensionsstabilität oder thermische Eigenschaften erforderlich sind, ist das Glühen nach dem Formen gängige Praxis:
- Temperatur: 200–220 °C in einem Umluftofen (oberhalb von Tg, aber deutlich unterhalb von Tm)
- Dauer: 2–4 Stunden für Standardteile; 4–8 Stunden für dickwandige Teile oder Präzisionslagerkomponenten
- Spannvorrichtungen: Die Teile werden in Präzisionsspannvorrichtungen geglüht, um Verformungen während des Kristallisationsvorgangs zu verhindern.
- Ergebnis: Die Kristallinität steigt von 30–35% (im Formzustand) auf 38–45% (nach dem Glühen); die HDT verbessert sich um 10–20 °C; die Maßschrumpfung ist abgeschlossen, wodurch die Maßabweichungen nach der Montage verringert werden
Häufige Mängel und Abhilfemaßnahmen
| Defekt | Grundlegende Ursache | Korrekturmaßnahme |
|---|---|---|
| Schwarze Flecken / Verunreinigungen | Abgebautes Material in den toten Zonen der Fässer | Gründlich spülen; Düsenspitze prüfen; Kaltstück beseitigen |
| Gelb-braune Verfärbung | Überhitzung des Zylinders; lange Verweilzeit | Temperatur senken; Spülen; Zylindergröße an das Schussvolumen anpassen |
| Geringe mechanische Eigenschaften | Geringe Kristallinität aufgrund unzureichender Formtemperatur | Die Formtemperatur auf 160 °C+ erhöhen; den Temperaturregler überprüfen |
| Verzug (flache Teile) | Ungleichmäßige Abkühlung; unterschiedliche Kristallinität | Ausgleichskühlung; gleichmäßige Wandstärke; Glühen in der Halterung |
| Kurzer Schlag | Hohe Viskosität; unzureichender Druck/unzureichende Temperatur | Zylindertemperatur erhöhen; Einspritzdruck erhöhen; Anguss vergrößern |
| Einfallstellen | Dicke Abschnitte; unzureichender Halt | Dicke Stellen aushöhlen; Einwirkzeit verlängern |
| Schweißnähte (schwach) | Niedrige Schmelztemperatur; mehrere Angussstellen | Schmelztemperatur erhöhen; Anguss konsolidieren; Formtemperatur erhöhen |
| Feuchtigkeitsbedingte Spreizung | Unzureichende Trocknung | Trocknung verlängern; Karl-Fischer-Wert überprüfen; Dichtheit des Trichters prüfen |
Überlegungen zur Formgestaltung von PEEK-Kunststoffbauteilen
Das Spritzgießen von PEEK stellt die höchsten Anforderungen an die Formgestaltung aller handelsüblichen Thermoplaste – Betrieb bei erhöhten Temperaturen (160–200 °C), hohe Einspritzdrücke (bis zu 180 MPa) und die abriebfesten PEEK-Typen erfordern in ihrer Kombination eine Stahlauswahl, eine Auslegung des Heizsystems und eine Angussgestaltung, die sich grundlegend von denen bei ABS- oder PA-Werkzeugen unterscheiden.
Stahlauswahl
| Stahl | Anwendung | Ein Leben voller Schüsse | Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| H13 gehärtet (50–54 HRC) | Standard-PEEK ohne Füllstoff; GF-PEEK | 300.000–500.000 | Für PEEK zulässiger Mindestwert; Überwachung des Angussverschleißes erforderlich |
| S7-Werkzeugstahl (lufthärtend) | PEEK-Programme mit hoher Schlagzähigkeit | 400.000–600.000 | Bessere thermische Ermüdungsbeständigkeit bei erhöhten Formtemperaturen |
| D2 (62–64 HRC) | CF-PEEK- und Verschleißschutz-Programme | 400.000–700.000 | Hohe Verschleißfestigkeit bei abrasiven CF-Sorten |
| H13 + PVD-Beschichtung (TiN/TiAlN) | CF-PEEK-Großserienprogramme | 600.000–1.000.000 | PVD-Beschichtung unerlässlich für Gate-Einsätze aus CF-PEEK |
P20 ist unter keinen Umständen für PEEK-Programme zulässig. Die Verarbeitungstemperatur von PEEK (370–420 °C) führt dazu, dass P20 bei der Betriebstemperatur der Form (160–200 °C) an Härte verliert, was innerhalb der ersten 50.000 Schuss zu einem raschen Verschleiß der Trennfuge, zur Bildung von Grat und zu Maßabweichungen führt.
Auslegung von Heizungsanlagen
Um eine gleichmäßige Formtemperatur von 160–200 °C zu erreichen, ist ein integriertes Heizsystem erforderlich:
- Heißölkanäle: Primäre Heizmethode; Öltemperaturregler bei 170–210 °C, Zufuhrkanäle mit einem Durchmesser von 10–12 mm, im Abstand von 25–35 mm zur Formhohlraumoberfläche
- Heizpatronen: Alternative Option für kompakte Werkzeuge oder zur lokalen Temperaturerhöhung in Bereichen, in denen keine Ölkanäle verlegt werden können
- Dämmplatten: Wärmedämmplatten zwischen Form und Pressplatte sind zwingend erforderlich, um Wärmeverluste an die Maschine zu verhindern – ohne Dämmung erfordert die Aufrechterhaltung einer Formtemperatur von 180 °C eine übermäßige Heizleistung und führt zu einer ungleichmäßigen Oberflächentemperatur.
Die PEEK-Werkzeugkonstruktionen von Dimud umfassen eine thermische FEA-Simulation des Heizsystems vor der Fertigung, um eine Temperaturgleichmäßigkeit von ±5 °C über die gesamte Formhohlraumoberfläche hinweg zu gewährleisten – eine Anforderung, die direkt die Gleichmäßigkeit der Kristallinität und die mechanische Konsistenz von Teil zu Teil bestimmt.
Torentwurf
Die hohe Viskosität von PEEK unter Einspritzbedingungen und seine Anfälligkeit für Scherabbau im Angussbereich erfordern eine sorgfältige Dimensionierung des Angusses:
- Direkte (Anguss-)Angüsse: Bevorzugt für PEEK-Teile mit einer einzigen Formkammer, bei denen die Angussgröße maximiert werden kann; minimale Scherkräfte, maximale Packungsdichte
- Rand- und Fan-Gates: Wird für flache PEEK-Bauteile verwendet; die Angusswandstärke muss mindestens 80% betragen, um ein Abkühlen während der verlängerten Nachhaltezeit zu verhindern
- Heißkanal-Nadelverschlüsse: Empfohlen für PEEK-Programme mit mehreren Kavitäten – macht Kaltkanäle überflüssig, ermöglicht eine präzise Ventilsteuerung zur Regelung der Fülldynamik und verhindert eine Verunreinigung durch Kaltkanal-Abfälle. Der Heißkanalverteiler muss für den Betrieb bei 420 °C ausgelegt sein und über PEEK-kompatible Dichtungsmaterialien verfügen.
- Gate-Land: maximal 0,5 mm für ungefülltes PEEK; 0,3 mm für GF- und CF-Typen
Auswurfsystem
Die hohe Steifigkeit von PEEK und die erhöhten Verarbeitungstemperaturen stellen besondere Anforderungen an den Auswurf:
- Großzügige Entformungswinkel (1,5°–3° pro Seite) – Der hohe Elastizitätsmodul von PEEK und die thermische Kontraktion bei einer Formtemperatur von 180 °C auf den Kern führen zu hohen Auswurfkräften
- Für zylindrische und rohrförmige PEEK-Teile werden vorzugsweise Klingen- oder Hülsenauswerfer verwendet
- Im DFM-Stadium mittels FEA berechnete Auswurfkraft für komplexe PEEK-Geometrien
- Für PEEK-Teile mit engen Ebenheitstoleranzen wird eine Nachformspannung empfohlen
Steuerung der Kristallinität: Der Eigenschaftsmultiplikator in PEEK-Programmen
Das Kristallinitätsmanagement beim PEEK-Spritzgießen ist keine Feinabstimmung – es ist die grundlegende Voraussetzung, die darüber entscheidet, ob ein PEEK-Bauteil seine Nennleistung erbringt oder seine Materialkosten nicht rechtfertigt. Ingenieure, die noch keine Erfahrung mit PEEK haben und es wie ein gewöhnliches amorphes Polymer behandeln – indem sie es bei niedrigen Formtemperaturen für schnelle Zyklen verarbeiten –, produzieren immer wieder Teile, die hinter den Erwartungen zurückbleiben.
Was die Kristallinität bei PEEK-Bauteilen bestimmt
| Eigentum | Amorphes PEEK (Kristallinität < 5%) | Halbkristallines PEEK (30–35%) | PEEK mit hoher Kristallinität (40–45%) |
|---|---|---|---|
| HDT (1,82 MPa) | < 50 °C | 152–160 °C | 155–165 °C |
| Zugfestigkeit | 80–90 MPa | 100–110 MPa | 105–115 MPa |
| Chemikalienbeständigkeit | Deutlich reduziert | Nennwiderstand (voll) | Vollständig + leichte Verbesserung |
| Formstabilität | Schlecht (Kriechen oberhalb von Tg) | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet |
| Optisches Erscheinungsbild | Transparent / bernsteinfarben-klar | Undurchsichtiges Weiß/Beige | Deckendes Weiß |
Der kritische Ausfallmodus: Ein Ingenieur formt PEEK bei niedriger Formtemperatur (80 °C), um eine kurze Zykluszeit zu erreichen. Das Bauteil besteht die anfängliche Maßprüfung. Es besteht die mechanische Prüfung bei Raumtemperatur. Es wird bei 120 °C in Betrieb genommen – was deutlich innerhalb der Nenn-Dauertemperatur von PEEK liegt. Das Bauteil kriecht, verformt sich und versagt innerhalb von 100 Betriebsstunden. Ursache: Die niedrige Formtemperatur führte zu amorphem PEEK mit einer HDT unter 50 °C, statt der 152 °C, die bei korrekt kristallisiertem Material zu erwarten wären.
Der Zusammenhang zwischen Formtemperatur und Kristallinität
| Temperatur der Form | Resultierende Kristallinität | Praktische Konsequenz |
|---|---|---|
| 40–80 °C (Wasserkühlung) | 2–8% (amorph) | Transparent; HDT < 50 °C; für alle technischen Anwendungen ungeeignet |
| 80–120 °C | 10–20% (auszugsweise) | Trüb; schwankende Eigenschaften; für technische Anwendungen ungeeignet |
| 120–150 °C | 20–28% | Nähert sich dem Ziel an; für anspruchsvolle Anwendungen nur bedingt geeignet |
| 160–180 °C (Sollwert) | 30–35% | Vollständige mechanische Eigenschaften; Nenn-HDT erreicht |
| 180–200 °C | 35–45% | Höchste Leistungsmerkmale; Einsatz in Programmen mit höchsten Anforderungen |
Protokoll für das Glühen nach dem Formen
Dimuds Standardverfahren für das Glühen nach dem Formpressen bei Präzisions-PEEK-Projekten:
- Auswurf bei Formtemperatur: Die Teile werden bei 160–180 °C ausgeworfen und sofort in auf 200 °C vorgeheizte Halterungen gelegt
- Glühofen: Umluftbackofen bei 200–220 °C; Temperaturüberprüfung mit kalibrierten Fühlern; Teile in spannungsfreier Lage gelagert
- Dauer: Mindestens 2 Stunden bei einer Wandstärke von ≤ 3 mm; 4 Stunden bei 3–8 mm; 6+ Stunden bei > 8 mm
- Kontrollierte Abkühlung: Abkühlung des Ofens mit maximal 2 °C/Minute auf 80 °C vor dem Entnehmen – verhindert thermoschockbedingte Kristallrisse in dicken Abschnitten
- Maßprüfung: CMM-Prüfung nach dem Abkühlen des Glühvorgangs, um sicherzustellen, dass der Schrumpfvorgang abgeschlossen ist, bevor weitere Bearbeitungsschritte durchgeführt werden
Ersatz von Metall durch PEEK-Kunststoff
Der Ersatz von Metall ist einer der wichtigsten kommerziellen Treiber für PEEK-Kunststoffprogramme – und eines der technisch und wirtschaftlich überzeugendsten Wertversprechen in der Präzisionsfertigung. Für Ingenieure, die dieses Material bewerten, ist es entscheidend zu verstehen, in welchen Bereichen PEEK im Wettbewerb um den Metallersatz überzeugt und in welchen nicht.
Wo PEEK Metall übertrifft
| Anwendungsparameter | Stahl / Edelstahl | Aluminium 6061 | 30% CF-PEEK |
|---|---|---|---|
| Dichte | 7,8–8,0 g/cm³ | 2,70 g/cm³ | 1,40–1,44 g/cm³ |
| Spezifische Festigkeit | Niedrig | Mittel | Hoch |
| Korrosionsbeständigkeit | Nur Edelstahl | Gut | Außergewöhnlich |
| Elektrische Isolierung | Keine | Keine | Voll (CF-Qualitäten, leitfähig) |
| Magnetische Störungen | Bedeutend | Minimal | Keine |
| MRT-Kompatibilität | Inkompatibel | Inkompatibel | Vollständig kompatibel |
| Kosten für die Nachbearbeitung | Hoch | Mittel | Reduziert (Nettoform-Gussverfahren) |
| Gewichtsreduzierung im Vergleich zu Stahl | — | 65% | 82% |
| Gewichtsreduzierung im Vergleich zu Aluminium | — | — | 47% |
PEEK setzt sich in der Debatte um den Ersatz von Metall durch, wenn: Korrosionsbeständigkeit ist ohne Beschichtung erforderlich; elektrische oder magnetische Isolierung muss in das Bauteil integriert sein; MRT-Kompatibilität ist vorgeschrieben; die Bauteilgeometrie rechtfertigt den Einsatz des Spritzgussverfahrens aus wirtschaftlichen Gründen (> 500 Stück pro Jahr); und die Gewichtsreduzierung ist ein Konstruktionsziel.
Metall ist nach wie vor die bessere Wahl, wenn: die Betriebstemperaturen 260 °C überschreiten; die Druckbelastung die Druckfestigkeit von PEEK übersteigt (> 120–170 MPa); die Aufnahme von Schlagenergie metallische Duktilität erfordert; oder das Produktionsvolumen zu gering ist, um die Werkzeugkosten für PEEK zu amortisieren.
Vorteil der Net-Shape-Technologie
Im Gegensatz zu Metallkomponenten, die eine aufwendige CNC-Bearbeitung aus Rohlingen oder Schmiedeteilen erfordern, werden beim PEEK-Spritzguss Bauteile in nahezu endgestalteter Form in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt – wodurch die Bearbeitungskosten, der Materialabfall und die Vorlaufzeit entfallen, die für die Herstellung von Metallteilen mit komplexen Geometrien charakteristisch sind. Bei präzisen PEEK-Lagerkäfigen, Laufradkomponenten und Verteilergehäusen rechtfertigt der Vorteil der Formgenauigkeit gegenüber bearbeiteten PEEK- oder Metallteilen häufig die Investition in das Werkzeug bei Produktionsmengen von mehr als 200–500 Einheiten pro Jahr.
Anwendungen in der Industrie
Medizinische Geräte und implantierbare Geräte
Der medizinische Bereich ist das Anwendungsgebiet, in dem die Kombination aus Biokompatibilität, Röntgentransparenz und einem an den Knochen angepassten Elastizitätsmodul des PEEK-Kunststoffs ein Leistungsprofil schafft, das kein Metall und keine Keramik gleichzeitig erreichen kann. Dimud fertigt implantatnahe PEEK-Komponenten unter ISO 13485-konformen Qualitätsmanagementsystemen mit lückenloser Rückverfolgbarkeit des Materials von der Harzcharge bis zum fertigen Bauteil.
Wirbelsäulenkäfig-Implantate und Knochenfixierungskomponenten (PEEK in Implantatqualität): Der Elastizitätsmodul von PEEK (3.600–4.100 MPa bei ungefüllten Typen) liegt sehr nahe am Wert von Kortikalknochen (im Bereich von 7.000–25.000 MPa) – deutlich näher als bei Titan (110.000 MPa) oder Edelstahl (200.000 MPa). Diese Übereinstimmung der Elastizitätsmodule verringert den Stress-Shielding-Effekt, der zu Knochenresorption im Bereich von Metallimplantaten führt. In Verbindung mit der MRT- und CT-Kompatibilität von PEEK (die Röntgentransparenz ermöglicht eine artefaktfreie Darstellung der Implantationsstelle) hat sich PEEK in Implantatqualität weltweit zum dominierenden Werkstoff für Wirbelsäulen-Interkorpus-Fusionskäfige, Frakturfixierungsplatten und orthopädische Rekonstruktionskomponenten entwickelt.
Gehäuse für chirurgische Instrumente und wiederverwendbare Geräteteile (Standard-PEEK): Die Eignung von PEEK für die Dampfautoklavierung (121–134 °C, wiederholte Zyklen), die Gamma-Sterilisation (bis zu 25 kGy) sowie der EO-Sterilisation – in Verbindung mit der chemischen Beständigkeit gegenüber allen gängigen chirurgischen Desinfektionsmitteln – macht PEEK zum Maßstab für wiederverwendbare Griffe von chirurgischen Instrumenten, Endoskopkomponenten und Führungselementen von Präzisionsinstrumenten.
Lager und Verschleißteile für Diagnosegeräte (PEEK in Verschleißqualität): Lagerflächen mit hoher Zyklenbelastung in diagnostischen Bildgebungsgeräten (CT-Gantry-Lager, Antriebskomponenten von MRT-Tischen), bei denen die Selbstschmierung von PEEK, die Verschleißfestigkeit im Dauerbetrieb und die MRT-Kompatibilität zusammen eine Materialanforderung erfüllen, der geschmierte Metalllager in Reinraumumgebungen nicht gerecht werden können.
Unser Spritzguss für Medizin und Gesundheitswesen Unsere Kapazitäten unterstützen medizinische PEEK-Programme durch spezielle Produktionszellen, Reinraum-Fertigungsprotokolle und eine vollständige behördliche Dokumentation.
Halbleiter und Elektronik
Komponenten für die Waferhandhabung und Prozessanlagen (ungefüllt und ESD-PEEK): PEEK-Kunststoff ist das vorherrschende Material für Halteringe für Halbleiterwafer, Kontaktkomponenten für Endeffektoren und Komponenten für Prozesskammern in der Front-End-Halbleiterfertigung. Anforderungen, die die PEEK-Spezifikation bestimmen: keine ionische Verunreinigung in hochreinen Prozessumgebungen, Dimensionsstabilität bei wiederholten Temperaturwechseln zwischen Raumtemperatur und Prozesstemperaturen von 200 °C, chemische Beständigkeit gegenüber Prozesschemikalien (HF, H₂SO₄, H₂O₂) sowie geringe Ausgasung bei erhöhten Temperaturen.
IC-Teststeckereinsätze und Komponenten für Burn-in-Platinen (ungefülltes PEEK): Die Kombination aus Dimensionsstabilität bei Burn-in-Temperaturen von 150–175 °C, elektrischer Isolierung über den gesamten Frequenzbereich der Hochgeschwindigkeits-IC-Prüfung sowie Beständigkeit gegenüber Reinigungslösungsmitteln macht PEEK zum Standardwerkstoff für Isolatoren in Präzisions-Testsockeln, Trägerplatten für Burn-in-Tests und Einsätze für Handhabungsschalen in der Halbleiterverpackung.
Isolationskomponenten für Hochspannungssteckverbinder (ungefüllt und GF-PEEK): Leistungselektronik, die bei Spannungen über 1.000 V betrieben wird, erfordert Isoliermaterialien für Steckverbinder, die eine Durchschlagfestigkeit (19–24 kV/mm bei ungefülltem PEEK) und Maßhaltigkeit bei Dauerbetriebstemperaturen über 150 °C gewährleistet – eine Leistungsfähigkeit, die die meisten technischen Thermoplaste ausschließt und PEEK-Kunststoff zur praktischen Standardlösung in der Hochleistungs-Industrie- und Elektrofahrzeug-Leistungselektronik macht.
Unsere gesamten Fertigungskapazitäten im Halbleiterbereich finden Sie unter Seite zur Elektronik- und Halbleiterindustrie.
Automobilindustrie
Getriebe- und Motorkomponenten (30% GF/CF-PEEK): Zahnradelemente, Lagerkäfige, Pumpenlaufräder und Ventilsitze in Getriebesystemen für Kraftfahrzeuge. Die Dauerbetriebstemperatur von PEEK von 240–260 °C ermöglicht den Einsatz im direkten Kontakt mit Getriebeöl bei Betriebstemperaturen (typischerweise 140–160 °C) und bei kurzzeitigen Temperaturspitzen, wodurch gesinterte Metallkomponenten bei gleicher struktureller Leistungsfähigkeit durch eine Gewichtsreduzierung von 50–60% ersetzt werden können.
Isolationskomponenten für Elektrofahrzeug-Antriebsstränge (ungefüllt und GF-PEEK): Hochspannungs-Sammelschienenisolatoren, Komponenten für Motorschlitzauskleidungen und Isolationskonstruktionen für Wechselrichter in Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen. Die Kombination aus Durchschlagfestigkeit (19–24 kV/mm), Dauerbetriebstemperatur (240 °C, geeignet für Hot-Spot-Temperaturen im Motor) und chemischer Beständigkeit gegenüber Abgasen bei thermischem Durchgehen in batterienahen Umgebungen macht PEEK zur ersten Wahl für die Leistungselektronik der nächsten Generation in Elektrofahrzeugen.
Präzisionskomponenten für Kraftstoffsysteme (chemikalienbeständiges PEEK): Komponenten der Kraftstoffpumpe, Isolatoren für Einspritzdüsen und Kraftstofffiltergehäuse in Motoren mit Direkteinspritzung. PEEK ist beständig gegen alle Kraftstoffarten, einschließlich E10/E85-Ethanolgemische und Biodieselformulierungen, die viele technische Kunststoffe im Laufe der 10-jährigen Lebensdauer eines Fahrzeugs zersetzen.
Robotik und Energiespeicherung
Gelenklager und Buchsen für Roboter (verschleißfeste PEEK-Ausführung): Selbstschmierende PEEK-Lagerbuchsen in Robotergelenkbaugruppen ersetzen ölgeschmierte Metalllager in kollaborativen Robotern, die in der Lebensmittelverarbeitung, in Reinräumen und im Außenbereich eingesetzt werden, wo eine Schmierwartung nicht praktikabel ist. Der dynamische Reibungskoeffizient (0,10–0,20) und die PV-Grenze von PEEK in Verschleißqualität ermöglichen eine Trockenlauf-Lebensdauer von mehr als 10.000 Betriebsstunden in Gelenkkonstruktionen mit mäßiger Belastung.
Halterungen für Roboterarme (30% CF-PEEK): Strukturbauteile aus Kohlefaser-PEEK in Roboter-Gelenkbaugruppen, bei denen das Konstruktionsziel ein maximales Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis für servogesteuerte Achsen mit schneller Beschleunigung ist. CF-PEEK-Gelenkabdeckungen und -Halterungen mit einer Dichte von 1,42 g/cm³ bieten eine mit Aluminium vergleichbare strukturelle Leistungsfähigkeit bei einer Gewichtsreduzierung von 47% – was das Beschleunigungsverhalten der Servomotoren direkt verbessert und die Belastung des Gelenkantriebsstrangs verringert.
Komponenten für Brennstoffzellen- und Elektrolysatorstapel (chemikalienbeständiges PEEK): Bipolare Plattenrahmen, Zellabstandshalter und Verteilerkomponenten in Wasserstoff-Brennstoffzellen- und Elektrolysatorstapeln. Die Beständigkeit von PEEK gegenüber konzentrierter Schwefelsäure (mit Einschränkungen), Fluorwasserstoff in moderaten Konzentrationen und elektrochemischer Oxidation bei Stapelbetriebsspannungen macht es zu einem der wenigen Thermoplaste, die den kombinierten chemischen und thermischen Bedingungen im Betrieb von PEM-Elektrolyseuren (Protonenaustauschmembran) standhalten.
Präzisionsbauteile für Akkupacks (GF-PEEK): Hochpräzise Rahmen zur Zellausrichtung und Komponenten zur Modulausrichtung in Fahrzeugbatteriepacks, bei denen die Maßhaltigkeit bei dauerhaft erhöhten Temperaturen (Betriebstemperatur des Batteriepacks: 40–80 °C dauerhaft; 120 °C Spitzenwert) über die gesamte 15-jährige Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg Probleme durch thermisches Kriechen verhindert, von denen technische Kunststoffe mit niedrigerer HDT betroffen sind.
PEEK-Kunststoff im Vergleich zu konkurrierenden Hochleistungswerkstoffen
| Eigentum | PEEK | PPS | PAI (Torlon) | PPSU | PEI (Ultem) | Titan |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Dauerbetriebstemperatur | ★★★★★ (260 °C) | ★★★★☆ (220 °C) | ★★★★★ (260 °C) | ★★★★☆ (180 °C) | ★★★★☆ (170 °C) | ★★★★★ |
| Mechanische Festigkeit | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Chemische Beständigkeit | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ |
| Biokompatibilität (Implantat) | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★☆ |
| Röntgentransparenz (MRT/Röntgen) | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★☆☆☆☆ |
| Einfache Verarbeitung | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | ★★☆☆☆ | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | k. A. (Zerspanung) |
| Rohstoffkosten | $$$$ | $$$$ | $$$ | $$$$ | ||
| Massenvorteil gegenüber Metall | Hoch | Hoch | Hoch | Hoch | Hoch | — |
PEEK im Vergleich zu PPS: PPS ist kostengünstiger (etwa 40–60% der Rohstoffkosten von PEEK) und lässt sich leichter verarbeiten (niedrigere Zylindertemperatur: 300–330 °C). PPS ist die bessere Wahl für Anwendungen, die eine gute chemische Beständigkeit und mäßige thermische Eigenschaften (Dauerbetrieb: 220 °C) erfordern, ohne den Preisaufschlag von PEEK. PEEK ist die bessere Wahl, wenn die Betriebstemperatur 220 °C übersteigt, Biokompatibilität erforderlich ist oder die Schlagzähigkeit (PEEK: 50–85 J/m gegenüber PPS: 25–50 J/m) ein entscheidender Konstruktionsfaktor ist.
PEEK im Vergleich zu PAI (Torlon): PAI erreicht eine mit PEEK vergleichbare Dauerbetriebstemperatur und mechanische Leistungsfähigkeit, ist jedoch deutlich aufwendiger in der Verarbeitung (nach dem Formpressen sind Aushärtungszyklen erforderlich) und mit höheren Rohstoffkosten verbunden. Aufgrund seiner guten Verarbeitbarkeit und der verfügbaren Zertifizierung für Implantate ist PEEK die bevorzugte Wahl, wenn beide Werkstoffe technisch qualifiziert sind.
PEEK im Vergleich zu PEI (Ultem): PEI bietet bei einer Dicke von 0,8 mm eine inhärente UL-94-V-0-Einstufung, eine gute chemische Beständigkeit und angemessene Kosten, die bei 40–60% des PEEK-Preises liegen. PEI wird dann spezifiziert, wenn eine Dauerbetriebstemperatur von 170 °C ausreicht und der Preisaufschlag für PEEK nicht gerechtfertigt ist. Für Anwendungen, die eine Dauerbetriebstemperatur von > 170 °C oder eine Zertifizierung für Implantate erfordern, ist PEEK unersetzbar.
Einen umfassenden Überblick über das gesamte Materialportfolio von Dimud finden Sie unter Leitfaden zu Spritzgusswerkstoffen.
DFM-Richtlinien für PEEK-Kunststoffteile
Aufgrund der Materialkosten von PEEK ($80–$400/kg) sind DFM-Fehler deutlich teurer als vergleichbare Fehler bei handelsüblichen Polymeren. Ein aussortiertes PEEK-Bauteil verursacht nicht nur Materialkosten, sondern auch Maschinenzeit bei 400 °C, einen erhöhten Wartungsaufwand für die Form sowie möglicherweise den Ausfall einer gesamten Produktionsserie eines Ein-Kavitäten-Werkzeugs. Die Einhaltung der DFM-Grundsätze ist bei PEEK-Projekten proportional wichtiger als bei jedem anderen handelsüblichen Spritzgussmaterial.
Dimuds Produktdesign und DFM-Service Umfasst als Standardleistungen für PEEK-Programme die FEA-Strukturanalyse, die Kristallinitätssimulation und die Machbarkeitsbewertung für den Ersatz durch Metall.
Wanddicke
Empfohlener Bereich: 1,5–6,0 mm für PEEK-Spritzgussteile. Dünne Wandstärken ( 6 mm) führen zu unterschiedlichen Kristallinitätsgradienten zwischen der Oberfläche (hohe Kristallinität, schnell abkühlende Haut) und dem Kern (möglicherweise geringere Kristallinität, langsamere Abkühlung), was die Vorhersagbarkeit der Abmessungen beeinträchtigt.
Bei PEEK-Anwendungen, bei denen Metallbauteile ersetzt werden, sollte die Mindestwandstärke anhand einer Strukturanalyse (FEA) und nicht anhand empirischer Regeln ermittelt werden – die hohe spezifische Steifigkeit von PEEK ermöglicht oft eine Verringerung der Wandstärke um 30–50% im Vergleich zum zu ersetzenden Metallbauteil.
Eckenradien
Mindestradius für Innenecken: 1,0 mm. Empfohlen: 1,5–2,0 mm.
Dies ist eine strengere Anforderung als bei ABS oder PS. Die mäßige Kerbschlagzähigkeit von PEEK (50–85 J/m) in Verbindung mit hoher Steifigkeit bedeutet, dass Spannungskonzentrationen an scharfen Ecken unter Betriebsbelastung zu einem spröden Bruch führen können, und zwar bereits bei Spannungswerten, die unter denen liegen, die eine sichtbare Durchbiegung verursachen würden. Für Implantatanwendungen, die zyklischen Belastungen ausgesetzt sind, sind im PEEK-DFM-Standard von Dimud für alle Innenecken Radien von mindestens 1,5 mm vorgeschrieben.
Entwurfswinkel
- Standardoberflächen: 1,5°–3° mindestens pro Seite (stärker als bei ABS; PEEK schrumpft beim Abkühlen von einer Formtemperatur von 180 °C stark in Richtung des Kerns)
- Polierte Lagerflächen: 2°–3° pro Seite; poliertes PEEK auf poliertem Stahl bei 180 °C erzeugt eine hohe Ausstoßkraft
- Besetzte Stellen (GF/CF): 2°–4° pro Seite; verstärkte Sorten sind steifer und ziehen sich weniger zusammen, doch der Abriebverschleiß an den Auslaufflächen nimmt bei unzureichendem Auslaufwinkel zu
Erreichbare Toleranzen
Die Maßgenauigkeit von PEEK-Kunststoff beim Spritzgießen hängt von der Typenauswahl und der Steuerung der Kristallinität ab:
- Ungefülltes PEEK (gut kristallisiert): ±0,05–0,10 mm bei Abmessungen ≤ 50 mm
- 30% GF-PEEK (Fließrichtung): ±0,03–0,08 mm
- 30% CF-PEEK: ±0,03–0,06 mm (geringste Schrumpfung aller PEEK-Typen)
- Nach dem Formprozess geglühte Teile: Engere Toleranzen sind möglich, da die vollständige Schrumpfung vor den Folgearbeiten überprüft wird
Für Präzisionslagerbohrungen (Toleranzklasse h6/H7) und Präzisionsauflageflächen schreibt Dimud eine CMM-Prüfung nach dem Spritzguss vor, gefolgt von einer Präzisionsbohrung oder einem Präzisionsschleifen in einem Durchgang, sofern die Spritzgusstoleranz nicht ausreicht – ein Standardablauf bei PEEK-Lagersitzprogrammen.
Dimuds Kompetenzen im Bereich des PEEK-Kunststoffspritzgusses
Für den PEEK-Spritzguss ist ein Fertigungspartner erforderlich, der über spezialisierte Anlagen, Materialkenntnisse und Qualitätssysteme verfügt, die auf die anspruchsvollsten technischen Anwendungen abgestimmt sind. Dimud bietet PEEK-Kunststoffspritzguss als Teil eines vertikal integrierten Systems an – bestehend aus drei aufeinander abgestimmten Produktionsstätten für Formenbau, CNC-Bearbeitung und Präzisionsmontage – und bedient Kunden aus den Bereichen Medizin, Halbleiter, Automobilindustrie und Robotik in Europa, Nordamerika und dem Nahen Osten.
| Servicephase | Dimud-Fähigkeit | Kundenvorteil |
|---|---|---|
| DFM- und Qualitätsprüfung | Güteempfehlung; FEA-Analyse zum Metallersatz; Kristallinitätssimulation; Toleranzmachbarkeit | Vermeiden Sie die kostspieligsten PEEK-Programmfehler noch vor der Werkzeugherstellung |
| Schnelles Prototyping | CNC-gefräste PEEK-Muster ab Lager + Aluminium-Weichwerkzeuge für PEEK-Muster in kleinen Stückzahlen | Entwicklungs- und Zulassungsproben innerhalb von 10–15 Werktagen |
| Maschinenqualifizierung | PEEK-fähige Maschinen (Zylinder für 420 °C ausgelegt); Karl-Fischer-Prüfung; Dokumentation der Verweilzeit | Validierte PEEK-Verarbeitungsbasis vor Produktionsbeginn |
| Formenbau | H13/D2/S7-Vergütungsstahl; Temperaturregelung mit Heißöl 160–200 °C; PVD-beschichtete Anguss-Einsätze für CF-Typen; Moldflow-vorvalidiert | Serienreife PEEK-Werkzeuge; garantierte Schusszahl mit Wartungsplan |
| Serienformung | Spezielle PEEK-Zellen; Öltemperaturregler; Glühöfen mit Vorrichtungsbestand; Maschinen mit 50T–800T | Kontrollierte Kristallinität vom Pilotmaßstab bis zur Serienproduktion |
| Nachbearbeitung | Präzisionsglühen mit CMM-Prüfung; Nachbohren/Nachschleifen für Lagertoleranzen; Montage im Reinraum | Net-Shape- und präzisionsgefertigte PEEK-Baugruppen |
| Qualitätsdokumentation | PPAP Stufe 3; Konformitätserklärung mit Dokumentation der Harzcharge; Karl-Fischer-Protokolle; DSC-Kristallinitätsprüfung; CMM-Bohrungskartierung | Audit-fähig für Kunden aus den Bereichen Medizintechnik (OEM), Automobilindustrie (Tier-1) und Halbleiterindustrie (OEM) |
| Lieferkette | Beschaffung von Victrex-/Solvay-/Evonik-Harzen; chargengetrennte Lagerung; Prüfung der eingehenden Chargen; DDP-Logistik | Rückverfolgbare Lieferkette für Implantatmaterial vom Harzhersteller bis zum fertigen Bauteil |
Häufig gestellte Fragen
Das Spritzgießen von PEEK erfordert Zylindertemperaturen von 370–420 °C – deutlich höher als bei jedem anderen handelsüblichen Thermoplast. Dies überschreitet die Nennbetriebstemperatur vieler Standard-Spritzgießmaschinen (in der Regel maximal 380 °C). Für PEEK-Projekte setzt Dimud Maschinen mit aufgerüsteten Bimetall-Zylindern, Hochtemperatur-Schneckendichtungen und Temperaturreglern ein, deren Genauigkeit bei 400 °C auf ±5 °C geprüft ist. Ingenieure, die PEEK-Projekte prüfen, sollten die Eignung der Maschinen bestätigen, bevor sie sich auf den Einsatz von Werkzeugen festlegen – nicht alle Auftragsfertiger, die PEEK-Kompetenz beanspruchen, verfügen über Anlagen, die für dieses Material angemessen konfiguriert sind.
Sowohl PEEK als auch PPS sind teilkristalline Hochleistungsthermoplaste mit ausgezeichneter chemischer Beständigkeit und hoher thermischer Stabilität. PPS lässt sich bei niedrigeren Zylindertemperaturen (300–330 °C) verarbeiten und kostet pro Kilogramm etwa 40–60% weniger als PEEK. PPS ist die geeignete Wahl, wenn eine Dauerbetriebstemperatur von bis zu 220 °C ausreicht, keine Zertifizierung der Biokompatibilität erforderlich ist und die Anforderungen an die Schlagzähigkeit moderat sind (PPS, gekerbte Izod-Schlagzähigkeit: 25–50 J/m). PEEK wird spezifiziert, wenn die Betriebstemperatur 220 °C übersteigt, eine Biokompatibilitäts- oder Implantatzertifizierung erforderlich ist, eine höhere Schlagzähigkeit als bei PPS benötigt wird oder hydrolytische Stabilität bei kontinuierlicher Einwirkung von Dampf oder heißem Wasser eine Betriebsanforderung darstellt. Dimud verarbeitet beide Werkstoffe und bietet im Rahmen der DFM-Prüfung eine Analyse zur Auswahl der geeigneten Werkstoffsorte an.
Ja – PEEK ist einer der sterilisationsbeständigsten technischen Thermoplaste auf dem Markt. Es ist beständig gegen: Gammastrahlung (bis zu 25 kGy bei Standardprogrammen; bis zu 2.000 kGy insgesamt ohne nennenswerte Verschlechterung der Eigenschaften bei speziellen Typen), Ethylenoxid (EO/EtO)-Sterilisation, Dampfautoklavierung bei 121–134 °C (wiederholte Zyklen ohne hydrolytischen Abbau – ein einzigartiger Vorteil gegenüber den meisten Thermoplasten) sowie Wasserstoffperoxid-Gasphasensterilisation. Diese Kompatibilität mit verschiedenen Sterilisationsverfahren macht PEEK zum bevorzugten Werkstoff für wiederverwendbare chirurgische Instrumente und Komponenten von Medizinprodukten, bei denen Flexibilität bei der Sterilisationsmethode gefragt ist. Dimud stellt im Rahmen der Qualifizierung des medizinischen PEEK-Programms Begleitdokumente zur Sterilisationsvalidierung zur Verfügung.
PEEK ist ein teilkristallines Polymer – seine endgültigen Eigenschaften hängen nicht nur von der Zusammensetzung ab, sondern auch vom Ausmaß der Bildung kristalliner Domänen während der Erstarrung. Bei niedrigen Formtemperaturen (< 100 °C) erstarrt PEEK zu schnell, als dass sich kristalline Domänen bilden könnten, was zu amorphem PEEK mit einer HDT unter 50 °C führt – ein Bauteil, das sich bereits bei Temperaturen deutlich unterhalb der für PEEK angegebenen Betriebstemperatur von 240–260 °C verformt. Bei der angestrebten Formtemperatur von 160–180 °C führt eine kontrollierte Kristallisation zu einer Kristallinität von 30–35% mit den vollen Nenn-Eigenschaften. Dies ist kein unerheblicher Effekt – der HDT-Unterschied zwischen amorphem und korrekt kristallisiertem PEEK beträgt mehr als 100 °C, und dieser Unterschied ist bei einer visuellen oder maßlichen Prüfung des fertigen Bauteils nicht erkennbar. Aus diesem Grund sind Formtemperaturregelung, Überprüfung und Dokumentation zwingende Qualitätsanforderungen in allen Dimud-PEEK-Programmen.
Die Rohstoffkosten für PEEK liegen bei $80–$400/kg gegenüber $3–8/kg für ABS – ein Verhältnis der Rohstoffkosten von 10–100×. Der höhere Programmkostenaufwand wird teilweise durch den Dichtevorteil von PEEK (1,30–1,32 g/cm³ gegenüber 1,03–1,06 g/cm³ bei ABS – etwa 25% mehr Teile pro Kilogramm), dem Net-Shape-Formverfahren, das Bearbeitungskosten einspart, sowie dem Wegfall der Oberflächenbearbeitung und des Korrosionsschutzes bei Metallkomponenten. Die wirtschaftliche Rechtfertigung ist anwendungsspezifisch: Bei medizinischen Implantaten erreicht kein alternatives Material – unabhängig von den Kosten – die Kombination aus Biokompatibilität, knochenangepasstem Elastizitätsmodul und Röntgentransparenz, die PEEK bietet. Bei Prozessanlagen für die Halbleiterindustrie ist die kontaminationsfreie Leistung von PEEK nicht durch kostengünstigere Alternativen ersetzbar. Bei Getriebekomponenten für die Automobilindustrie mit Produktionsmengen von über 50.000 Einheiten pro Jahr führen die Gewichtsreduzierung und der Wegfall der Bearbeitung durch PEEK häufig zu einem Vorteil bei den Gesamtsystemkosten gegenüber bearbeiteten Metallteilen. Dimud bietet im Rahmen der Machbarkeitsprüfung für PEEK-Programme eine Analyse der Gesamtbetriebskosten an.
Schlussfolgerung
PEEK-Kunststoff ist kein Allzweckmaterial, das zufällig unter anspruchsvollen Bedingungen gute Leistungen erbringt. Es handelt sich um ein technisches Polymer, dessen Molekülstruktur für ein bestimmtes Leistungsniveau entwickelt wurde – ein Niveau, das kein anderer spritzgießbarer Thermoplast erreicht. Wenn die Anwendung tatsächlich einen Dauerbetrieb bei Temperaturen über 200 °C, Biokompatibilität auf Implantatniveau, Festigkeit auf Metallniveau bei einer Dichte auf Polymerniveau oder Beständigkeit gegen praktisch alle industriellen Chemikalien in gleichzeitiger Kombination erfordert, ist PEEK nicht nur eine erstklassige Wahl. Es ist die einzige Wahl.
Die für eine zuverlässige Erbringung dieser Leistung erforderliche Disziplin bei der Ausführung – Formtemperaturen über 160 °C, Zylindertemperaturen von fast 420 °C, Karl-Fischer-Feuchtigkeitsprüfung, Bestätigung der Kristallinität mittels DSC sowie ein Qualitätssystem, das die Herkunft des Materials vom Harzhersteller bis zum fertigen Bauteil nachverfolgt – ist nichts Außergewöhnliches. Es handelt sich um das Standardverfahren für ein korrekt durchgeführtes PEEK-Programm.
Dimud überträgt diesen Betriebsstandard auf PEEK-Spritzgussprogramme in den Bereichen Medizin, Halbleiter, Automobilindustrie und Robotik – für Kunden in Europa, Nordamerika und dem Nahen Osten, die die Leistungsfähigkeit des Werkstoffs in Verbindung mit der in ihren Branchen geforderten strengen Dokumentationspflicht benötigen.
