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.

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

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Verbesserungen bei Materialien und  der Verarbeitung

Die Covid-19-Pandemie hat auch die Kunststofferzeuger hart getroffen. Doch nicht alle Kunststoffe sind gleichermaßen betroffen. Während die häufig in der Automobilindustrie verwendeten technischen Kunststoffe unter dem Einbruch des Fahrzeugabsatzes leiden, profitieren etwa Polyolefine teilweise von der Krise. Und auch wenn die Pandemie gerade alle anderen Themen in den Hintergrund rückt, schreitet dennoch die Entwicklung etwa bei der Kreislaufwirtschaft, Elektromobilität und Digitalisierung weiterhin voran. Über die gegenwärtige Situation und die zukünftige Entwicklung sprach Kunststoffe mit Vertretern der Kunststofferzeuger.

Expertengespräch zu Trends und Herausforderungen bei Werkstoffen

Polybutylenterephthalat

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Logistik

Polyethylen

Streifinger, Florian

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Standardkunststoffe

Polyethylenterephthalat

Kunststoff-Rezyklat

„Wir teilen den Optimismus von  Wirtschaftsminister Altmaier nicht“

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

Faserverbundwerkstoffe

Glasfaserverstärkt und halogenfrei flammgeschützt

Die Anzahl elektronischer Komponenten in Fahrzeugen nimmt seit Jahren beständig zu. Um sie mit elektrischer Energie zu versorgen, werden häufig hohe Ströme benötigt. Die dabei entstehende Wärme stellt allerdings eine Gefahr für die Komponenten dar und kann zur Beschädigung und zum Ausfall der Bauteile führen. Eine Möglichkeit zur Reduzierung der Temperatur an kritischen Bereichen bieten wärmeleitfähige Kunststoffe. Welche Effekte sich damit erreichen lassen, zeigt das Beispiel einer Vorsicherungsbox für den Golf 8.

Wärmeleitfähige Kunststoffe helfen bei der Entwärmung von Bordnetzkomponenten

Abkühlung für Fahrzeugelektronik

Der Wechsel vom Verbrennungs- zum Elektromotor bedeutet für die Kunststoffindustrie einige Unwägbarkeiten. Elektrische Antriebe stellen teilweise gänzlich andere Anforderungen an die Materialien. Welche das konkret sind, kristallisiert sich mit der zunehmenden Verbreitung entsprechender Fahrzeuge immer stärker heraus. Ein Überblick über die wichtigsten Änderungen.

Flammschutz, Wärmebeständigkeit und Kriechstromfestigkeit in Elektrofahrzeugen

Elektromotoren

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Elektronische Bauelemente

Leistungselektronik

Hochleistungskunststoffe

Antreiber der Elektromobilität

Styrol kann auf verschiedene Arten polymerisiert und mit unterschiedlichen Comonomeren modifiziert werden. Die dadurch entstehenden Kunststoffe unterscheiden sich in ihren Eigenschaften und lassen sich somit gezielt auf bestimmte Anwendungen zuschneiden. Aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften sind sie für viele Branchen geeignet. Besonders in der Automobilindustrie, der Medizintechnik und der Verpackungsbranche sind Styrolkunststoffe gefragt.

Styrol-Copolymerisate: Durch ansprechende Optik und mögliche Transparenz punkten

Polystyrol

Styrol-Copolymerisate

Medizintechnik

Medizinprodukte

Vielfältig in Form und Anwendung

Leichtbau, Funktionalität und Design prägen die Materialentwicklung in den Einsatzgebieten von Polycarbonat-Compounds, -Composites und -Folien. Große Chancen bestehen in der Mobilität der Zukunft, im Strukturleichtbau mit endlosfaserverstärkten Composites, in der 5G-Technologie und der Medizintechnik.

Polycarbonat (PC): Aufregende Designs durch hohe Oberflächenqualität und neue Verfahren

Polycarbonat

Werkstoff für viele Trends

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.

Mehr als ein Viertel Polyamid-Produktionsabfälle für das Spritzgießen verwenden

Flammschutzmittel

Additive

Recycling flammgeschützter  Produktionsabfälle

Bei der Ionenauslaugung und der Hydrolysebeständigkeit der bisher verwendeten Materialien für Brennstoffzellen besteht noch Nachholbedarf. Eine Möglichkeit dafür stellen speziell entwickelte PPS dar.

Materialverbesserungen sorgen für zuverlässigere Brennstoffzellen

Brennstoffzelle

Stromversorgung

Brennstoffzellen

Brennstoffzellenfahrzeuge fit für den Einsatz machen

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.

Schneller und genauer: HSC-Fräsen von technischen Kunststoffen

Fräsen

Spanende Verfahren

Werkstückspanntechnik, spanend

Spanntechnik

Höhere Präzision beim Spanen

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

Mit umfangreichen und spezifischen Modifikationen der Eigenschaften können Kunststoffe klassischen Metallbauteilen immer mehr Anwendungen abluchsen.

Zwei neue Polyamid-Typen sollen technische Bauteile wirtschaftlicher machen

Fortschrittlicher Metallersatz

Die weltweite Marktsituation ist bei PA 6 und PA 66 sehr unterschiedlich. Bei PA 66 und beim Vorprodukt Adiponitril (ADN) kommt es immer wieder zu Lieferengpässen. Das führt zu teilweise drastischen Preiserhöhungen. Deshalb setzen immer mehr Anwender auf Alternativen zu PA 66.

Polyamid (PA)

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

PA-6-Compounds ersetzen PA 66

Das Automobil der Zukunft soll möglichst wenig CO2 freisetzen, effizient und automatisiert fahren und von möglichst vielen Menschen genutzt werden können. Das stellt an Kunststoffe und deren Verarbeitungsverfahren unterschiedliche Anforderungen. Sie reichen vom Leichtbau für Karosserie und Antriebsstrang über einen angenehmen Innenraum bis hin zu Beleuchtung oder Sensorik.

E-Mobilität, autonomes Fahren, Carsharing und die Folgen für die Kunststoffbranche

Glasfasern / -matten

Leichtbau

Alles auf Elektro?

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.

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

Polypropylen

Fahrzeugbau

Erfolgsfaktor Optik

Spezielle Polyamide 6 erreichen die Eigenschaften von Polyamid 66

Der Ersatz von Metall durch Polyamide (PA) kann nicht nur Gewicht und Kosten von Bauteilen senken, sondern bietet Entwicklern auch weitere Freiheiten im Design. Dafür sind allerdings Werkstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften notwendig. Eine neue Reihe von PA 6 mit höherer Steifigkeit und Festigkeit erfüllt diese Anforderungen. Sie bietet sich nicht nur für die Substitution von Metallen an, sondern kann auch PA 66 ersetzen.

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.

Aufgrund ihrer sehr guten mechanischen Eigenschaften und ihrer Kosteneffizienz kommen die Polyamide (PA) 6 und 66 im Automobilbereich und auf anderen Feldern häufig zum Einsatz. Durch die Substitution von Metallen mittels PA 6 und 66 ergeben sich oftmals zusätzliche Freiheiten in der geometrischen Gestaltung von Bauteilen; Funktionsintegrationen sind realisierbar, Gewichtseinsparungen möglich und Kosten lassen sich reduzieren. Im Hinblick auf Downsizing und eine voranschreitende Elektrifizierung des Antriebsstrangs kommen weitere Vorteile der PA wie eine verbesserte NVH-Leistung (Noise, Vibration, Harshness) hinzu.

Für die weitere Substitution von Metallbauteilen und die technische Realisierung zukünftiger Innovationen sind allerdings PA mit höheren Festigkeiten und Steifigkeiten notwendig. Solche Werkstoffe hat die BASF SE, Ludwigshafen, unter dem Markennamen Ultramid XP entwickelt. Sie beruhen auf PA 6 und sind für höherwertige strukturelle Bauteile vorgesehen. Die Werkstoffe weisen bei gleichem Glasfasergehalt ein nahezu identisches mechanisches Eigenschaftsprofil auf wie entsprechende glasfaserverstärkte PA 66.

Das mit 35 % Glasfasern verstärkte PA 6 (PA-6-GF35) B3WG7 XP besitzt beispielswiese im Vergleich mit einem Standard-PA-6-GF35 eine höhere Steifigkeit über den gesamten Temperaturbereich, unabhängig von trockenem oder konditioniertem Zustand. Vergleicht man es mit einem Standard-PA-66-GF35, liegen beide Produkte in weiten Teilen des Temperaturbereichs auf einem ähnlichen Eigenschaftsniveau (Bild 1). Die verbesserten Eigenschaften des Werkstoffs zeigen sich ebenfalls bei der Zugfestigkeit über den gesamten Temperaturbereich. Sie ist deutlich höher als die des Standard-PA-6-GF35 und liegt etwa auf dem Niveau eines PA-66-GF35. Bei Zugfestigkeitsversuchen waren die Kurvenverläufe über den gesamten Temperaturbereich nahezu deckungsgleich (Bild 2).

Die Vorteile von PA 6 und PA 66  verbinden

Im direkten Vergleich verfügen glasfaserverstärkte PA 6 gegenüber entsprechenden PA-66-GF-Typen mit gleichem Glasfasergehalt zwar über geringere Festigkeits- und Steifigkeitswerte, sind aber die Werkstoffe der Wahl, sobald eine höhere Zähigkeit gefordert ist. Die Ultramid-XP-Typen verbinden diese Eigenschaften. Sie erreichen das mechanische Niveau von PA-66-GF-Produkten mit gleichem Glasfasergehalt und verfügen gegenüber diesen über eine höhere Schlagzähigkeit. Durch die erhöhte Schlagzähigkeit stellen sie für verschiedene Anwendungen eine Alternative zu schlagzähmodifizierten PA-Compounds dar.

Weitere sehr gute mechanische Eigenschaften der Ultramid-XP-Typen konnten in Bauteilprüfungen nachgewiesen werden. Zur Evaluierung der Bauteileigenschaften wurde ein 3-Punkt-Biegeversuch an einem dafür entwickelten verrippten Bauteil durchgeführt. Bei der Ausführung dieses Tests wird der Probekörper an den Außenkanten aufgelegt und mittig mit einem Stempel bis zum Bruch eingedrückt, wobei die Weglänge des Stempels und die jeweilige Kraft gemessen werden (Titelbild).

Dabei zeigte sich, dass die maximal aufzubringende Brucharbeit bei dem PA-6-GF50 Ultramid B3WG10 XP SW23346 sowohl den Wert der entsprechenden Standard-PA-6- und -66-Compounds mit jeweils 50 Gew.-% Glasfaserverstärkung sowie ebenfalls den eines höhergefüllten PA-6-GF60 übersteigt (Tabelle). Letzteres Material wird teilweise als Alternative zu einem PA-66-GF50 in Betracht gezogen und von verschiedenen Herstellern, etwa BASF, angeboten. In Bezug auf die mechanischen Kenndaten ist es einem PA-66-GF50 nahezu ebenbürtig. Jedoch führt der hohe Glasfaseranteil zu Nachteilen beim Bauteilgewicht, der Bruchdehnung sowie der Bindenaht- und Dauerschwingfestigkeit. Das lässt sich u. a. ebenfalls mit dem oben beschriebenen 3-Punkt-Biegeversuch nachweisen. Die maximale Durchbiegung des Bauteils als Maß für die Elastizität ist dabei deutlich reduziert.

Diese Nachteile treten bei dem Ultramid B3WG10 XP nicht auf. Es stellt somit eine passende Alternative zu einem PA-66-GF50-Produkt dar. Im direkten Vergleich mit einem PA-6-GF60 lässt es sich aufgrund des geringeren Glasfasergehalts deutlich besser im Spritzgießen verarbeiten und bietet bessere Bauteileigenschaften. Erfahrungsgemäß erhöht sich der Abrieb im Spritzgießwerkzeug noch einmal deutlich bei Verstärkungsgraden oberhalb von 50 Gew.-%, während gleichzeitig die Fließfähigkeit und die Bindenahtfestigkeit im Bauteil stark abfallen. Ultramid B3WG10 XP kann deshalb auch in der Gesamtkostenbetrachtung eines Bauteils Vorteile gegenüber PA-6-GF60 und PA-66-GF50 bieten.

Im weiteren Verlauf der Produktentwicklung wurde die XP-Technologie ebenfalls auf PA 66 erweitert, mit dem Ziel die verbesserten Produkteigenschaften zu übertragen. Das PA-66-GF50 Ultramid A3WG10 XP SW23346 stellt eine Alternative zu bereits erhältlichen PA-66-GF50 und PA-66-GF60 dar. Gegenüber einem PA-66-GF50 bietet es eine in allen Bereichen erhöhte Mechanik und besitzt gegenüber einem PA-66-GF60 eine bessere Bindenahtfestigkeit, eine leichtere und schonendere Verarbeitung, sowie ein geringeres Bauteilgewicht und eine höhere Dauerschwingfestigkeit. Es stellt somit eine gute Möglichkeit für den Metallersatz dar, falls die Anforderungen an das Bauteil so hoch sind, dass sie mit einem üblichen glasfaserverstärkten PA 66 nicht erfüllt werden können.

20 % höhere Energieabsorption  bei Crashs

Da die Ultramid-XP-Produkte über sehr hohe Schlagzähigkeitswerte verfügen, wurde außerdem das Verhalten dieser Materialien unter der hohen dynamischen Belastung eines Crashfalls untersucht. Dazu wurden für interne Versuche bei BASF eigens entwickelte Crashdome hergestellt und danach auf einen Schlitten montiert. Für die Durchführung der Crashtests wurden diese anschließend mit einer Geschwindigkeit von 8,5 m/s gegen eine Metallwand gefahren (Bild 3).

Beim Aufprall wurde jeweils die absorbierte Energie in Relation zur Weglänge aufgezeichnet. Bei der Auswertung der Crashversuche zeigte sich, dass die sehr hohe Schlagzähigkeit der Materialien zu einer signifikant höheren Energieaufnahme im Crashfall führt. Im Vergleich mit entsprechenden Standardprodukten wurde bei den PA-6- und PA-66-Typen eine um jeweils ungefähr 20 % höhere Energieabsorption gemessen (Bild 4). Dabei bestätigte sich, dass bei Temperaturen unterhalb des Glasübergangspunkts der Polymermatrix, eine PA-6-Type nochmals leicht höhere Energieabsorptionswerte als eine vergleichbare PA-66-Type aufweist.

Verbessertes Eigenschaftsprofil bei guter Alterungsbeständigkeit

Aufgrund ihrer Eigenschaften bieten sich die Ultramid-XP-Produkte besonders für Anwendungen an, bei denen Standard- PA-6 und -PA-66 an ihre Leistungsgrenze stoßen. Sie verfügen über ein durchweg verbessertes Eigenschaftsprofil hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit. Gleichzeitig weisen sie weiterhin die sehr gute Alterungsbeständigkeit der Ultramid-Reihe auf und besitzen leicht verbesserte Kriech- und Ermüdungseigenschaften. Sie eignen sich deshalb sehr gut für den Metallersatz in verschiedenen Anwendungen.

Die möglichen Einsatzgebiete der Ultramid-XP-Reihe sind vielfältig. Da die auf PA 6 basierenden XP-Produkte das mechanische Eigenschaftsniveau verstärkter PA-66-Typen bei gleichem Glasfasergehalt erreichen, stellen sie eine gute Alternative zu diesen dar. Mit den hochverstärkten Ultramid-XP-Produkten lassen sich außerdem Metallsubstitutionen angehen, die bisher aufgrund mangelnder mechanischer Eigenschaften mit dem am Markt verfügbarer Compounds nicht denkbar waren. Auch beim Design und der Entwicklung neuer Crash-relevanter Bauteile verfügt die Serie über zusätzliches Anwendungspotenzial aufgrund der signifikant höheren Energieaufnahme im dynamischen Lastfall. Bei der Auslegung entsprechender Bauteile bietet BASF bei Bedarf Unterstützung mit der Simulationssoftware Ultrasim an.

Ausgabenartikel

Bild 1. Verlauf des E-Moduls über der Temperatur des PA 6 Ultramid B3WG7 XP SW23346 im Vergleich mit einem PA-6-GF35 (links) und einem PA-66-GF35 (rechts) im trocknen und konditionierten Zustand: Der Werkstoff erreicht über den gesamten Temperaturbereich ähnliche Werte  wie ein PA 66 

Bild 2. Zugfestigkeit über der Temperatur des PA 6 Ultramid B3WG7 XP SW23346 im Vergleich mit einem PA-6-GF35 (links) und einem PA-66-GF35 (rechts) im trocknen und konditionierten Zustand: Die Zugfestigkeit liegt deutlich über der des PA 6 und ist mit der des PA 66 vergleichbar 

Bild 3. Für Crashtests wurden Crashdome auf Schlitten montiert und mit 8,5 m/s gegen eine Metallwand gefahren. Die aus Ultramid XP gefertigten Dome erreichten dabei hohe Energieabsorptionwerte

Bild 4. Bei den Crashversuchen zeigten die Ultramid-XP-Teile jeweils eine etwa 20 % höhere Energieaufnahme im Vergleich zu entsprechenden Standardprodukten

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 

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Tabelle. Charakteristische Werte des 3-Punkt-Biegeversuchs am Bauteil 

BASF - Hauptartikel

Jens Cremer ist Produktentwickler im Bereich R&D Ultramid bei BASF; <a href="mailto:jens.cremer@basf.com">jens.cremer@basf.com</a>

Andreas Stockheim ist Segment Marketing Manager Powertrain & Chassis bei BASF; <a href="mailto:andreas.stockheim@basf.com">andreas.stockheim@basf.com</a>