Der Fortschritt bei Fügetechnologien wie dem Laserdurchstrahlschweißen, die steigende Nachfrage nach wärmeleitenden Kunststoffen, der Leichtbau und die Elektromobilität gehören in der Material- und Anwendungsentwicklung mit Polyamid zu den großen Trends. Auch bei bei diesem Polymer wächst der Bedarf an nachhaltigeren Werkstoffen. Geschlossene Stoffkreisläufe werden deshalb künftig in der Herstellung von PA 6 und PA 66 eine immer wichtigere Rolle spielen.

Motorradtank aus Durethan BC550Z 900116 DUSXBL: Das unverstärkte und schlagzäh modifizierte PA 6 wird zu zwei Halbschalen spritzgegossen, die durch Heizelementschweißen zum Tank gefügt werden

Polyamid (PA): Produktverbesserungen und Ersatz von PA 66 durch PA-6-Compounds

Hybridtechnik

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießen

Compound

Kunststoff Werkstoffe

Thermoplaste

Elektronik

Automotive

Vibrationsschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Hybridwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Recycling

Umweltmanagement

Polyamide

Technische Kunststoffe

Laserschweißen

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Laserauftragsschweißen

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Lasertechnik

Kunststofffasern

Verstärkungsstoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Verbesserungen bei Materialien und  der Verarbeitung

Auf der K 2022 zeigt DuPont Polybutylenterephthalat (PBT) mit hoher Lasertransmission. Die Typen entstammen der Crastin-Produktreihe des Unternehmens.

Lasertransparenz ist eine wichtige Materialeigenschaft beim Laserschweißen. Die entwickelten PBT bieten darüber hinaus noch weitere Zusatznutzen.

Polybutylenterephthalat

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe-international.com

kunststoffe.de

Schneller geschweißt bei besserer Leistung

Für die zunehmend verbreiteten 800-V-Antriebe von E-Autos sind spezielle Kunststoffe notwendig. Eine nachhaltige Möglichkeit stellt etwa biobasierte PPA dar.

Biobasiertes PPA für Wechselrichter von Elektrofahrzeugen

Elektromotoren

Antriebe

Elektromobilität

Mobilität

Schneller und nachhaltiger laden

Wie sich der CO2-Fußabdruck von PA reduzieren lässt, zeigte eine Produktreihe von Ascend. Das Unternehmen hat sich dafür extra an einem Recycler beteiligt.

Anstatt ausgediente Teppiche auf Mülldeponien oder in Verbrennungsanlagen zu entsorgen, bietet sich Recycling als bessere Alternative an.

Mit Recycling den CO2-Fußabdruck von PA reduzieren

Kunststoff-Rezyklat

Aus alten Teppichen entstehen neue Polymervarianten

Gerade bei hochwertigen Polymeren lohnt sich die Wiederverwendung von Produktionsabfällen. Ein Forschungsprojekt konnte nun Zweifel daran ausräumen, dass Anteile an rezyklierten Kunststoffen von mehr als 25 % die Eigenschaften der Bauteile zu sehr schwächt.

Sicherungsträger müssen flammgeschützt werden. Reiher verwendet für seine Modelle ein mit rotem Phosphor flammgeschütztes, mit 25 % Glasfasern verstärktes PA 66

16:9

Mehr als ein Viertel Polyamid-Produktionsabfälle für das Spritzgießen verwenden

Flammschutzmittel

Additive

Recycling flammgeschützter  Produktionsabfälle

Metallersatz durch Polyamide (PA) senkt das Gewicht und die Kosten von Bauteilen. Zudem haben Entwickler mehr Freiheiten im Design. Eine neue Reihe von PA 6 mit höherer Steifigkeit und Festigkeit bietet sich nicht nur für die Substitution von Metallen an, sondern kann auch PA 66 ersetzen.

Ein 3-Punkt-Biegeversuch zeigte, dass die maximal notwendige Brucharbeit bei den Ultramid-XP-Typen die von vergleichbaren PA-6- und PA-66-Typen übersteigt 

Spezielle Polyamide 6 erreichen die Eigenschaften von Polyamid 66

Fahrzeugbau

Metallersatz durch verbesserte Polyamide

Trotz alternativer Mobilitätskonzepte, ist der Wunsch nach einem eigenen Fahrzeug nach wie vor groß. Da hochwertige und nachhaltige Materialien die Kaufentscheidung des Endkunden beeinflussen, kommen im Innenraum von Fahrzeugen neuentwickelte Polymere zum Einsatz.

Auch mit glasfaserverstärkten Kunststoffen lassen sich optisch ansprechende Oberflächen gestalten. Das zeigt beispielsweise das PP SoForm 

Der Wunsch nach ansprechenden Oberflächen und einer höheren Nachhaltigkeit treibt die Materialentwicklungen im Fahrzeuginterieur voran

Standardkunststoffe

Polyethylenterephthalat

Polypropylen

Erfolgsfaktor Optik

Erfahrungen aus der Metallbearbeitung lassen sich nicht unbedingt auf Kunststoffe übertragen. Das musste der Hersteller eines gefrästen Kunststoffbauteils schmerzlich erfahren. Mit den üblichen Spanverfahren konnten die notwendigen Toleranzen nicht eingehalten werden. Durch einen eigens entwickelten Prozess gelang die Herstellung aber schließlich.

Das Spanen von Kunststoff kann eine Herausforderung sein. Vor allem, wenn die Ansprüche an die Toleranzen sehr hoch sind, wie bei diesem Teil für einen Pilotenhelm

Schneller und genauer: HSC-Fräsen von technischen Kunststoffen

Fräsen

Spanende Verfahren

Werkstückspanntechnik, spanend

Spanntechnik

Höhere Präzision beim Spanen

Der US-amerikanische Compoundeur Teknor Apex hat drei halogenfrei flammgeschützte, glasfaserverstärkte Polyamid-Compounds (PA) mit V-0-Klassifizierung vorgestellt.

Beispielanwendung Motorabdeckung in der Automobilindustrie

Faserverbundwerkstoffe

Glasfaserverstärkt und halogenfrei flammgeschützt

Der Werkstoffhersteller Solvay bietet ab sofort eine Serie teilweise biobasierter Polyphthalamid-Compounds (PPA) an. Sie firmieren unter dem Namen Amodel Bios und wurden speziell für Elektro- und Elektronikanwendungen in der Elektromobilität entwickelt. Dem Unternehmen zufolge stammt der erneuerbare Rohstoffanteil aus Quellen, die nicht in Konkurrenz zum Anbau von Lebensmitteln stehen. Das Polymer soll außerdem zu 100 % mit erneuerbarer Energie hergestellt werden.

Teilbiobasiertes PPA für Elektrofahrzeuge

RadiciGroup schließt 2020 trotz der Pandemie mit gutem Ergebnis ab, auch dank Investitionen in Innovation und Nachhaltigkeit.

Maurizio, Angelo e Paolo Radici – Shareholder der RadiciGroup

Gewebe, technisch

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

RadiciGroup kommt gut durch die Pandemie

Die elektrische Architektur in Elektrofahrzeugen ist wesentlich anspruchsvoller als in konventionell angetriebenen Automobilen. Insbesondere bei der Isolierung von Hochvolt-Komponenten (HV) steigen die Anforderungen an die verwendeten Materialien. Mit speziell für Elektrofahrzeuge maßgeschneiderten Werkstoffen können Herausforderungen in der HV-Technologie im Automobil verwirklicht werden.

Die Isolierung von HV-Komponenten in Elektrofahrzeugen stellt hohe Ansprüche an die verwendeten Werkstoffe

Polyamid-Spezialitäten für die Elektromobilität

Hochspannung im Auto

Automobilbauteile aus Kunststoff gelten als schwer recycelbar. Ein Video gibt nun Einblicke in ein aktuelles Recyclingprojekt.

Radkappen und Airbags aus Polyamid werden von Radici zu Compounds aufbereitet

Kreislaufwirtschaft

Video zum Recycling von Automobilbauteilen

Lehvoss stellt auf der Messe Compounds für Leichtbauanwendungen vor, die u. a. als Metallersatz zum Einsatz kommen soll. Darunter ist etwa ein carbonfaserverstärktes Compound auf Polyphthalamid-Basis (PPA).  

Lehvoss zeigt Compounds für Leichtbauanwendungen

Messe Fakuma

Metallersatz mit PPA-Compounds

Hochwertige Oberflächen im Automobilinnenraum gewinnen aus Kundensicht immer mehr an Bedeutung. Asahi Kasei hat dafür die Leona-SG-Serie entwickelt. Der japanische Konzern stellt die teilaromatischen Polyamide (PA) dieses Jahr auf der Fakuma vor.

Im Automobilinnenraum sind Materialien mit guten mechanischen Eigenschaften gefragt, die gleichzeitig sehr hochwertige Oberflächen ermöglichen

Höhere Oberflächenqualität im Automobil-Interieur

Bisher galt das Laserschweißen von Polyphthalamid als unmöglich oder problematisch. Daher wird das Polymer hauptsächlich in Kombination mit anderen Schweißtechnologien wie dem Vibrations- und IR-Schweißen verwendet. Das soll sich künftig ändern. Der Kunststoffhersteller Envalior und LPKF Welding Equipment haben gemeinsam an Lösungen gearbeitet, die das Laserschweißen von Polyphthalamid ermöglichen. Auch für faserverstärkte und flammgeschützte Typen wurden Möglichkeiten gefunden.

Bisher gilt das Laserschweißen von PPA als problematisch. Das soll sich durch die Zusammenarbeit von Envalior und LPKF Welding Equipment nun ändern.

Kunststoffteile enthalten immer mehr Funktionen. Sensoren, CPUs und andere empfindliche Elektronik werden zu einem integralen Bestandteil des Designs dieser Bauteile. Das sorgt auch dafür, dass die Teile in den meisten Fällen versiegelt werden müssen, um das Eindringen von Staub und Feuchtigkeit zu vermeiden. Das Versiegeln der Teile schützt die integrierte Elektronik und reduziert äußere Einflüsse auf diese. Für die Umsetzung werden häufig Schweißtechniken eingesetzt.

Die höhere Empfindlichkeit der Teile erfordert jedoch mehr Vorsicht bei Nachbearbeitungsschritten. Bei diesen muss die Einwirkung von Hitze, Vibrationen und Staubpartikeln vermieden werden. Das Laserschweißen ist dafür am besten geeignet, da es die Wärme gezielt auf den Schweißbereich konzentriert und andere Bereiche unversehrt lässt. Das Verfahren bietet aber noch weitere Vorteile wie Partikel- und Staubfreiheit, kurze Zykluszeiten, Anpassungsfähigkeit, Skalierbarkeit und Präzision.

In der Regel werden beim Laserschweißen von Kunststoffen zwei Materialien benötigt: Eines, das für den Laser transparent ist, und eines, das das Laserlicht absorbiert (Bild 1). Es besteht deshalb die Möglichkeit, mischbare Kunststoffe mit sehr unterschiedlichen Schmelztemperaturen zu kombinieren. Beispielsweise kann Polyamid 6 (PA6) mit einer Schmelztemperatur von 220 °C mit PA46 mit einer Schmelztemperatur von 295 °C kombiniert werden. Das führt zu einer sehr guten Schweißnahtfestigkeit.

In den meisten Fällen werden zwei unterschiedlich farbige Materialien verwendet. In diesem Fall sollte am besten auf zwei farbige Materialien des gleichen Polymertyps zurückgegriffen werden. Teilweise kommen zwei ähnliche Farben zum Einsatz, von denen eine lasertransparent und die andere absorbierend ist. Bei schwarzen Farben wird etwa ein für den Laser transparentes Schwarz mit Teilen kombiniert, die zum Beispiel mit Standardruß gefärbt sind und somit das Laserlicht absorbieren.

Das Laserschweißen ist für PA bereits etabliert, bei Polyphthalamiden (PPA, teilaromatischen PA) wird es jedoch weniger häufig eingesetzt. Nicht alle PPA eignen sich für das Laserschweißen, was den Schweißprozess oft einschränkt. Es gibt aber einige gut laserschweißbare PPA. Das hängt mit der kristallinen Morphologie der Polymere zusammen (Bild 2). Sie sorgt für die für das Verfahren erforderliche, gute Durchlässigkeit für das Laserlicht.

Passende Kombinationen für das  Laserschweißen

Wie sich das Laserschweißen von PPA in der Praxis umsetzen lässt, das zeigt ein gemeinsames Projekt von Envalior (ein Joint Venture von DSM Engineering Materials und Lanxess Performance Materials) und LPKF Welding Equipment. Die beiden Unternehmen suchten dabei nach passenden Kombinationen von Laserschweißprozessen und PPA-Materialien. Selbst für Typen mit einem höheren Anteil an Verstärkungen, halogenfreiem Flammschutz und Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) wurden funktionierende Lösungen gefunden.

Untersucht wurde die ForTii-Produktreihe von Envalior. Die Transmissionswerte der Materialien ermöglichen das Laserschweißen bei höheren Dicken. Als generelle Faustregel ergab sich bei den Untersuchungen, dass unter den richtigen Umgebungsbedingungen ein praktikabler großflächiger Laserschweißprozess möglich ist, wenn der Transmissionsgrad 10 % oder mehr beträgt.

Hochtemperatur-PPA für elektrische und elektronische Anwendungen

Bei den Analysen zeigte sich, dass die mit 30 % Glasfasern verstärkte JTX-Serie von Envaliors ForTii-Reihe sehr gute Transmissionswerte bei 980 nm aufweist (Bild 3). Diese Typen können für Anwendungen in der Elektronik und Elektrotechnik (E&E) verwendet werden, die Reflow-Löten erfordern. Sie wurden für Hochleistungsanwendungen in der Automobil- und Elektroindustrie wie Steckverbinder entwickelt und können auch für Elektronikgehäuse verwendet werden. Die Materialien überstehen bleifreie Reflow-Prozesse im industriellen Maßstab, wobei ACE JTX8 sogar die Spezifikationen JEDEC 1 erreicht.

ACE JTX8 gehört mit einem Schmelzpunkt von 340 °C und einer Glasübergangstemperatur von 150 °C zu den höchstschmelzenden PPA überhaupt. Es zeigt dennoch unter den richtigen Bedingungen ein sehr gutes Laserschweißverhalten mit einer Schweißnahtfestigkeit von 25 - 30 MPa. Dieses Ergebnis konnte in den Versuchen mit einem breiten Verarbeitungsfenster und ohne erkennbaren negativen Einfluss auf den Schweißbereich erzielt werden.

Für das Laserschweißen von stark mit Glasfasern verstärkten PPA hat sich die ForTii-MX-Serie bewährt. Die Lichtdurchlässigkeit von hochgefüllten Typen ist ausreichend. Es lassen sich durchschnittliche Schweißnahtfestigkeiten von bis zu 30 MPa erzielen. Untersucht wurde das an einem T-Stück mit einer transparenten Abdeckung. Ein höherer Glasfasergehalt schränkt die Dicke der transparenten Abdeckung ein. Dennoch konnten mit dem richtigen Prozess und den passenden Schweißeinstellungen ähnliche Schweißnahtfestigkeiten für alle getesteten Glasfasergehalte, sogar bei Anteilen bis zu 50 % Glasfasern, erreicht werden (Bild 4). Das erweitert die Anwendungsmöglichkeiten des Laserschweißens deutlich.

Schweißen von halogenfreien,  flammhemmenden PPA

Auch ForTii-Materialien wie F11, das zu 30 % mit Glasfasern gefüllt und halogenfrei flammgeschützt ist (UL94-Flammschutzklasse V-0), lassen sich laserschweißen. Verständlicherweise ist das Verarbeitungsfenster beim Laserschweißen von flammgeschützten Werkstoffen etwas enger. Dennoch lässt sich damit mit akzeptablen Schweißzeiten eine ausreichend hohe Schweißnahtfestigkeit von 16 - 17 MPa ohne erkennbare Oberflächenfehler erreichen.

Die Beobachtungen deuten darauf hin, dass das Schweißen von bis zu 1,5 mm dicken Abdeckungen möglich sein sollte. Neben F11 wurden auch Experimente mit ForTii T11 durchgeführt, einem ebenfalls zu 30 % glasfaserverstärkten, halogenfrei flammhemmenden PPA (erreicht UL94 V-0). Der Kunststoff wurde für FR-Anwendungen in der Automobilindustrie entwickelt. Machbarkeitstests mit dem PPA bei einer Radargehäuseanwendung zeigten Ergebnisse wie bei ForTii F11. Die Materialien F11 und T11 sind beide bleifrei reflow-lötbar. Die Kombination von flammgeschütztem ForTii und Laserschweißen eröffnet neue Möglichkeiten, etwa eine flexiblere Produktion, wie sie für modulare Steckverbinder, Elektronik- und Wechselrichtergehäuse, Mikroaktuatoren und Anschlussdosen erforderlich ist.

Laserschweißen ist auch möglich, wenn eine LDS-Type als absorbierendes Teil verwendet wird (Titelbild). Dafür kann jede ForTii-Sorte, wie JTX2 und MX2, in natürlichen oder anderen lasertransparenten Farben mit ausreichender Transmission verwendet werden. Das eröffnet noch mehr Möglichkeiten, weitere Funktionalitäten wie 3D-Leiterbahnstrukturen, Antennen, Schalter, Anschlüsse und Sensoren in ein Bauteil zu integrieren. Dieses kann danach versiegelt und mittels Laserschweißen montiert werden. Außerdem ergeben sich weitere Möglichkeiten für die Miniaturisierung des Bauteildesigns, die Gewichtsreduzierung, niedrigere Einstiegskosten, Skalierbarkeit, hohe Druckbeständigkeit und den vakuumdichten Schutz empfindlicher Elemente. ForTii LDS85B hat sich etwa in Anwendungen bewährt, die eine feine Auflösung der elektrischen Leiterbahnen erfordern. Zukünftig werden sogar 3D-Schweißnähte möglich sein.

Obwohl das Laserschweißen von PPA als problematisch gilt, lassen sich mit den Erkenntnissen von Envalior und LPFK entsprechende Bauteile umsetzen. Damit ist es möglich, eine Vielzahl an Anwendungen mit PPA in Kombination mit hoher Laserschweißgüte zu realisieren. Möglich wird das durch die passende Kombination von Materialien mit der richtigen Schweißausrüstung. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass sich Laserschweißen bei allen ForTii-Werkstoffen anwenden lässt.

LPKF Laser & Electronics SE  

https://www.lpkf.de

Envalior  

https://www.envalior.com

Ausgabenartikel KU09-23

Bild 1. Beim Laserschweißen sind ein für den Laser transparentes und ein absorbierendes Material notwendig.

Bild 2. Kristallmorphologie des PPA ForTii im Vergleich zur üblichen Kristallmorphologie von PPA (aufgenommen mit einem Transmissionselektronenmikroskop): Im Gegensatz zu vielen anderen PPA lässt sich ForTii aufgrund seiner Morphologie gut laserschweißen.

Bild 3. Transmissionsgrad von ForTii PPA bei 980 nm gemessen mit einem Transmissionsmessgerät TMG3 von LPKF: Mit der passenden Schweißausrüstung und dem richtigen Verfahren lassen sich ab einem Transmissionsgrad von 10 % gute Ergebnisse erzielen.

Bild 4. Schweißzeiten und Schweißkräfte für ein lasergeschweißtes T-Stück aus ForTii mit drei verschiedenen Glasfasergehalten: Die Schweißnahtfestigkeit ist bei allen Glasfasergehalten ausreichend.

Auch LDS-Typen lassen sich laserschweißen. Das eröffnet zusätzliche Möglichkeiten für die Funktionsintegration in PPA-Bauteile.

KU 9-23_Envalior - Hauptartikel

Frank van der Burgt ist Senior Expert in Secondary Operations bei Envalior.

Anna Kolossowski arbeitet in der Entwicklung bei LPKF.

<a href="http://www.dsm.com/engineering-materials" target="_blank">www.dsm.com/engineering-materials</a>