Technische Kunststoffe: Eigenschaften, Herstellung und Anwendungen
Technische Kunststoffe sind thermoplastische Werkstoffe, die speziell für mechanisch, thermisch oder chemisch anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt werden. Im Vergleich zu Standardkunststoffen bieten sie je nach Material eine höhere Festigkeit, bessere Maßhaltigkeit, Verschleißfestigkeit oder Temperaturbeständigkeit.
Zu den bekannten technischen Kunststoffen zählen beispielsweise Polyamid (PA), Polyoxymethylen (POM) und Polycarbonat (PC). Werden noch höhere Anforderungen an Temperatur-, Chemikalien- oder Verschleißbeständigkeit gestellt, kommen Hochleistungskunststoffe wie PEEK zum Einsatz.
Doch was unterscheidet technische Kunststoffe von Standardkunststoffen, wie entstehen sie und welcher Werkstoff eignet sich für welche Anwendung?
Was sind technische Kunststoffe?
Technische Kunststoffe sind Kunststoffe, deren Eigenschaften gezielt auf technische und konstruktive Anwendungen ausgelegt sind. Sie werden unter anderem für Zahnräder, Lager, Führungen, Gehäuse, elektrische Bauteile und andere Funktionsteile eingesetzt.
Abhängig vom verwendeten Polymer können technische Kunststoffe unter anderem folgende Eigenschaften bieten:
- hohe mechanische Festigkeit und Steifigkeit
- gute Schlag- und Verschleißfestigkeit
- hohe Maßhaltigkeit
- gute Gleiteigenschaften
- elektrische Isoliereigenschaften
- Beständigkeit gegenüber ausgewählten Chemikalien
- höhere Temperaturbeständigkeit als viele Standardkunststoffe
- geringes Gewicht im Vergleich zu metallischen Werkstoffen
- gute Möglichkeiten zur spanenden und thermoplastischen Verarbeitung
Das konkrete Eigenschaftsprofil hängt immer vom jeweiligen Kunststoff, seiner Modifikation und den Einsatzbedingungen ab.
Welche technischen Kunststoffe gibt es?
Für industrielle Anwendungen stehen unterschiedliche technische Kunststoffe zur Verfügung. Besonders häufig eingesetzt werden PA, POM und PC. Für außergewöhnlich hohe Anforderungen kommen zusätzlich Hochleistungskunststoffe wie PEEK, PPS oder PEI infrage.
Polyamid (PA)
Polyamid zeichnet sich durch eine gute Kombination aus Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit aus. Je nach PA-Typ eignet sich der Werkstoff beispielsweise für Zahnräder, Rollen, Lager, Buchsen und andere mechanisch beanspruchte Bauteile.
Bei der Konstruktion muss die Feuchtigkeitsaufnahme des Werkstoffs berücksichtigt werden, da sie die Abmessungen und mechanischen Eigenschaften beeinflussen kann.
Polyoxymethylen (POM)
POM wird häufig eingesetzt, wenn eine hohe Maßhaltigkeit, gute Gleiteigenschaften und eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme gefragt sind.
Typische Anwendungen sind:
- Zahnräder
- Lagerbuchsen
- Führungselemente
- Ventilbauteile
- Gehäuse
- Präzisions- und Funktionsteile
Aufgrund seiner guten Zerspanbarkeit eignet sich POM zudem besonders gut für präzise bearbeitete Kunststoffbauteile.
Polycarbonat (PC)
Polycarbonat verbindet hohe Schlagzähigkeit mit Transparenz und guten elektrischen Eigenschaften. Dadurch wird PC beispielsweise für transparente Abdeckungen, Schutzkomponenten, Gehäuse und elektrische Anwendungen verwendet.
PEEK und weitere Hochleistungskunststoffe
Wenn klassische technische Kunststoffe aufgrund hoher Temperaturen, aggressiver Medien oder außergewöhnlicher mechanischer Belastungen nicht ausreichen, werden Hochleistungskunststoffe eingesetzt.
Ein wichtiger Vertreter ist PEEK. Der Werkstoff kombiniert eine hohe Temperaturbeständigkeit mit guten mechanischen Eigenschaften sowie einer ausgeprägten Chemikalien- und Verschleißbeständigkeit.
Weitere Hochleistungskunststoffe sind beispielsweise PPS, PEI, PAI, PPSU, PSU und Polyimide.
Wie entstehen technische Kunststoffe?
Die Herstellung technischer Kunststoffe beginnt auf molekularer Ebene. Ausgangspunkt sind Monomere, aus denen durch chemische Reaktionen lange Molekülketten – die Polymere – aufgebaut werden.
Welche Eigenschaften der spätere Kunststoff besitzt, hängt wesentlich vom Aufbau dieser Polymerketten ab. Zusätzlich können Additive, Fasern und Füllstoffe eingesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften gezielt zu verändern.
Grundsätzlich kommen für die Polymerbildung verschiedene Reaktionsmechanismen infrage.
Polymerisation
Bei der Polymerisation werden geeignete Monomere zu langen Polymerketten miteinander verbunden. Auf diese Weise werden zahlreiche thermoplastische Kunststoffe hergestellt.
Polykondensation
Bei einer Polykondensation reagieren Moleküle miteinander, wobei gleichzeitig kleinere Moleküle als Nebenprodukte abgespalten werden können. Dieses Verfahren spielt beispielsweise bei verschiedenen Polyamiden und Polyestern eine Rolle.
Polyaddition
Bei einer Polyaddition reagieren verschiedene Ausgangsmoleküle miteinander, ohne dass dabei ein kleines Molekül als Nebenprodukt abgespalten werden muss.
Welches Verfahren eingesetzt wird, hängt von der chemischen Struktur des gewünschten Kunststoffs ab.
Vom Polymer zum technischen Kunststoff
Mit der Herstellung des Grundpolymers ist die Werkstoffentwicklung noch nicht abgeschlossen. Das Material kann anschließend gezielt modifiziert werden, um bestimmte technische Eigenschaften zu erreichen.
Additive
Additive können beispielsweise verwendet werden, um Eigenschaften wie UV-Beständigkeit, Flammschutz, Gleitverhalten oder Verarbeitbarkeit zu beeinflussen.
Glas- und Kohlenstofffasern
Faserverstärkungen können die mechanischen Eigenschaften eines Kunststoffs erheblich verändern. Glasfasern oder Kohlenstofffasern werden beispielsweise eingesetzt, wenn eine höhere Steifigkeit oder Festigkeit benötigt wird.
Füllstoffe
Mineralische und andere Füllstoffe ermöglichen ebenfalls eine gezielte Anpassung des Werkstoffs. Je nach Zusammensetzung können unter anderem Dimensionsstabilität, Reibungsverhalten oder andere technische Eigenschaften beeinflusst werden.
Durch solche Modifikationen entstehen Werkstoffvarianten, die gezielt auf bestimmte industrielle Anwendungen abgestimmt werden können.
Wie werden technische Kunststoffe verarbeitet?
Nach der Herstellung und Modifikation des Werkstoffs muss der Kunststoff in die gewünschte Form gebracht werden. Dafür stehen unterschiedliche Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren zur Verfügung.
Extrusion
Bei der Extrusion wird der erwärmte Kunststoff kontinuierlich durch ein formgebendes Werkzeug geführt. Das Verfahren eignet sich beispielsweise für die Herstellung von Platten, Stäben, Rohren oder Profilen.
Spritzgießen
Beim Spritzgießen wird aufgeschmolzener Kunststoff unter Druck in ein Werkzeug eingebracht. Dadurch lassen sich komplexe Geometrien in größeren Stückzahlen herstellen.
Spanende Kunststoffbearbeitung
Technische Kunststoffe können außerdem aus Halbzeugen präzise spanend bearbeitet werden. Die Kunststoffbearbeitung umfasst beispielsweise Fräsen, Drehen und Bohren.
Für Bauteile mit engen Toleranzen stehen unter anderem CNC-Fräsen und CNC-Drehen zur Verfügung.
Welches Verfahren geeignet ist, hängt vom Werkstoff, der Bauteilgeometrie, den geforderten Toleranzen und der benötigten Stückzahl ab.
Technische Kunststoffe und Standardkunststoffe im Vergleich
Standardkunststoffe werden für zahlreiche weniger anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt. Technische Kunststoffe bieten dagegen Eigenschaftsprofile, die sie für stärker belastete Funktionsteile interessant machen.
| Eigenschaft | Standardkunststoffe | Technische Kunststoffe |
|---|---|---|
| Mechanische Belastbarkeit | eher gering bis mittel | mittel bis hoch |
| Maßhaltigkeit | abhängig vom Werkstoff | häufig sehr gut |
| Verschleißfestigkeit | abhängig vom Werkstoff | bei geeigneten Werkstoffen hoch |
| Temperaturbeständigkeit | meist geringer | in der Regel höher |
| Technische Funktionsteile | bedingt geeignet | häufig sehr gut geeignet |
| Kosten | meist niedriger | meist höher |
Die Grenzen zwischen den Werkstoffgruppen sind nicht vollkommen eindeutig. Für die praktische Auswahl sind deshalb die konkreten Anforderungen an das Bauteil wichtiger als die reine Werkstoffklasse.
Technische Kunststoffe oder Hochleistungskunststoffe?
Technische Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe sollten nicht gleichgesetzt werden.
Klassische technische Kunststoffe wie PA, POM oder PC decken bereits zahlreiche Anwendungen im Maschinenbau, Fahrzeugbau und in der Elektroindustrie ab.
Hochleistungskunststoffe kommen vor allem dann ins Spiel, wenn zusätzliche Anforderungen bestehen, beispielsweise:
- dauerhaft hohe Temperaturen
- aggressive Chemikalien
- hohe mechanische Dauerbelastungen
- besondere Reinheitsanforderungen
- starke Reibungs- und Verschleißbeanspruchung
- hohe Anforderungen an Dimensionsstabilität
Die Auswahl sollte deshalb immer anhand der tatsächlichen Betriebsbedingungen erfolgen.
Wo werden technische Kunststoffe eingesetzt?
Technische Kunststoffe finden sich heute in nahezu allen Industriebranchen. Besonders verbreitet sind sie im Maschinen- und Anlagenbau, in der Fahrzeugtechnik, Elektroindustrie, Medizintechnik sowie in der Förder- und Automatisierungstechnik.
Typische Bauteile sind beispielsweise:
- Zahnräder und Rollen
- Gleitlager und Buchsen
- Führungen und Gleitelemente
- Dichtungs- und Ventilbauteile
- Gehäuse
- Isolierbauteile
- Pumpenkomponenten
- Präzisionsteile
- konstruktive Bauteile nach Zeichnung
Der Vorteil technischer Kunststoffe liegt dabei häufig in der Kombination verschiedener Eigenschaften. Neben der mechanischen Belastbarkeit können beispielsweise niedriges Gewicht, Korrosionsfreiheit, elektrische Isolation oder gute Gleiteigenschaften für eine Anwendung relevant sein.
Welcher technische Kunststoff ist der richtige?
Die Materialauswahl sollte nicht allein anhand des Kunststoffnamens erfolgen. Für die Konstruktion eines zuverlässigen Bauteils müssen die tatsächlichen Einsatzbedingungen berücksichtigt werden.
Wichtige Auswahlkriterien sind:
| Anforderung | Zu prüfende Faktoren |
|---|---|
| Mechanische Belastung | Festigkeit, Steifigkeit, Druckbelastung, Schlagbeanspruchung |
| Temperatur | Dauergebrauch, Temperaturspitzen, Wärmeausdehnung |
| Chemikalienkontakt | Medium, Konzentration, Temperatur und Einwirkdauer |
| Reibung und Verschleiß | Gleitpartner, Geschwindigkeit, Flächenpressung |
| Maßhaltigkeit | Feuchtigkeitsaufnahme, Wärmeausdehnung, Toleranzen |
| Elektrische Anforderungen | Isolation und weitere elektrische Eigenschaften |
| Fertigung | Fräsen, Drehen, Extrusion oder andere Verfahren |
| Zulassungen | branchenspezifische Anforderungen und Werkstofffreigaben |
Für Präzisionsteile können beispielsweise die geringe Feuchtigkeitsaufnahme und gute Maßhaltigkeit von POM von Vorteil sein. PA bietet dagegen eine interessante Kombination aus Zähigkeit und Verschleißfestigkeit. Bei besonders hohen thermischen und chemischen Anforderungen können Werkstoffe wie PEEK geeigneter sein.
Technische Kunststoffe als Halbzeuge und Fertigteile
Technische Kunststoffe werden je nach Werkstoff und Anwendung als Platten, Rundstäbe, Rohre, Profile oder andere Kunststoffhalbzeuge bereitgestellt.
Aus diesen Halbzeugen können anschließend individuelle Bauteile nach Zeichnung gefertigt werden. Gerade bei kleinen und mittleren Stückzahlen oder Bauteilen mit anspruchsvollen Geometrien bietet die spanende Fertigung eine flexible Möglichkeit, technische Kunststoffteile präzise herzustellen.
Martan Plastics unterstützt Sie bei der Auswahl geeigneter Kunststoffe sowie bei der Umsetzung individueller Halbzeuge und Fertigteile für industrielle Anwendungen.
Häufige Fragen zu technischen Kunststoffen
Was versteht man unter technischen Kunststoffen?
Technische Kunststoffe sind Werkstoffe mit Eigenschaften, die sie für technische und konstruktive Anwendungen qualifizieren. Je nach Kunststoff bieten sie beispielsweise hohe Festigkeit, Steifigkeit, Verschleißfestigkeit, Maßhaltigkeit oder Temperaturbeständigkeit.
Welche Kunststoffe gehören zu den technischen Kunststoffen?
Zu den häufig eingesetzten technischen Kunststoffen gehören unter anderem Polyamid (PA), Polyoxymethylen (POM) und Polycarbonat (PC). Darüber hinaus gibt es besonders leistungsfähige Hochleistungskunststoffe wie PEEK, PPS oder PEI.
Was ist der Unterschied zwischen technischen Kunststoffen und Standardkunststoffen?
Technische Kunststoffe besitzen in der Regel bessere mechanische, thermische oder funktionale Eigenschaften und eignen sich dadurch besonders für belastete Bauteile. Standardkunststoffe werden dagegen häufig für weniger anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt.
Wie werden technische Kunststoffe hergestellt?
Zunächst werden aus geeigneten Ausgangsstoffen Polymere aufgebaut. Anschließend können die Kunststoffe mit Additiven, Fasern oder Füllstoffen modifiziert und beispielsweise durch Extrusion oder Spritzgießen verarbeitet werden.
Welche technischen Kunststoffe eignen sich für den Maschinenbau?
Häufig verwendete Werkstoffe sind beispielsweise PA und POM. Bei sehr hohen thermischen, chemischen oder mechanischen Anforderungen können Hochleistungskunststoffe wie PEEK infrage kommen. Die Auswahl hängt von Belastung, Temperatur, Medienkontakt, Reibung und geforderter Maßhaltigkeit ab.
Lassen sich technische Kunststoffe CNC-bearbeiten?
Viele technische Kunststoffe lassen sich sehr gut spanend bearbeiten. Verfahren wie CNC-Fräsen und CNC-Drehen ermöglichen die Herstellung individueller Kunststoffteile mit komplexen Geometrien und engen Toleranzen.