Materialauswahl für Hochleistungskunststoffe: Kriterien und Werkstoffe im Vergleich

Hochleistungskunststoffe kommen dort zum Einsatz, wo Standardkunststoffe und viele technische Kunststoffe an ihre thermischen, mechanischen oder chemischen Grenzen gelangen. Sie werden unter anderem für stark belastete Bauteile, hohe Betriebstemperaturen, aggressive Medien, elektrische Anwendungen und besonders anspruchsvolle industrielle Umgebungen eingesetzt.

Doch welcher Hochleistungskunststoff eignet sich für welche Anwendung?

Für die Materialauswahl sollten Sie nicht nur einzelne Kennwerte betrachten. Temperatur, mechanische Belastung, Medienkontakt, Verschleiß, Maßhaltigkeit, Fertigungsverfahren und mögliche Zulassungen müssen gemeinsam bewertet werden.

Hochleistungskunststoffe werden auch als Hochleistungspolymere beziehungsweise High Performance Polymers bezeichnet. Zu den bekannten Werkstoffen dieser Gruppe zählen unter anderem PEEK, PPS, PEI, PPSU und PAI. Je nach Anforderung können außerdem Werkstoffe wie PTFE oder PVDF eine geeignete Lösung darstellen.

Welcher Hochleistungskunststoff eignet sich für welche Anforderung?

Eine erste Vorauswahl kann anhand der wichtigsten Betriebsbedingungen erfolgen:

Anforderung	Werkstoffe für die Vorauswahl
hohe Dauergebrauchstemperaturen	PEEK, PPS, PAI, PI
hohe Chemikalienbeständigkeit	PTFE, PEEK, PVDF, PPS
hohe mechanische Belastbarkeit	PEEK, PAI, PPS
hohe Dimensionsstabilität	PEEK, PPS, PEI
Sterilisierbarkeit	PEEK, PPSU
geringe Reibung und gutes Gleitverhalten	PTFE, geeignete modifizierte Hochleistungskunststoffe
elektrische Isolation	PEI, PEEK, PPS
anspruchsvolle industrielle Bauteile	PEEK, PPS, PEI, PAI

Diese Übersicht dient als erste Orientierung. Für die tatsächliche Materialauswahl müssen die konkreten Betriebsbedingungen Ihrer Anwendung berücksichtigt werden.

Die wichtigsten Kriterien bei der Auswahl von Hochleistungskunststoffen

1. Betriebstemperatur bestimmen

Die Temperaturbeständigkeit gehört zu den wichtigsten Kriterien bei der Auswahl eines Hochleistungskunststoffs.

Dabei sollten Sie nicht ausschließlich die maximale kurzfristige Temperatur betrachten. Relevant sind insbesondere:

• dauerhafte Betriebstemperatur
• kurzzeitige Temperaturspitzen
• Temperaturwechsel
• mechanische Belastung bei erhöhter Temperatur
• Kontakt mit Medien bei erhöhter Temperatur

Ein Werkstoff kann bei Raumtemperatur sehr gute mechanische Eigenschaften besitzen und diese bei höheren Temperaturen teilweise verlieren.

Wenn die Temperaturbeständigkeit das zentrale Auswahlkriterium Ihrer Anwendung ist, finden Sie weitere Informationen auf unserer Seite zu Hochtemperatur-Kunststoffen.

2. Mechanische Belastung analysieren

Bei mechanisch beanspruchten Bauteilen sollten Sie klären, welchen Belastungsarten der Werkstoff dauerhaft ausgesetzt ist.

Dazu gehören beispielsweise:

• Zugbelastung
• Druckbelastung
• Biegung
• Schlagbeanspruchung
• Flächenpressung
• Kriechbelastung
• wechselnde oder dynamische Belastungen

PEEK und PAI kommen beispielsweise häufig dann infrage, wenn hohe mechanische Festigkeit und Temperaturbeständigkeit miteinander kombiniert werden müssen.

Neben der reinen Festigkeit spielen jedoch auch Steifigkeit, Zähigkeit und das Langzeitverhalten des Werkstoffs eine wichtige Rolle.

3. Chemikalienbeständigkeit prüfen

Bei Kontakt mit Chemikalien reicht es nicht aus, nur den Namen des Mediums zu betrachten.

Für eine belastbare Werkstoffauswahl sollten Sie unter anderem berücksichtigen:

• Art des Mediums
• Konzentration
• Betriebstemperatur
• Kontaktdauer
• mechanische Belastung während des Medienkontakts
• mögliche Kombination verschiedener Chemikalien

Werkstoffe wie PTFE, PEEK, PVDF und PPS zeichnen sich durch eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber zahlreichen Medien aus. Die konkrete Eignung muss jedoch immer unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen geprüft werden.

4. Reibung und Verschleiß berücksichtigen

Für Lager, Führungen, Gleitelemente und andere bewegte Komponenten sind Reibungs- und Verschleißeigenschaften besonders relevant.

Dabei sollten Sie unter anderem folgende Faktoren berücksichtigen:

• Gleitgeschwindigkeit
• Flächenpressung
• Gegenlaufpartner
• Schmierung
• Betriebstemperatur
• Verschmutzung
• Trockenlauf

PTFE besitzt beispielsweise sehr gute Gleiteigenschaften. Für höhere mechanische Anforderungen können auch modifizierte Hochleistungskunststoffe infrage kommen.

Weitere Informationen zu geeigneten Werkstoffen finden Sie auch im Beitrag zu selbstschmierenden Kunststoffen.

5. Dimensionsstabilität und Toleranzen bewerten

Bei präzisen Bauteilen ist nicht nur die Festigkeit des Materials relevant.

Auch folgende Eigenschaften beeinflussen die Maßhaltigkeit:

• Wärmeausdehnung
• Feuchtigkeitsaufnahme
• Temperaturwechsel
• innere Spannungen
• Kriechverhalten
• Bearbeitung und Fertigungsverfahren

Für Bauteile mit engen Toleranzen sollten Sie diese Eigenschaften bereits während der Materialauswahl berücksichtigen.

6. Elektrische Anforderungen definieren

Hochleistungskunststoffe werden häufig auch für elektrische und elektronische Anwendungen eingesetzt.

Je nach Bauteil können folgende Eigenschaften relevant sein:

• elektrische Isolation
• Durchschlagsfestigkeit
• dielektrische Eigenschaften
• Oberflächenwiderstand
• Kriechstromfestigkeit
• Temperaturbeständigkeit

PEI, PEEK und PPS gehören zu den Werkstoffen, die für unterschiedliche elektrische Anwendungen interessant sein können.

Für branchenspezifische Anforderungen finden Sie weitere Informationen unter Kunststoffe für die Elektroindustrie.

7. Zulassungen und Branchenanforderungen berücksichtigen

Je nach Einsatzgebiet können zusätzliche regulatorische Anforderungen gelten.

Dazu können beispielsweise gehören:

• Anforderungen an Lebensmittelkontakt
• medizinische Anwendungen
• Biokompatibilität
• Anforderungen an das Brandverhalten
• elektrische Normen
• branchenspezifische Freigaben

Nicht jede Werkstofftype besitzt automatisch dieselben Zulassungen. Relevant ist deshalb immer die konkrete Materialtype und nicht ausschließlich die Polymerfamilie.

Hochleistungskunststoffe im Vergleich

Die folgende Übersicht zeigt typische Eigenschaften verschiedener Hochleistungskunststoffe und verwandter Werkstoffe.

Werkstoff	Temperaturbeständigkeit	Chemikalienbeständigkeit	Mechanische Eigenschaften	Typische Einsatzbereiche
PEEK	sehr hoch	sehr hoch	sehr hoch	Maschinenbau, Medizintechnik, Elektronik, anspruchsvolle Konstruktionsteile
PPS	hoch	sehr hoch	hoch	Industrie, Elektronik, chemisch belastete Bauteile
PEI	hoch	gut	hoch	elektrische Anwendungen, technische Bauteile
PPSU	hoch	gut	hoch und schlagzäh	Medizintechnik, sterilisierbare Bauteile
PAI	sehr hoch	gut	sehr hoch	stark mechanisch und thermisch belastete Präzisionsteile
PI	sehr hoch	werkstoffabhängig	sehr hoch	extreme thermische Anwendungen
PTFE	hoch	ausgezeichnet	vergleichsweise geringere Steifigkeit	Dichtungen, Gleitbauteile, chemisch belastete Anwendungen
PVDF	hoch	sehr hoch	gut	chemische Industrie, Anlagenbau und Fluidtechnik

Die tatsächlichen Eigenschaften können je nach Werkstofftype, Füllstoff, Verstärkung und Hersteller variieren. Für die Auswahl sollten deshalb immer die konkreten Werkstoffdaten geprüft werden.

PEEK: für hohe mechanische und thermische Anforderungen

PEEK-Kunststoff gehört zu den bekanntesten Hochleistungskunststoffen.

Der Werkstoff verbindet unter anderem:

• hohe Temperaturbeständigkeit
• hohe mechanische Festigkeit
• hohe Steifigkeit
• gute Verschleißeigenschaften
• sehr gute Chemikalienbeständigkeit
• gute Dimensionsstabilität

PEEK eignet sich dadurch für anspruchsvolle Bauteile, bei denen mehrere hohe Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden müssen.

Der Werkstoff ist jedoch nicht automatisch für jede Anwendung die wirtschaftlich oder technisch beste Lösung. Wenn beispielsweise hauptsächlich eine hohe Chemikalienbeständigkeit benötigt wird, können andere Kunststoffe besser geeignet sein.

PPS: hohe Chemikalienbeständigkeit und Dimensionsstabilität

PPS-Kunststoff bietet eine Kombination aus guter Temperaturbeständigkeit, hoher Chemikalienbeständigkeit und hoher Dimensionsstabilität.

Der Werkstoff wird deshalb unter anderem für technische Bauteile eingesetzt, die dauerhaft höheren Temperaturen und aggressiven Medien ausgesetzt sind.

Insbesondere bei Anwendungen, bei denen eine hohe Maßhaltigkeit gefordert ist, kann PPS eine interessante Alternative zu anderen Hochleistungskunststoffen darstellen.

PEI und PPSU: Hochleistungskunststoffe für spezielle Anforderungen

PEI-Kunststoff bietet gute mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften und kann beispielsweise für elektrische oder technische Konstruktionsteile eingesetzt werden.

PPSU-Kunststoff zeichnet sich insbesondere durch hohe Schlagzähigkeit und gute Beständigkeit gegenüber wiederholten Sterilisationsprozessen aus. Dadurch kommt der Werkstoff unter anderem für Anwendungen in der Medizin- und Labortechnik infrage.

PAI und Polyimide für extreme Belastungen

PAI-Kunststoff und Polyimide gehören zu den Werkstoffen für besonders anspruchsvolle thermische und mechanische Einsatzbedingungen.

PAI kann sehr hohe mechanische Festigkeit, Steifigkeit und Verschleißbeständigkeit bieten.

Polyimide werden insbesondere dann eingesetzt, wenn sehr hohe Temperaturen und spezielle technische Anforderungen zusammenkommen.

Aufgrund ihrer Eigenschaften und Kosten werden diese Materialien meist sehr gezielt für Anwendungen eingesetzt, bei denen konventionellere technische Kunststoffe nicht mehr ausreichen.

PTFE und PVDF bei hoher chemischer Belastung

Nicht jede Anwendung benötigt maximale mechanische Festigkeit.

Wenn eine hohe Chemikalienbeständigkeit im Vordergrund steht, können PTFE und PVDF interessante Alternativen darstellen.

PTFE zeichnet sich durch eine außergewöhnlich breite Chemikalienbeständigkeit sowie sehr gute Gleiteigenschaften aus.

PVDF verbindet eine hohe chemische Beständigkeit mit guten mechanischen Eigenschaften und wird häufig für Bauteile im chemischen Anlagenbau und in der Fluidtechnik eingesetzt.

Hochleistungskunststoffe und Hochleistungspolymere: Gibt es einen Unterschied?

Die Begriffe Hochleistungskunststoffe und Hochleistungspolymere werden in der Praxis häufig für dieselbe Werkstoffgruppe verwendet.

Gemeint sind Kunststoffe, die auch bei besonders hohen thermischen, mechanischen, chemischen oder elektrischen Belastungen eingesetzt werden können.

International wird häufig der Begriff „High Performance Polymers“ oder „High Performance Plastics“ verwendet.

Eine vollständig einheitliche Abgrenzung existiert jedoch nicht. Relevant ist deshalb weniger die Bezeichnung der Werkstoffgruppe als das konkrete Eigenschaftsprofil des jeweiligen Materials.

Eine Übersicht über die verfügbaren Werkstoffe finden Sie auf unserer Seite zu Hochleistungskunststoffen.

So gehen Sie bei der Materialauswahl vor

Eine systematische Materialauswahl reduziert das Risiko, einen technisch ungeeigneten oder unnötig teuren Werkstoff einzusetzen.

Gehen Sie dabei am besten in dieser Reihenfolge vor:

1. Definieren Sie die minimale und maximale Betriebstemperatur.
2. Bestimmen Sie die auftretenden mechanischen Belastungen.
3. Erfassen Sie alle Medien und Chemikalien, mit denen das Bauteil in Kontakt kommt.
4. Prüfen Sie Anforderungen an Reibung und Verschleiß.
5. Definieren Sie die erforderlichen Toleranzen und die gewünschte Dimensionsstabilität.
6. Berücksichtigen Sie elektrische Anforderungen.
7. Prüfen Sie notwendige Zulassungen und branchenspezifische Vorgaben.
8. Legen Sie das geeignete Fertigungsverfahren fest.
9. Vergleichen Sie anschließend mehrere technisch geeignete Werkstoffe miteinander.

Auch die verfügbare Halbzeugform sollte früh berücksichtigt werden. Martan Plastics bietet unterschiedliche Kunststoffhalbzeuge, aus denen Bauteile entsprechend der jeweiligen Anforderungen gefertigt werden können.

Auf diese Weise lässt sich die Auswahl schrittweise eingrenzen, anstatt sich frühzeitig auf einen einzelnen Hochleistungskunststoff festzulegen.

Bearbeitung bei der Materialauswahl mitberücksichtigen

Die Eigenschaften eines Werkstoffs allein reichen für die Auswahl nicht aus. Auch das geplante Fertigungsverfahren muss zum Material, zur Geometrie, zur Stückzahl und zu den geforderten Toleranzen passen.

Bei der Kunststoffbearbeitung können beispielsweise Wärmeentwicklung, innere Spannungen, Werkzeuggeometrie und Spanntechnik die Maßhaltigkeit des fertigen Bauteils beeinflussen.

Abhängig von Werkstoff und Geometrie kommen unter anderem CNC-Fräsen, CNC-Drehen, Bohren, Sägen oder andere Verfahren infrage. Besonders bei hochpreisigen oder faserverstärkten Hochleistungskunststoffen sollte die Bearbeitung bereits bei der Werkstoffauswahl berücksichtigt werden.

Warum der teuerste Hochleistungskunststoff nicht automatisch der beste ist

Bei der Werkstoffauswahl sollte nicht das leistungsfähigste Material gewählt werden, sondern das Material, das die Anforderungen Ihrer Anwendung zuverlässig erfüllt.

Ein Werkstoff mit extrem hoher Temperaturbeständigkeit bietet beispielsweise keinen zusätzlichen technischen Nutzen, wenn das Bauteil ausschließlich bei moderaten Temperaturen eingesetzt wird.

Gleichzeitig dürfen Kosten nicht isoliert betrachtet werden. Ein geeigneter Hochleistungskunststoff kann beispielsweise:

• die Lebensdauer eines Bauteils verlängern
• Wartungsintervalle reduzieren
• Gewicht einsparen
• Korrosionsprobleme vermeiden
• Schmierung reduzieren
• Bauteile aus Metall ersetzen
• zusätzliche Beschichtungen überflüssig machen

Eine gute Materialauswahl betrachtet deshalb immer technische Eigenschaften, Fertigung und Gesamtkosten gemeinsam.

Gerade im Maschinen- und Anlagenbau können Hochleistungskunststoffe dadurch eine interessante Alternative zu konventionellen Werkstoffen darstellen.

Häufige Fragen zur Auswahl von Hochleistungskunststoffen

Was sind Hochleistungskunststoffe?

Hochleistungskunststoffe sind Kunststoffe für besonders anspruchsvolle thermische, mechanische, chemische oder elektrische Einsatzbedingungen. Beispiele sind PEEK, PPS, PEI, PPSU, PAI und Polyimide.

Was sind Hochleistungspolymere?

Hochleistungspolymere ist eine alternative Bezeichnung für Hochleistungskunststoffe. Im Englischen werden häufig die Begriffe High Performance Polymers oder High Performance Plastics verwendet.

Welcher Hochleistungskunststoff ist besonders temperaturbeständig?

PAI, Polyimide und PEEK gehören zu den Werkstoffen, die für hohe thermische Belastungen eingesetzt werden können. Welcher Kunststoff geeignet ist, hängt jedoch zusätzlich von Belastung, Medienkontakt und Betriebsdauer ab.

Eine werkstoffübergreifende Übersicht finden Sie unter Hochtemperatur-Kunststoffe.

Welcher Hochleistungskunststoff ist besonders chemikalienbeständig?

PTFE, PEEK, PVDF und PPS besitzen eine hohe Beständigkeit gegenüber zahlreichen Chemikalien. Die Eignung muss immer anhand des konkreten Mediums, der Konzentration und der Betriebstemperatur geprüft werden.

Wann ist PEEK sinnvoll?

PEEK ist insbesondere dann interessant, wenn hohe Temperaturbeständigkeit, mechanische Festigkeit, Chemikalienbeständigkeit und Dimensionsstabilität gleichzeitig benötigt werden.

Was ist der Unterschied zwischen technischen Kunststoffen und Hochleistungskunststoffen?

Technische Kunststoffe decken viele industrielle Anwendungen ab. Hochleistungskunststoffe werden eingesetzt, wenn höhere thermische, mechanische, chemische oder elektrische Anforderungen bestehen, die mit konventionelleren technischen Kunststoffen nicht zuverlässig erfüllt werden können.

Eine Übersicht der verfügbaren Materialien finden Sie im Bereich Werkstoffe.

Wie finde ich den richtigen Hochleistungskunststoff?

Definieren Sie zunächst die Betriebsbedingungen Ihrer Anwendung. Dazu gehören Temperatur, mechanische Belastung, Chemikalienkontakt, Reibung, Toleranzen, Zulassungen und Fertigungsverfahren. Anschließend können geeignete Werkstoffe anhand dieser Kriterien miteinander verglichen werden.

Unterstützung bei der Auswahl des passenden Hochleistungskunststoffs

Die Auswahl eines Hochleistungskunststoffs sollte immer auf den tatsächlichen Einsatzbedingungen Ihres Bauteils basieren.

Temperatur, mechanische Belastung, Chemikalien, Toleranzen, Fertigungsverfahren und wirtschaftliche Anforderungen beeinflussen gemeinsam, welcher Werkstoff geeignet ist.

Martan Plastics unterstützt Sie bei der Auswahl geeigneter Hochleistungskunststoffe, der Wahl passender Kunststoffhalbzeuge und der anschließenden Kunststoffbearbeitung. So kann bereits in einer frühen Projektphase geprüft werden, welche Werkstoffe und Fertigungsverfahren für Ihre Anwendung technisch und wirtschaftlich sinnvoll sind.

Wenn Sie bereits eine Zeichnung, Angaben zu Temperatur und Belastung oder Informationen zum bisher eingesetzten Werkstoff haben, können Sie diese direkt über die Anfrage bei Martan Plastics übermitteln.