Polyetherimid – im Handel bekannt als Ultem® (SABIC) – ist der Werkstoff, der zum Einsatz kommt, sobald die Konstruktionsanforderungen durch Fehlversuche geklärt wurden. Es ist nicht der günstigste technische Thermoplast auf der Liste. Es ist auch nicht der am einfachsten zu verarbeitende. Aber es nimmt eine besondere Leistungsposition ein – Dauerbetrieb bei über 170 °C, inhärente Flammwidrigkeit nach UL94 V-0 ohne Zusatzstoffe, Sterilisierbarkeit im Dampfautoklav sowie dielektrische Stabilität, die sich weder durch Temperatur noch durch Feuchtigkeit verschlechtert –, die keine Kombination aus technischen Kunststoffen der unteren Preisklasse nachbilden kann.
In diesem Leitfaden wird erläutert, was PEI-Kunststoff eigentlich ist, welche Vorteile er tatsächlich bietet, wo seine Grenzen liegen und welche Anforderungen das PEI-Spritzgießen an Werkzeuge, Maschinen und die Prozessdisziplin stellt.
Die Chemie, die die Leistungsgrenze von PEI bestimmt
Polyetherimid ist ein amorpher Thermoplast aus der Familie der Polyimide, der Etherbindungen enthält, welche die Verarbeitbarkeit im Vergleich zu vollständig aromatischen Polyimiden verbessern. Die Wiederholungseinheit enthält sowohl Imidgruppen – die für die Hochtemperaturstabilität und die Flammhemmung sorgen – als auch Etherbindungen – die die Schmelzviskosität so weit senken, dass ein herkömmliches Spritzgießen bei hohen Temperaturen möglich ist.
Diese Kombination ist chemisch bewusst gewählt und wirkt sich entscheidend auf die Leistungsfähigkeit aus. Die Imid-Ringstruktur ist thermisch stabil bis zu Temperaturen, die bei Polyestern, Polyamiden und Polycarbonaten zu Kettenspaltung führen. Das aromatische Grundgerüst widersteht dem oxidativen Abbau, der aliphatische Polymere bei erhöhten Temperaturen zersetzt. Die Etherbindungen sorgen für eine ausreichende Kettenflexibilität, um bei Verarbeitungstemperaturen ein Fließen zu ermöglichen – wobei “ausreichende Flexibilität” im Zusammenhang mit PEI immer noch Schmelztemperaturen von über 340 °C bedeutet.
Die Glasübergangstemperatur (Tg) von PEI-Kunststoff beträgt ungefähr 217 °C — die höchste Tg aller im Handel erhältlichen, spritzgießbaren amorphen Thermoplaste bei üblichen Kosten. Diese eine Zahl sagt mehr aus, als die meisten Tabellen mit Werkstoffeigenschaften vermuten lassen:
- Die Teile behalten ihre mechanische Steifigkeit und Maßgenauigkeit auch bei Dauerbetriebstemperaturen bei, bei denen PC, ABS, PA und PBT längst erweicht sind.
- Die Autoklavsterilisation bei 134 °C stellt keine thermische Herausforderung dar – die Betriebstemperatur liegt 83 °C unterhalb der Glasübergangstemperatur (Tg)
- Kurzzeitige Temperaturspitzen bis 200 °C führen bei leicht belasteten Bauteilen nicht zu bleibenden Verformungen.
- Die zur Erzielung eines ausreichenden Schmelzflusses erforderliche Verarbeitungstemperatur – 340–420 °C – ist eine direkte Folge eben dieser thermischen Stabilität
Bernsteinfarbene Transparenz ist eine Eigenschaft, die zwar im Datenblatt erwähnt wird, deren praktische Auswirkungen Ingenieure jedoch manchmal unterschätzen. Die amorphe Struktur von PEI sorgt für eine natürliche, bernsteinfarbene Transparenz – zwar keine optische Klarheit, aber ausreichend, um die Innengeometrie von Bauteilen, das Vorhandensein von Flüssigkeiten in einem Rohr oder Kanal oder die Ausrichtung von Baugruppen visuell zu überprüfen – und das in Anwendungen, in denen andere hochleistungsfähige technische Kunststoffe vollständig undurchsichtig sind.
Eigenschaften von PEI-Kunststoff: Die Zahlen und was sie in der Praxis bedeuten
Wärmeleistung – Die entscheidende Eigenschaft
| Eigentum | PEI (Ultem 1000) | PEI GF30 (Ultem 2300) | Einheit |
|---|---|---|---|
| Glasübergangstemperatur | 217 | 217 | °C |
| Wärmeformbeständigkeitstemperatur (1,82 MPa) | 198 | 210 | °C |
| Kontinuierliche Betriebstemperatur | 170 | 180 | °C |
| Kurzfristige Höchsttemperatur | bis zu 200 | bis zu 220 | °C |
| UL94-Brandschutzklasse | V-0, 5 VA | V-0, 5 VA | — |
| Sauerstoffgrenzwert (LOI) | 47% | — | — |
Die HDT von 198 °C bei 1,82 MPa für ungefüllten PEI-Kunststoff ist nicht nur ein hoher Wert – sie bedeutet, dass das Material unter einer nennenswerten mechanischen Belastung seine Formstabilität innerhalb von 20 °C um seine Tg herum beibehält. Kein handelsüblicher technischer Thermoplast (PA, PBT, PC, ABS, POM) kommt unter vergleichbaren Belastungsbedingungen auch nur annähernd an diesen Wert heran.
Die Grenzsauerstoffindex von 47% Für PEI bedeutet dies, dass das Material in Luft (21% Sauerstoff) ohne eine externe Zündquelle nicht weiterbrennen kann. Diese inhärente Flammhemmung – die ohne halogenhaltige oder phosphorbasierte Flammschutzadditive erreicht wird – ist entscheidend für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei denen halogenfreie Flammhemmung eine gesetzliche Anforderung und nicht nur eine Präferenz ist.
Mechanische Eigenschaften
| Eigentum | PEI (Ultem 1000) | PEI GF30 (Ultem 2300) | Einheit |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 105 | 165 | MPa |
| Biegemodul | 3,300 | 9,000 | MPa |
| Kerbschlagzähigkeit (Izod) | 50 | 90 | J/m |
| Dehnung bei Bruch | 60 | 3 | % |
| Rockwell-Härte | M109 | M114 | — |
Ungefüllter PEI-Kunststoff zeichnet sich durch eine Kombination mechanischer Eigenschaften aus, die bei Hochleistungskunststoffen ungewöhnlich ist: hohe Zugfestigkeit in Verbindung mit der Bruchdehnung von 60%. Bei den meisten technischen Kunststoffen mit hohem Elastizitätsmodul wird die Duktilität zugunsten der Steifigkeit geopfert. Ungefülltes PEI behält jedoch eine beachtliche Duktilität bei, wodurch es Montagevorgänge, Durchbiegungen beim Einrasten und Thermoschocks ohne Sprödbruch standhält – und dabei dennoch eine Zugfestigkeit von 105 MPa aufweist.
Mit GF30 verstärktes PEI verdreifacht den Biegemodul auf etwa 9.000 MPa – was in manchen Belastungskonfigurationen fast an die strukturelle Steifigkeit von Aluminium heranreicht –, allerdings auf Kosten einer nahezu vollständigen Eliminierung der Dehnung (3% bei Bruch). Für strukturelle Halterungen, tragende Gehäuse und maßgenaue Verbindungselemente in Hochtemperaturumgebungen ist GF30-PEI-Kunststoff die Standardausführung. Für Bauteile, die eine gewisse Duktilität erfordern oder den Belastungen bei der Montage standhalten müssen, sind ungefüllte Typen die geeignete Wahl.
Elektrische Eigenschaften
| Eigentum | Wert | Einheit |
|---|---|---|
| Durchschlagsfestigkeit | 28 – 31 | kV/mm |
| Durchgangswiderstand | 10¹⁵ – 10¹⁷ | Ω-cm |
| Dielektrizitätskonstante (1 MHz) | 3.15 | — |
| Verlustleistungsfaktor (1 MHz) | 0.0013 | — |
| Lichtbogenfestigkeit | 128 | Sekunden |
Die elektrische Eigenschaft, die PEI-Kunststoff von minderwertigeren technischen Kunststoffen unterscheidet, ist nicht die absolute Größe eines einzelnen Wertes, sondern die Stabilität dieser Werte über verschiedene Temperatur- und Feuchtigkeitsbereiche hinweg. Die Dielektrizitätskonstante von 3,15 und der Verlustfaktor von 0,0013 bleiben von Raumtemperatur bis 200 °C sowie unter trockenen bis feuchten Umgebungsbedingungen nahezu unverändert.
Für Radarkomponenten, Hochfrequenz-Antennensubstrate, Gehäuse für die Luft- und Raumfahrtavionik sowie Präzisionssteckverbinder für Leiterplatten, die in Umgebungen mit schwankenden Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen eingesetzt werden, ist diese elektrische Stabilität eine funktionale Anforderung – und kein bloßes „Nice-to-have“.
Chemikalienbeständigkeit und ESC: Eine Einschränkung, die ernsthaft beachtet werden muss
PEI weist in seinen primären Anwendungsbereichen eine breite chemische Beständigkeit auf. Es ist beständig gegen:
- Kraftfahrzeugflüssigkeiten: Kraftstoffe, Öle, Hydraulikflüssigkeiten, Kühlmittel
- Wässrige Lösungen: verdünnte Säuren, verdünnte Laugen, Salzlösungen
- Alkohole und aliphatische Kohlenwasserstoffe
- Wässrige Reinigungsmittel und die meisten industriellen Schmierstoffe
PEI-Kunststoff weist jedoch eine erhebliche chemische Empfindlichkeit auf, die vor der Spezifikation berücksichtigt werden muss: Umweltbedingte Spannungsrissbildung (ESC) in Gegenwart von chlorierten Lösungsmitteln, aromatischen Kohlenwasserstoffen, Ketonen und bestimmten konzentrierten Säuren unter mechanischer Beanspruchung.
ESC in amorphen Polymeren – einschließlich PEI – tritt auf, wenn ein chemischer Wirkstoff, der das Polymer nicht im Inneren auflöst, dennoch in die Oberfläche eindringt und die kritische Spannung für die Rissbildung unter das Niveau der Rest- oder Anwendungsspannung im Bauteil senkt. Die Folge sind Haarrisse oder Sprödbrüche bei Spannungswerten, die ohne das chemische Mittel keinen Versagen verursachen würden.
Bei PEI-Kunststoff sind folgende ESC-Wirkstoffe vorrangig zu vermeiden:
- Chlorierte Lösungsmittel (Methylenchlorid, Chloroform, Trichlorethylen)
- Ketone und Ester (Aceton, MEK, Ethylacetat)
- Aromatische Kohlenwasserstoffe (Toluol, Xylol) bei erhöhter Temperatur
- Starke Laugen (NaOH, KOH in hoher Konzentration)
Die praktische Konsequenz: Jedes PEI-Kunststoffteil, das unter Belastung – sei es durch Montagevorspannung, thermische Ausdehnungsunterschiede oder Betriebsbelastung – mit diesen Stoffen in Kontakt kommt, erfordert entweder einen Materialwechsel (z. B. PEEK, PPS oder PPSU für extreme ESC-Umgebungen) oder eine ausdrückliche Prüfung der chemischen Verträglichkeit unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen, bevor die Produktion freigegeben wird.
Bei Dimud ist die ESC-Risikobewertung Teil unseres Prüfverfahrens zur Materialauswahl für PEI-Kunststoffprojekte. Die Erfassung der chemischen Belastungen erfolgt bereits in der DFM-Phase – sie wird nicht erst bei der Validierung vor Ort festgestellt.
PEI-Spritzguss: Was die hohe Glasübergangstemperatur tatsächlich von Ihrem Prozess verlangt
Das PEI-Spritzgießen unterscheidet sich grundlegend von der Verarbeitung von Standard- oder mittelklassigen technischen Thermoplasten. Genau jene thermische Stabilität, die das Material für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet macht, verhindert, dass es den für das Spritzgießen erforderlichen Schmelzfluss aufweist. Zu verstehen, was dies in der Praxis bedeutet, ist der erste Schritt hin zu gleichbleibenden, fehlerfreien PEI-Kunststoffteilen.
Systemvoraussetzungen – Dies ist keine Standard-Maschinenanwendung
Nicht jede Spritzgießmaschine ist für die Verarbeitung von PEI geeignet. Die Anforderungen sind spezifisch:
Temperaturbereich von Zylinder und Schnecke: Die Verarbeitungstemperatur für PEI-Spritzgussläufe liegt bei 340–420 °C Schmelztemperatur – deutlich über der Zylinderkapazität der meisten Allzweckmaschinen, die für maximal 350–380 °C ausgelegt sind. Für eine zuverlässige PEI-Verarbeitung mit ausreichendem thermischen Spielraum sind Hochleistungs-Schnecken- und Zylinderbaugruppen erforderlich, die für Temperaturen von 450 °C und mehr ausgelegt sind.
Schraubenausführung: Eine Allzweckschnecke mit hohem Verdichtungsverhältnis erzeugt bei der Verarbeitung von PEI übermäßige Reibungswärme in der Dosierzone – wodurch die lokalen Schmelztemperaturen auf über 430 °C ansteigen, wo der Abbau beginnt. Eine Schnecke mit niedrigem Kompressionsverhältnis (2,0:1 bis 2,5:1) verteilt die Wärmezufuhr gleichmäßiger und ermöglicht dem Verfahrenstechniker eine effektive Steuerung der Schmelztemperatur.
Werkstoffe für Schnecke und Zylinder: Amorphe Werkstoffe mit hohen Verarbeitungstemperaturen wie PEI wirken bei der Verarbeitung glasfaserverstärkter Typen abrasiv auf Schrauben aus Standard-Werkzeugstahl. Bimetall- oder mit Xaloy ausgekleidete Zylinder sowie gehärtete Schrauben sind bei der GF-PEI-Produktion Standard.
Düse: Es wird eine Düse mit positiver Absperrung empfohlen, um zu verhindern, dass die PEI-Schmelze bei hohen Verarbeitungstemperaturen herabtropft, was zu einem minderwertigen Kaltstück am Angussansatz führen und dunkle Streifen im Bauteil verursachen würde.
Bei Dimud, unserem Dienstleistungen im Bereich Kunststoff-Spritzgießen für PEI-Kunststoffe, die auf Maschinen verarbeitet werden, die speziell für hochleistungsfähige technische Kunststoffe konfiguriert sind – mit temperaturgeprüften Zylinderprofilen und dokumentierten Prozessqualifizierungsunterlagen für jede Sorte.
Trocknen: Der unverzichtbare erste Schritt
PEI-Kunststoff nimmt im Gleichgewicht etwa 0,25% Feuchtigkeit auf – ein Wert, der zwar absolut gesehen gering ist, bei Verarbeitungstemperaturen über 340 °C jedoch katastrophale Auswirkungen hat. Das Wasser verdampft explosionsartig im Zylinder und erzeugt dabei:
- Spreizspuren (silberne Streifen) auf den Oberflächen der Teile – führen bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizin zu einer sofortigen Ausschließung
- Interne Hohlräume, die die mechanische Festigkeit beeinträchtigen – ohne Schnittbild oder CT-Untersuchung nicht sichtbar
- Hydrolytische Kettenspaltung – führt zu einer dauerhaften Verringerung des Molekulargewichts und schwächt alle mechanischen Eigenschaften des Fertigteils
Anforderungen an die Trocknung von PEI:
- Temperatur: 150 °C
- Dauer: Mindestens 4 Stunden (GF-Stufen: bis zu 6 Stunden)
- Ausstattung: Adsorptionstrockner (Entfeuchtungstrockner) mit einem Austrittstaupunkt von ≤ −30 °C
- Maximaler Feuchtigkeitszielwert: ≤ 0,051 TP3T, bezogen auf das Gewicht
- Handhabung nach dem Trocknen: Innerhalb von 30 Minuten verarbeiten; getrocknetes Material nicht in offene Behälter zurückgeben
Die Trocknungstemperatur von 150 °C liegt über der der meisten technischen Kunststoffe und erfordert einen Trockner, der bei diesem Sollwert mit ausreichendem Luftstrom betrieben werden kann. Herkömmliche Heißluftofen reichen nicht aus – sie können den Taupunkt nicht erreichen, der erforderlich ist, um die im Granulat enthaltene Feuchtigkeit zu entfernen.
Verarbeitungstemperatur: Der Bereich zwischen Fließfähigkeit und Zersetzung
Die Schmelztemperatur beim PEI-Spritzgießen liegt bei Standardtypen bei 340–400 °C:
| Laufzone | Ungefülltes PEI | PEI GF30 |
|---|---|---|
| Futterzone | 280 – 310 °C | 290 – 320 °C |
| Druckzone | 320 – 355 °C | 330 – 360 °C |
| Messzone | 355 – 390 °C | 360 – 400 °C |
| Düse | 340 – 375 °C | 345 – 380 °C |
| Formtemperatur | 65 – 175 °C | 65 – 150 °C |
Der Beginn des Abbaus von PEI-Kunststoff tritt bei etwa 430–450 °C — wodurch sich ein Verarbeitungsfenster von 40–80 °C über der Mindestvorlauftemperatur ergibt, bevor der Abbau einsetzt. Dieses Fenster ist enger als bei den meisten technischen Kunststoffen und erfordert eine Temperaturregelung des Zylinders auf ±5 °C in jeder Zone, um zuverlässig innerhalb dieses Fensters zu bleiben.
Die Formtemperatur beim PEI-Spritzgießen ist besonders hoch — 65–175 °C — wobei bei den meisten Präzisionsanwendungen Temperaturen von 100–150 °C zum Einsatz kommen. Die hohe Formtemperatur ist erforderlich, weil:
- PEI-Schmelze weist selbst bei 380 °C eine hohe Viskosität auf – eine kalte Form führt in dünnen Bereichen zu einem vorzeitigen Erstarren, noch bevor der Formhohlraum gefüllt ist
- Höhere Formtemperaturen ermöglichen eine vollständigere Spannungsrelaxation während der Erstarrung, wodurch Doppelbrechung und Restspannungen in präzisen optischen oder strukturellen Bauteilen verringert werden.
- Bei Anwendungen, bei denen höchste Oberflächenqualität gefordert ist, sorgen Formtemperaturen über 120 °C für eine Oberflächenbeschaffenheit der Teile, die der Oberfläche des Formhohlraums exakt entspricht.
Hohe Formtemperaturen erfordern Formkonstruktionen mit geeigneten, ölbeheizten Kühlkreisläufen, die präzise Temperatursollwerte einhalten können – und keine standardmäßigen wassergekühlten Kreisläufe, die Temperaturen über 90 °C nicht zuverlässig aufrechterhalten können.
Einspritzparameter
| Parameter | Ungefülltes PEI | PEI GF30 |
|---|---|---|
| Einspritzdruck | 100 – 170 MPa | 120 – 200 MPa |
| Nachdruck | 50 – 80% Einspritzung | 50 – 75% Einspritzung |
| Einspritzgeschwindigkeit | Mittel (profiliert) | Mittel-langsam |
| Gegendruck | 3 – 10 MPa | 3 – 10 MPa |
| Schrumpfung der Form | 0,5 – 0,71 TP3T | 0,1 – 0,51 TP3T |
PEI-Schmelze weist eine deutlich höhere Viskosität auf als handelsübliche oder standardmäßige technische Thermoplaste – aus diesem Grund sind Einspritzdrücke von 100–200 MPa eher die Regel als die Ausnahme. Die Angussgröße muss großzügig bemessen sein; zu kleine Angüsse führen zu hohen lokalen Schergeschwindigkeiten, die am Angussantritt Zersetzungswärme erzeugen, was unabhängig von einer korrekten Zylindertemperaturregelung zu Verfärbungen und einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften im Angussbereich führt.
Bei dünnwandigen PEI-Kunststoffteilen (Wandstärken < 2 mm) ist eine profilierte Einspritzgeschwindigkeit erforderlich – die sich mit dem Voranschreiten der Schmelze durch den Formraum progressiv erhöht –, um Unterfüllungen zu vermeiden, ohne dass dabei Fließspuren und Spritzfehler entstehen, die durch eine anfänglich hohe Einspritzgeschwindigkeit durch einen offenen Anguss verursacht werden.
Überlegungen zur Formgestaltung beim PEI-Spritzgießen
Die geringe Formschrumpfung von PEI (0,5–0,71 TP3T bei ungefüllten Typen, 0,1–0,51 TP3T bei glasfaserverstärkten Typen) ermöglicht enge Maßtoleranzen – einer der entscheidenden Vorteile des Materials für die Herstellung von Präzisionssteckverbindern und Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt. Um diese Toleranzen in der Praxis zu erreichen, ist eine Formkonstruktion erforderlich, die die hohen Verarbeitungstemperaturen berücksichtigt:
Formstahl: Für PEI-Spritzgussformen wird der Warmarbeitsstahl H13 empfohlen – seine Härte bei erhöhten Temperaturen gewährleistet die Maßhaltigkeit bei Formtemperaturen von über 150 °C, wie sie bei Präzisionsanwendungen mit PEI zum Einsatz kommen. Der Standardwerkstoff P20 verliert bei anhaltenden Temperaturen über 120 °C an Härte. Bei GF-PEI-Kunststofftypen schützen Kavitätseinsätze aus D2 oder einer PVD-beschichteten H13-Sorte vor dem abrasiven Glasfaseranteil.
Gitterkonstruktion: Vorzugsweise sollten Rand- oder Lascheneinspritzstellen verwendet werden, die von optisch kritischen Oberflächen entfernt sind. Bei Ein-Kavitäten-Werkzeugen, bei denen eine maximale Verdichtung dicker Bereiche erforderlich ist, wird die Direkt- oder Anguss-Einspritzung verwendet. Vermeiden Sie dünne Unterwasser- oder Tunnel-Einspritzstellen – die hohe Schmelzviskosität von PEI erzeugt durch kleine Einspritzstellen übermäßige Scherwärme.
Entlüftung: Beim PEI-Spritzgießen entstehen bei Überhitzung flüchtige Abbauprodukte. Die Entlüftung der Form an den äußeren Enden der Fließfront, an den Trennlinien und an den Auswerferstiften muss ausreichend sein, um Gaseinschlüsse und Brandspuren zu vermeiden – die Entlüftungstiefe beträgt bei Standard-PEI 0,025–0,040 mm und unterscheidet sich damit nicht wesentlich von anderen technischen Kunststoffen.
Laufwerkssysteme: Kaltkanalsysteme mit vollrunden Kanälen mit großem Durchmesser (mindestens 6 mm Durchmesser) minimieren den Druckabfall und den Wärmeverlust zwischen Maschine und Formnest. Heißkanalsysteme können für das PEI-Spritzgießen mit Verteilerblöcken und Abzweigungen eingesetzt werden, die für Temperaturen bis zu 420 °C ausgelegt sind – eine Anforderung, die den Einsatz von Standard-Heißkanalhardware ausschließt, die nicht für hochtemperaturbeständige technische Kunststoffe ausgelegt ist.
Unser Präzisionsformenbau Das Team bei Dimud konstruiert PEI-Werkzeuge standardmäßig aus H13-Stahl, mit ölbeheizter Formtemperaturregelung und Entlüftungspositionen, die anhand der Ergebnisse der Formflusssimulation überprüft wurden.
PEI-Kunststofftypen: Von Allzweck- bis hin zu Spezialtypen mit besonderen Eigenschaften
Ultem 1000 – Das Basisprodukt
Ungefülltes PEI für allgemeine Anwendungen. Bernsteinfarben und transparent. HDT 198 °C, Zugfestigkeit 105 MPa, Dehnung 60%, UL94 V-0 und 5VA. Die Standardausführung für Komponenten von Medizinprodukten, die eine Autoklavsterilisation erfordern, für Innenausstattungskomponenten in Flugzeugen, die eine inhärente Flammwidrigkeit benötigen, sowie für elektrische Isolatoren, die stabile dielektrische Eigenschaften bis 200 °C erfordern. RoHS-konform. NSF 51 (Lebensmittelgeräte) in den anerkannten Farben aufgeführt.
Ultem 2100, 2200, 2300 – glasfaserverstärkte Baureihe
Glasfaserverstärkungen 10%, 20% bzw. 30%. Progressive Steigerung des Biegemoduls (Ultem 2300: ~9.000 MPa), der HDT (Ultem 2300: 210 °C) und der Dimensionsstabilität – bei entsprechender Verringerung der Dehnung und der Schlagzähigkeit. GF30 (Ultem 2300) ist die Standardspezifikation für strukturelle Halterungen in der Luft- und Raumfahrt, hochpräzise Steckverbindergehäuse, die enge Toleranzen unter Temperaturwechselbeanspruchung erfordern, sowie für Industriekomponenten, die bei erhöhten Temperaturen einer anhaltenden mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Verfügt über die Einstufungen UL94 V-0 und 5VA, die NSF 51-Zulassung sowie die WRAS-Zertifizierung in anerkannten Farben.
Ultem 5000-Serie – mineralverstärkte Typen
Mit Glimmer gefüllte PEI-Kunststofftypen, die eine isotrope Schrumpfung (im Gegensatz zur anisotropen Schrumpfung von GF-Typen) mit verbesserter Dimensionsstabilität bei flachen oder symmetrisch geformten Bauteilen bieten. Die Oberflächenqualität ist gegenüber GF-Typen verbessert. Einsatz bei Präzisionsgehäusen, flachen Strukturplatten und Bauteilen, bei denen die bei GF-Typen auftretende Verformung zu Maßproblemen führt. Besonders relevant für große, flache Teile, bei denen die GF-Faserorientierung zu inakzeptablen Schrumpfungsunterschieden führen würde.
PEI-Typen mit hohem Durchfluss
Mehrere kommerzielle Typen – darunter Ultem 1010 und bestimmte Sabic CRS-Typen – sind auf einen verbesserten Schmelzfluss bei gleicher Temperatur ausgelegt und ermöglichen so das dünnwandige Spritzgießen komplexer Geometrien, für die bei Typen mit Standardviskosität ein übermäßig hoher Druck erforderlich wäre. Das für den Kontakt mit Lebensmitteln zugelassene Ultem 1010 ist zudem die Standardspezifikation für Komponenten von Lebensmittelverarbeitungsanlagen, die die Anforderungen der NSF 51 und der FDA erfüllen und autoklavierbar sein müssen.
Extem (PEI-SI) – Wenn Standard-PEI nicht ausreicht
Für Anwendungen, bei denen die Glasübergangstemperatur (Tg) von 217 °C bei Standard-PEI nicht ausreicht – bestimmte Halbleiter-Prozessanlagen, industrielle Hochtemperatur-Werkzeuge und Anwendungen in der Automobilindustrie im Umfeld von hochwärmeentwickelnder Leistungselektronik – bieten die „Extem“-Typen von SABIC (Polyetherimid-Siloxan-Copolymere) Glasübergangstemperaturen von bis zu 267 °C und behalten dabei die Spritzgießbarkeit bei, die PEI von vollständig aromatischen Polyimiden (Vespel, Torlon) unterscheidet, die alternative Verarbeitungsverfahren erfordern.
Wenn PEI-Kunststoff die von den Ingenieuren festgelegte Spezifikation ist
Innenausstattung für die Luft- und Raumfahrt
FAR 25.853 (Federal Aviation Regulation zur Entflammbarkeit von Flugzeuginnenausstattungen) und die OSU-Anforderungen an die Wärmefreisetzung bestimmen die Materialauswahl für Komponenten der Flugzeugkabinenausstattung – Sitzkomponenten, Deckenverkleidungen, Einbauten in der Bordküche und Luftkanäle. Dank seiner inhärenten UL94-5VA-Einstufung, der geringen Rauchentwicklung (Sauerstoffindex 47%) und der halogenfreien Flammhemmung ohne Zusatzstoffe ist PEI einer der bevorzugten technischen Thermoplaste für Komponenten im Flugzeuginnenraum.
Die Gewichtsersparnis im Vergleich zu Metall – PEI mit 1,27 g/cm³ gegenüber Aluminium mit 2,7 g/cm³ – ist ein sekundärer Vorteil, der sich bei den vielen hundert Kunststoffbauteilen im Innenraum eines modernen Verkehrsflugzeugs zu einer beträchtlichen Einsparung summiert.
Medizinprodukte und sterilisierbare Geräte
PEI-Kunststoff hält einer Dampfsterilisation im Autoklav bei 134 °C über Hunderte von Zyklen hinweg stand, ohne dass es zu Maßänderungen oder einer Verschlechterung der Eigenschaften kommt – ein Leistungsniveau, das PC (das sich bei Dampfeinwirkung oberhalb von 130 °C verzieht), PA (das während der Sterilisation Feuchtigkeit aufnimmt und dadurch seine Maße verändert) und PBT (dessen Esterbindungen unter Dampfbedingungen hydrolyseanfällig sind) nicht erreichen können.
Für wiederverwendbare chirurgische Instrumente, Gehäuse von Diagnosegeräten, Komponenten von zahnärztlichen Behandlungseinheiten und Teile für die Laborautomatisierung, die wiederholt dampfsterilisiert werden müssen, ist PEI-Kunststoff der Standard unter den technischen Thermoplasten. Er besteht zudem die Sterilisation durch Gammastrahlung und EtO, wobei die Eigenschaften bei den meisten medizinischen Qualitäten in akzeptablem Maße erhalten bleiben.
Biokompatibilität — ISO 10993 Die bewerteten Qualitäten sind im Handel bei SABIC erhältlich. Ultem in medizinischer Qualität, das die Anforderungen der USP-Klasse VI und der Norm ISO 10993 erfüllt, bildet die Grundlage für die Spezifikation von Komponenten in Medizinprodukten, die mit Patienten oder Flüssigkeiten in Kontakt kommen.
Anlagen zur Herstellung von Halbleitern und Elektronik
Die Kombination aus Hochtemperaturbeständigkeit, dielektrischer Konsistenz und geringer Ausgasung macht PEI-Kunststoff zu einem Standardwerkstoff für Anlagen zur Handhabung von Halbleiterwafern, IC-Testbuchsen, Komponenten für Burn-in-Platinen und Leiterplattensteckverbinder, die in Hochtemperatur-Testumgebungen eingesetzt werden.
Für Anwendungen, bei denen eine Verunreinigung der Waferoberflächen durch Metallionen während der Bearbeitung ein Risiko für die Ausbeute darstellt, werden hochreine Qualitäten mit kontrollierten Ionenverunreinigungswerten vorgeschrieben.
Elektrische Hochtemperaturkomponenten für die Automobilindustrie
Dank seiner HDT von 198–210 °C eignet sich PEI-Kunststoff für elektrische Anwendungen im Automobilbereich, bei denen die Nähe zu Verbrennungsmotoren, Hochleistungselektronik und abgasnahen thermischen Umgebungen die praktischen Grenzen von PA66 GF30 überschreitet. Sensorgehäuse an oder in der Nähe von Motorblöcken, Hochspannungssteckergehäuse in Batteriemanagementsystemen von Elektrofahrzeugen sowie Resolvergehäuse in Traktionsmotoren sind allesamt Anwendungsbereiche, in denen PEI-Kunststoff eine Leistungsfähigkeit bietet, die herkömmliche technische Kunststoffe nicht zuverlässig gewährleisten können.
Unser Automobil-Spritzgießen Zu den Kompetenzen von Dimud gehört die Herstellung von PEI-Kunststoffen für Sensorgehäuse und Hochtemperatur-Steckverbinderkomponenten für Tier-1-Kunden aus der Automobilbranche in Europa und Nordamerika.
PEI-Kunststoff vs. PEEK: Die Hochleistungswahl, bei der die meisten Ingenieure falsch liegen
PEI und PEEK sind die beiden wirtschaftlich bedeutendsten Hochleistungs-Thermoplaste für den Spritzguss. Sie sind nicht austauschbar, und eine falsche Wahl in die eine oder andere Richtung führt entweder zu finanziellen Verlusten (Überdimensionierung mit PEEK) oder zu Leistungseinbußen (Unterdimensionierung mit PEI, wenn PEEK erforderlich ist).
| Eigentum | PEI (Ultem 1000) | PEEK (ungefüllt) |
|---|---|---|
| Dauerbetriebstemperatur. | 170 °C | 250 °C |
| Glasübergangstemperatur | 217 °C | 143 °C (Tg), 343 °C (Tm) |
| Zugfestigkeit | 105 MPa | 100 MPa |
| Chemische Beständigkeit gegenüber chlorierten Lösungsmitteln | Schlecht — ESC-Risiko | Ausgezeichnet |
| Chemische Beständigkeit gegenüber konzentrierter H₂SO₄ | Begrenzt | Begrenzt |
| Inhärente Flammwidrigkeit (UL94 V-0) | Ja – ohne Zusatzstoffe | Ja – ohne Zusatzstoffe |
| Beständigkeit gegen Gammastrahlung | Gut | Ausgezeichnet |
| Materialkosten (relativ) | Niedriger (1×) | Höher (3–5×) |
| Verarbeitungstemperatur | 340–420 °C | 360–400 °C |
| Kristallstruktur | Amorph | teilkristallin |
Entscheiden Sie sich für PEI-Kunststoff, wenn: die maximale Betriebstemperatur liegt dauerhaft unter 200 °C; eine inhärente halogenfreie Flammhemmung ist erforderlich; eine Sterilisierbarkeit im Autoklav unter Standardbedingungen bei 134 °C ist erforderlich; die dielektrische Stabilität über den gesamten Temperaturbereich ist die wichtigste elektrische Anforderung; oder die Kosten stellen einen wesentlichen Einschränkungsfaktor zwischen den beiden Werkstoffen dar.
Entscheiden Sie sich für PEEK, wenn: die Betriebstemperatur liegt dauerhaft über 200 °C; die Anwendung beinhaltet einen längeren Kontakt mit aggressiven organischen Lösungsmitteln (insbesondere chlorierten oder aus der Keton-Familie); Verschleißfestigkeit ist eine vorrangige Anforderung (PEEK ist deutlich verschleißfester); oder das Bauteil wird in medizinischen oder nuklearen Anwendungen einer längeren Gammastrahlung ausgesetzt.
Die häufigste falsche Materialauswahl ist der Einsatz von PEEK aufgrund seiner Temperaturbeständigkeit in einer Anwendung, in der PEI die gleiche Leistung erbringen würde – und das bei 3–5-mal geringeren Materialkosten. Liegt die Dauerbetriebstemperatur unter 170 °C, sollte standardmäßig PEI gewählt werden, es sei denn, spezifische Anforderungen hinsichtlich Chemikalienbeständigkeit oder Verschleißfestigkeit sprechen für PEEK.
Häufige Fehler beim PEI-Spritzgießen und ihre Ursachen
Da PEI-Kunststoff in erster Linie für Hochleistungsanwendungen – Luft- und Raumfahrt, Medizin, Präzisionselektronik – vorgesehen ist, liegt die Fehlertoleranz praktisch bei Null. Das Verständnis der Grundursache jeder Fehlerart ist bei der PEI-Produktion wichtiger als bei der Verarbeitung von Standard-Thermoplasten.
Silberne Streifen / Ausbreitung: Der häufigste Fehler beim PEI-Spritzgießen. Die eigentliche Ursache in den allermeisten Fällen: unzureichende Trocknung. Ein PEI-Feuchtigkeitsgehalt von über 0,05% zum Zeitpunkt der Verarbeitung verdampft im Zylinder und führt zu einer Ausbreitung an der Oberfläche. Sekundäre Ursachen: eine zu hohe Schmelztemperatur von über 430 °C, die zu thermischem Abbau führt, oder Totzonen in der Düse oder im Angusskanal, in denen PEI zwischen den Schussvorgängen stagniert. Priorität bei der Lösung: Überprüfen Sie zunächst das Trocknungsprotokoll und den Taupunkt.
Verfärbungen / braune oder schwarze Streifen: Thermischer Abbau durch eine Schmelztemperatur von über ~430 °C, eine zu lange Verweildauer im Zylinder oder eine Stagnation an der Düsenspitze. Lösung: Die Zylindersollwerte in Schritten von 10 °C senken und dabei die Füllleistung überwachen; die Verweildauer durch Anpassung der Schussgröße im Verhältnis zur Zylinderkapazität verkürzen; die Düse durch eine Düse mit positiver Absperrung ersetzen.
Kurzfotos: Unzureichende Schmelztemperatur (zu niedrig für einen ausreichenden Fließverhalten), zu kleine Angusskanäle, die einen übermäßigen Druckabfall verursachen, oder eine zu niedrige Formtemperatur, die zu einem vorzeitigen Erstarren führt. Lösung: Überprüfen Sie die Schmelztemperatur mit einem Pyrometer (verlassen Sie sich nicht ausschließlich auf die Sollwerte des Zylinders); überprüfen Sie die Abmessungen der Angusskanäle anhand der für die Wandstärke empfohlenen Mindestmaße; erhöhen Sie den Sollwert für die Formtemperatur.
Einsinkstellen: Unzureichender Nachdruck oder zu kurze Nachdruckzeit; Einlauf erstarrt, bevor die Formkammer vollständig ausgefüllt ist; Geometrie mit dicken Wandstärken, die zu lokalem Schrumpfbedarf führt. Lösung: Nachdruck und Nachdruckzeit erhöhen; sicherstellen, dass die Einlaufgröße für die Ausfüllung der dicksten Wandstärke ausreicht; Überlaufmulden neben den dicken Wandstärken anbringen, falls der Einlauf nicht versetzt werden kann.
Auf klaren oder bernsteinfarbenen, transparenten Oberflächen sichtbare Schweißnähte: Zwei Schmelzfronten treffen bei zu niedriger Temperatur aufeinander – die Form ist zu kalt, die Einspritzgeschwindigkeit am Konvergenzpunkt zu langsam. Lösung: Die Formtemperatur auf etwa 150 °C erhöhen; eine profilierte Einspritzgeschwindigkeit verwenden, um die Temperatur der Schmelzfront am Konvergenzpunkt aufrechtzuerhalten.
Spannungsbedingte Verfärbung / Rissbildung nach der Montage: Umgebungsbedingte Spannungsrisse aufgrund von Chemikalienkontakt in Verbindung mit Montage- oder Einpressvorspannung. Hierbei handelt es sich nicht um einen Verarbeitungsfehler, sondern um ein Problem der Konstruktion oder der Materialspezifikation. Überprüfen Sie die Karte zur Chemikalienbelastung und die mechanische Belastung an allen Kontaktpunkten; beurteilen Sie, ob ein Wechsel der Werkstoffsorte oder eine Konstruktionsänderung erforderlich ist.
Zusammenarbeit mit Dimud bei Kunststoffprojekten auf PEI
Das PEI-Spritzgießen ist ein Verfahren, in das die meisten Auftragsfertiger nicht investieren – die Anforderungen an die Ausrüstung, die Trocknung sowie das Management des Verarbeitungsfensters erfordern eine spezielle Infrastruktur und dokumentiertes Prozesswissen, über das allgemeine Spritzgussbetriebe nicht verfügen.
Dimuds Ansatz bei der Herstellung von PEI-Kunststoffen konzentriert sich auf die drei Bereiche, in denen die meisten PEI-Projekte scheitern:
Trocknungsnachweis, keine Vermutung: Jeder PEI-Produktionslauf beginnt mit einem dokumentierten Trocknungszyklusprotokoll, das die Trocknertemperatur, die Dauer sowie die Taupunktmessung am Trocknerausgang enthält. Wir gehen nicht davon aus, dass ein korrekt eingestellter Trockner-Timer automatisch zu korrekt getrocknetem Material führt. Das Taupunktprotokoll dient als Nachweis und wird den Kunden als Teil unseres Prozessdokumentationspakets zur Verfügung gestellt.
Hochtemperaturbeständige Werkzeuge: Die PEI-Formen bei Dimud werden aus H13-Werkzeugstahl konstruiert und gefertigt und verfügen über ölbeheizte Formtemperaturregelungssysteme, die stabile Sollwerte bis 175 °C gewährleisten. Dies ist keine Standard-Formenausstattung – es handelt sich um eine gezielte Investition in die Leistungsfähigkeit für die Verarbeitung von Hochleistungs-Technikkunststoffen. Unsere Schnellwerkzeugbau Der Service kann zudem PEI-kompatible Prototypenwerkzeuge für die Erstmusterprüfung bereitstellen, bevor in Serienwerkzeuge investiert wird.
DFM mit Schwerpunkt auf ESC-Risiken und Montageauslegung: Die ESC-Anfälligkeit von PEI ist in den üblichen Materialeigenschaftstabellen nicht ersichtlich und wird in den meisten Materialdatenblättern nicht in der für Ingenieure praxisrelevanten Form hervorgehoben. Unsere Analyse der Fertigungsfreundlichkeit Bei PEI-Kunststoffprojekten werden die Risiken einer chemischen Belastung explizit erfasst, durch die Montage verursachte Spannungskonzentrationen identifiziert und die Lage der Angussstellen im Verhältnis zu Bereichen mit Restspannungsansammlungen überprüft – noch bevor mit dem Werkzeugbau begonnen wird.
Wir arbeiten mit Kunden aus verschiedenen Branchen zusammen, in denen die Leistungsmerkmale von PEI-Kunststoffen eine echte Anforderung darstellen: Innenausstattungskomponenten für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Geräte, die einer Dampfsterilisation unterzogen werden müssen, elektrische Hochtemperaturteile für die Automobilindustrie sowie Gehäuse für Halbleiterausrüstung. Mit unseren integrierten Kapazitäten in den Bereichen Formenbau, CNC-Bearbeitung und Fertigung bedienen wir Kunden in Europa, Nordamerika und dem Nahen Osten.
Entdecken Sie unser komplettes Leitfaden zu Spritzgusswerkstoffen um zu erfahren, welchen Platz PEI im gesamten Spektrum der von uns verarbeiteten technischen Thermoplaste einnimmt, oder kontaktieren Sie uns direkt, um Ihre Anforderungen im Bereich des PEI-Spritzgussverfahrens zu besprechen.
Häufig gestellte Fragen zu PEI-Kunststoff
PEI steht für Polyetherimid – einen amorphen, hochleistungsfähigen technischen Thermoplast aus der Polyimid-Familie, der zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit Etherbindungen enthält. Ultem ist der Handelsname von SABIC für PEI-Harz, das ursprünglich in den 1980er Jahren von GE Plastics entwickelt wurde. Ultem ist die marktführende Form von PEI für den Spritzguss und in fast 100 Typen erhältlich, die von ungefülltem, transparentem, bernsteinfarbenem Material bis hin zu glas- und mineralverstärkten Strukturkomponenten reichen.
PEI-Kunststoff weist eine Glasübergangstemperatur von 217 °C und eine Wärmeformbeständigkeitstemperatur von 198 °C bei einer Belastung von 1,82 MPa auf (ungefüllte Typen). Die Dauerbetriebstemperatur liegt bei ungefülltem PEI bei etwa 170 °C und bei GF30-Typen bei bis zu 180 °C. Kurzzeitige Spitzentemperaturen bis 200 °C sind in Anwendungen mit geringer Belastung zulässig. Für den Dauerbetrieb über 200 °C sind Extem-Typen (PEI-Siloxan-Copolymer) oder PEEK die geeigneten Werkstoffe.
Die hohe Glasübergangstemperatur von PEI (217 °C) und sein starres aromatisches Grundgerüst erfordern hohe Schmelztemperaturen – 340–420 °C –, um einen für das Spritzgießen ausreichenden Schmelzfluss zu erreichen. Dies ist eine direkte Folge der thermischen Stabilität, die PEI für den Einsatz bei hohen Betriebstemperaturen geeignet macht. Das Verarbeitungsfenster zwischen der Mindestfließtemperatur und dem Einsetzen der thermischen Zersetzung (~430 °C) beträgt etwa 40–80 °C, was eine präzisere Temperaturregelung des Zylinders erfordert als bei den meisten technischen Kunststoffen.
Ja – PEI-Kunststoff ist einer der bevorzugten technischen Thermoplaste für wiederverwendbare medizinische Produkte, die eine Dampfautoklavsterilisation bei 121 °C oder 134 °C erfordern. Seine Glasübergangstemperatur von 217 °C liegt 83 °C über den Standardbedingungen im Autoklav, was bedeutet, dass das Material über Hunderte von Sterilisationszyklen hinweg seine Formstabilität behält, ohne zu erweichen oder sich zu verziehen. Es eignet sich zudem für die Sterilisation mittels Gammastrahlung und EtO (Ethylenoxid). Überprüfen Sie bei Anwendungen mit Patientenkontakt stets die medizinischen Zertifizierungsunterlagen des jeweiligen Typs.
Beide sind hochleistungsfähige technische Thermoplaste, die sich durch hohe Temperaturbeständigkeit, Flammhemmung und eine breite chemische Beständigkeit auszeichnen. Wesentliche Unterschiede: PEI-Kunststoff ist amorph mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von 217 °C; PEEK ist teilkristallin mit einer Schmelztemperatur (Tm) von 343 °C und einer Dauergebrauchstemperatur von bis zu 250 °C. PEEK weist eine überlegene Beständigkeit gegenüber chlorierten Lösungsmitteln und aggressiven chemischen Umgebungen auf, in denen bei PEI das Risiko einer ESC besteht. PEI-Kunststoff verfügt über eine bessere inhärente Flammhemmung und niedrigere Materialkosten (typischerweise 3–5-mal geringer als bei PEEK). Für Anwendungen unter 200 °C ohne Einwirkung aggressiver Lösungsmittel bietet PEI-Kunststoff eine gleichwertige funktionale Leistung zu deutlich geringeren Kosten.
ESC auf PEI tritt auf, wenn das Material gleichzeitig einem chemischen Wirkstoff (insbesondere chlorierten Lösungsmitteln, Ketonen, aromatischen Kohlenwasserstoffen oder starken Laugen) und mechanischer Beanspruchung ausgesetzt ist – sei es durch aufgebrachte Lasten, Restformspannungen oder Vorbelastungen bei der Montage. Die Chemikalie dringt in die Polymeroberfläche ein und senkt die kritische Spannung für die Rissbildung unter das tatsächliche Spannungsniveau im Bauteil, was zu Haarrissen oder Sprödbruch führt. Zur Vorbeugung sind folgende Maßnahmen erforderlich: eine Bestimmung der chemischen Belastung vor der Materialauswahl; Konstruktionsmaßnahmen zur Minimierung von Restspannungen (ausreichende Eckenradien, gleichmäßige Wandstärke, geeignete Angussposition); sowie der Materialwechsel zu PEEK oder PPS für Anwendungen, bei denen eine unvermeidbare Einwirkung von ESC-auslösenden Stoffen vorliegt.
Bestimmte PEI-Kunststofftypen sind für Anwendungen mit Lebensmittelkontakt zertifiziert. Ultem 1010 verfügt beispielsweise über die Zertifizierungen NSF 51 (Materialien für Lebensmittelausrüstung), FDA-Konformität und WRAS. Diese Typen werden in Anlagen zur Lebensmittelverarbeitung, in Komponenten für die Getränkeausgabe und in Maschinen zur Milchverarbeitung eingesetzt, wo sowohl die Konformität mit den Vorschriften für den Kontakt mit Lebensmitteln als auch die Eignung für die Dampfsterilisation erforderlich sind. Nicht alle PEI-Kunststofftypen sind für den Kontakt mit Lebensmitteln zertifiziert – überprüfen Sie vor der Spezifizierung für Anwendungen mit Lebensmittelkontakt die Konformität des jeweiligen Typs und nicht nur der Polymerfamilie.
