Abmustern in der Fließsimulation

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Bei einer Materialentwicklung ist nicht nur die Auswahl der richtigen Füllstoffe von hoher Bedeutung, sondern ebenso die Verarbeitungsmethodik. Das von Stasskol optimierte Hot-Compression-Molding-Verfahren ermöglicht die Erschaffung neuer Werkstoffe auf Basis von Hochleistungskunststoffen, die neue Maßstäbe in Forschung und Entwicklung setzen.

Die Verarbeitung von Hochleistungskunststoffen wie Polytetrafluorethylen, Polyaryletherketonen (PEEK, PEK, PEKEKK) und Polyimiden stellt die Königsdisziplin der Kunststoffverarbeitung dar. Die Herausforderung besteht in Form hoher Schmelz- und Glasübergangstemperaturen, die besondere Anforderungen an die Verfahren sowie an das zu verwendende Equipment stellen. Gerade im Bereich hoch- und höchstgefüllter Rezepturen auf Basis thermoplastischer Werkstoffe (wie PEEK) stoßen klassische Verfahren wie Extrusion und Spritzguss schnell an ihre Grenzen. Um diese Grenzen zu erweitern und auch höchstgefüllte Materialien auf Basis gesinterter Polymere (PTFE, Polyimid) zu ermöglichen, hat Stasskol das Verfahren des Hot Compression Molding (HCM) perfektioniert. Dies erlaubt die Entwicklung und Herstellung neuer Compounds mit metallähnlichen Eigenschaften.

Einige Hochleistungswerkstoffe wie beispielsweise PTFE lassen sich durch das hohe Molekulargewicht nicht durch gängige thermoplastische Produktionsmethoden wie Extrusion und Spritzguss verarbeiten. Hier müssen Press/Sinter-Verfahren angewendet werden, um aus der pulverförmigen Rezeptur einen einheitlichen und stabilen Materialverbund zu schaffen. Das Gleiche gilt für höchstgefüllte Rezepturen auf Basis thermoplastischer Werkstoffe. Da die Fließfähigkeit der Schmelze mit dem Füllgrad der Rezeptur sukzessive abnimmt, sind auch hier Extrusion und Spritzguss als mögliche Verarbeitungsmethoden ab einem gewissen Füllgrad nicht mehr anwendbar.

Das alte Jahr ist zu Ende, das neue erst ein paar Wochen alt – wir haben daher Entscheider der Kunststoffbranche gefragt: Was war prägend für 2021? Und was war besonders überraschend? Was wird uns auch 2022 beschäftigen und welche Trends gehen steil nach oben?

Im Vergleich zum drucklosen Sintern von PTFE-Werkstoffen (CCM) ermöglicht das Hot-Compression-Molding-Verfahren (HCM) wesentlich höhere Füllstoffanteile und zusätzlich die Verarbeitung thermoplastischer Werkstoffe. Hier werden pulverförmige Rezepturen unter hohem Druck (≥ 700 bar) in einer Form zu einem Grünling verpresst und anschließend das Werkzeug auf eine Temperatur oberhalb des Glasübergangs beziehungsweise Schmelzpunktes erhitzt. Nach Überschreiten der Erweichungstemperatur wird erneut Pressdruck auf das Materialgefüge ausgeübt. Somit lässt sich auch bei sehr hoch gefüllten Rezepturen ein sehr guter Verbund zwischen Füllstoff und Kunststoffmatrix erzielen.

Ein kritischer Aspekt ist bei diesem Prozess die Temperaturführung, insbesondere bei hohen Wandstärken. Kunststoffe sind sehr gute Isolatoren. Bei hohen Aufheizraten besteht die Gefahr des thermischen Abbaus an den Kontaktflächen zum Werkzeug, während die Temperatur im Kern des Materials noch deutlich unter der Vorgabe liegt. Um dies zu vermeiden, wird die Temperatur im Werkzeug kurz vor der Kontaktfläche zum Kunststoff gemessen. Gezielte Temperaturrampen ermöglichen ein nahezu homogenes Erwärmen des gesamten Materials.

Diese Verfahrensweise ermöglicht es, höchstgefüllte Compounds auf Basis von PTFE, PAEK und Polyimiden zu Halbzeugen mit einem Durchmesser von über 1.200 mm zu verarbeiten. Das folgende Beispiel beschreibt die kundenspezifische Entwicklung eines hochgefüllten PTFE-Werkstoffes für Lagerbuchsen.

Dünnschichtverdampfer dienen der thermischen Abtrennung von Stoffgemischen. Hier werden mittels einer rotierenden Welle dünne Schichten erzeugt, aus denen durch Erhitzen eine flüchtige Komponente entweichen kann. Zur Lagerung der Welle sollte laut Kundenanfrage ein hochverschleißfester Kunststoff zum Einsatz kommen, der eine hohe mechanische Festigkeit, eine Temperaturbeständigkeit bis über 200 Grad Celsius, einen geringen Ausdehnungskoeffizienten sowie eine sehr gute chemische Beständigkeit besitzen muss. Ferner bestand die Forderung nach einer Lebensmittelzulassung. PTFE erfüllt mit einer nahezu universellen Chemikalienbeständigkeit, einer Unbedenklichkeit in Kontakt mit Lebensmitteln sowie einer hohen Temperaturbeständigkeit zumindest drei der gestellten Anforderungen und eignet sich somit als Matrixmaterial. Allerdings ist die Druckfestigkeit von ungefülltem PTFE sehr gering. Auch sprechen der hohe Verschleiß und der hohe thermische Ausdehnungskoeffizient gegen einen Einsatz von PTFE.

Diese Nachteile lassen sich durch die Auswahl geeigneter Füllstoffe kompensieren. Um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erzielen, sind hierbei jedoch sehr hohe Füllstoffanteile notwendig. Zudem ist die Auswahl der Füllstoffe durch die Forderung einer Lebensmittelverträglichkeit stark eingeschränkt.

Um die geforderten Eigenschaften zu erreichen, wurden der PTFE-Matrix Kohle und Grafit sowie ein Verarbeitungshilfsstoff auf anorganischer Basis in steigender Konzentration zugesetzt. Unter Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften, der thermischen Ausdehnung und der tribologischen Charakterisierung der Verschleißfestigkeit wurde der Füllstoffanteil kontinuierlich gesteigert, bis die Zieleigenschaften der Anwendung entsprachen.

Während der thermische Ausdehnungskoeffizient von ungefülltem PTFE bei einem Wert von ca. 130 x 10–6K–1 liegt, besitzt das neu entwickelte Eskaflon 449 im Standard HCM (Prozedur 1) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von unter 30 x 10–6 K–1. Dieser Wert liegt sogar unterhalb der thermischen Ausdehnung von Polyaryletherketonen oder Polyimiden, und bewegt sich bereits im Bereich von Metallen wie Aluminium. Parallel dazu wird ein Elastizitätsmodul von 680 MPa bei einer maximalen Dehnung von 7 % erreicht. Die Shore-D Härte von 64.5 zeigt, dass es sich für ein Material auf PTFE-Basis um einen hochfesten und sehr formbeständigen Werkstoff handelt.

Die gleiche Rezeptur wurde unter einfachem Kaltpressen mit anschließendem drucklosem Sintern (CCM) verarbeitet. Hier sieht man sehr deutlich den Unterschied zum HCM. Die Dichte sowie die Materialhärte fallen deutlich geringer aus. Auch die mechanischen Eigenschaften haben sich signifikant verschlechtert (siehe Tab. 1 – Prozedur 2).

Aufgrund dieser Erkenntnis wurde der Pressdruck beim Hot Compression Molding im Vergleich zur Standardprozedur verdoppelt (siehe Tab. 1 – Prozedur 3). Durch den höheren Druck entsteht ein kompakterer Materialverbund. Die Änderung der Verfahrensweise bewirkt eine enorme Verbesserung aller mechanischen Eigenschaften – vom Elastizitätsmodul über die Zugfestigkeit bis hin zur Bruchdehnung. Das kompaktere Materialgefüge wirkt sich in positiver Weise auch auf die Dichte und die Materialhärte aus.

Die Abriebfestigkeit des Werkstoffes wird durch die Messung des Verschleißfaktors k ermittelt. Je geringer dieser sogenannte „k-Faktor“, desto verschleißfester verhält sich der Werkstoff. Hier kommt das von Stasskol entwickelte Tribometer unter oszillierender Bewegung zum Einsatz, mit dessen Hilfe nicht nur Verschleiß, sondern auch Reibungskoeffizienten unter verschiedenen gasförmigen Medien ermittelt werden können. In diesem Fall erfolgte die Charakterisierung unter Stickstoff gegenüber einer unbeschichteten Gegenlauffläche aus V2A-Stahl. Es zeigt sich, dass sich der Verschleiß auf einem sehr niedrigen Niveau (~ 1 x 10–7mm³/Nm) befindet und unabhängig von der Verarbeitung auf diesem niedrigen Niveau bleibt. Ferner zeichnet sich die Mischung durch einen für PTFE-Werkstoffe sehr geringen, ebenfalls verarbeitungsunabhängigen Reibungskoeffizienten von ca. 0,08 aus.

Alle geforderten Zieleigenschaften konnten somit erreicht werden. Das Eskaflon 449 wurde erfolgreich beim Kunden als Werkstoff für Lagerbuchsen bei Dünnschichtverdampfern eingesetzt. An diesem Beispiel zeigt sich, wie die Eigenschaften von PTFE durch einen enorm hohen Füllstoffanteil und durch die Wahl der geeigneten Verarbeitungsprozedur und der geeigneten Verarbeitungsbedingungen (Druck/Temperatur) derart angepasst werden können, dass ein verschleißarmer Werkstoff mit sehr hoher Festigkeit und einem sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten entsteht. In dieser Rezeptur bilden die Füllstoffe gar den Hauptbestandteil.

Analog zum Eskaflon 449 kann das Eigenschaftsprofil von weiteren Hochleistungskunststoffen durch die Verwendung des Hot-Compression-Molding-Verfahrens gesteigert werden. So konnte bereits eine PEEK-Matrix mit 70 Gewichtsprozent gemahlenen Kohlefasern gefüllt und erfolgreich zu einem Halbzeug geformt werden. Neben einem Elastizitätsmodul von 18.000 MPa ergab sich dabei ein thermischer Ausdehnungskoeffizient von < 20 x 10–6K–1. Dieser Wert liegt unterhalb des Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium.

Doch auch hier geht die Entwicklung noch weiter. Basis zukünftiger Werkstoffe sind unter anderem mit PEEK getränkte Kohlefasermatten, welche im Hot-Compression-Molding-Verfahren zu Halbzeugen verpresst werden. So können Elastizitätsmodule von bis zu 50 GPa bei einer thermischen Ausdehnung im Bereich von reiner Kohle erreicht werden. Damit lassen sich die hervorragenden Eigenschaften der Kunststoffe wie die exzellente Chemikalienbeständigkeit und die geringe Dichte mit den anspruchsvollen mechanischen Eigenschaften von Metallen verbinden.

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