PEEK-Spritzgießen zeichnet sich durch drei Kennzahlen aus, die weit über die üblichen Kunststoffverarbeitungspraktiken hinausgehen: ein Schmelzpunkt von 343 °C, eine Trockenheitsanforderung von unter 0.02 % und eine Formtemperatur von 170–200 °C – höher als die Schmelztemperatur der meisten Standardkunststoffe. Alle weiteren Entscheidungen beim PEEK-Spritzgießen basieren auf diesen drei Werten. Eine Presse, die keine 400 °C halten kann, ein Trockner, der keinen Taupunkt von −40 °C erreicht, und ein Werkzeug, das nicht gleichmäßig erhitzt werden kann, produzieren jeweils Ausschuss aus Kunststoff, dessen Kosten um ein Vielfaches höher sind als die von ABS oder Polycarbonat.
Dieser Leitfaden begleitet Ingenieure und Produktentwickler von der Granulatherstellung bis zum geprüften Bauteil und hilft ihnen bei der Entscheidung, ob PEEK überhaupt in Form gegossen werden soll. Er beschreibt den Prozess Schritt für Schritt und erläutert die Gründe für jede Kontrollmaßnahme, die Parameter, die die Bauteilqualität beeinflussen, wo das Spritzgießen Vorteile bietet und wo es im Vergleich zur maschinellen Bearbeitung oft teurer ist, wie man die passende Güteklasse anhand der erforderlichen Ausfallfestigkeit auswählt und für welche Anwendungen sich der Werkzeugeinsatz lohnt. Die Abbildungen stammen aus veröffentlichten Materialdatenblättern und Verarbeitungsanleitungen für Standard-PEEK-Güten und nicht aus einem einzelnen Testprogramm. Sie beschreiben typische Laborbedingungen und stellen keine garantierten Werte für ein bestimmtes Bauteil dar.
Was PEEK ist und warum es sowohl gegossen als auch maschinell bearbeitet wird
PEEK ist ein teilkristallines Polyetheretherketon. Veröffentlichte Datenblätter für Standard-PEEK-Typen ohne Füllung geben eine Schmelztemperatur von 343 °C, einen Glasübergang von 143 °C (Beginn) und 150 °C (Mittelpunkt) sowie einen relativen Wärmeindex für elektrische Anwendungen von 260 °C an. Die zulässige Dauereinsatztemperatur an Luft wird üblicherweise mit 250 °C über 20,000 Stunden angegeben, mit einem Dauereinsatzbereich von 250–260 °C. Dies sind typische Werte, die an Laborproben ermittelt wurden. Die tatsächlichen Eigenschaften eines Formteils hängen von seiner Geometrie, der Werkzeugkonfiguration und den tatsächlich angewandten Verarbeitungsbedingungen ab. Daher weisen die Datenblätter selbst darauf hin, dass die angegebenen Daten nur zum Materialvergleich dienen.
Das gleiche Polymer ist in zwei Formen erhältlich. Ungefülltes PEEK wird als Granulat für Spritzguss und Extrusion geliefert, und die gleiche chemische Zusammensetzung ist als Stange und Platte für die Bearbeitung verfügbar. Die Wahl zwischen den beiden Formen hängt von Volumen und Geometrie ab, nicht vom Material selbst – die chemische Zusammensetzung, die dampfsterilisations- und chemikalienbeständig ist, ist identisch. Unterschiedlich ist lediglich die gekaufte Harzmenge, der Anteil an Granulat, der zu Spänen wird, und die Frage, ob das gewünschte Produkt überhaupt geschnitten werden kann.
Eine Unterscheidung ist von Anfang an wichtig. PEEK wird oft als nicht hygroskopisch beschrieben, und das stimmt insofern, als es sich im Gegensatz zu Nylon nicht in Wasser auflöst oder aufquillt. Es absorbiert jedoch Feuchtigkeit: Verarbeitungsrichtlinien geben an, dass Granulat typischerweise etwa 0.5 Gew.-% Luftfeuchtigkeit aufnimmt, und Datenblätter nennen eine Wasseraufnahme von 0.45 % bei Sättigung und 23 °C. Dieser absorbierte Anteil ist etwa 25-mal so hoch wie der vor dem Formen festgelegte Grenzwert von 0.02 %, weshalb die Trocknung selbst bei einem Polymer, das im Gebrauch hydrolysebeständig ist, unerlässlich ist.
Der Blick SpritzgussverfahrenSchritt für Schritt
Die unten beschriebene Abfolge folgt den etablierten Verarbeitungsrichtlinien für Standard-PEEK-Typen. Jeder Schritt dient dazu, einen spezifischen Fehler zu verhindern.
1. Lagerung und Handhabung
PEEK wird in Polyethylenfolie versiegelt in einem stabilen Karton geliefert. Die Verarbeitungsrichtlinien empfehlen, die Verpackung während Transport und Lagerung versiegelt zu lassen, Kartons nur in einem sauberen Bereich zu öffnen und Restbestände wieder zu verschließen. Versiegelt, trocken und vor Sonnenlicht geschützt, ist das Material über zehn Jahre haltbar. Grund dafür ist die Verunreinigung und nicht die Haltbarkeit: Bei 380 °C führen wenige Partikel eines anderen Polymers oder ein Staubkorn zu schwarzen Flecken oder schwachen Schweißnähten, und das Harz ist zu teuer, um es aus Reinigungsgründen zu entsorgen.
2. Trocknen
Die Pellets werden in einem Umluftofen bei 120–150 °C für 3–5 Stunden in etwa 2.5 cm tiefen Schalen verteilt, bis die Restfeuchte unter 0.02 % (entsprechend einem Taupunkt von −40 °C) sinkt. Sowohl 3 Stunden bei 150 °C als auch 5 Stunden bei 120 °C gelten als gleichwertige Verfahren. Gemäß den Standardrichtlinien darf PEEK nicht zusammen mit anderen Materialien im selben Ofen getrocknet werden, es sei denn, diese sind ordnungsgemäß voneinander getrennt. Feuchtigkeit bei Schmelztemperatur führt zu Oberflächenfehlern und Molekulargewichtsverlust; der Trocknungsschritt schützt daher sowohl das Aussehen als auch die mechanischen Eigenschaften.
3. Einfüllöffnung
Der Trichter wird unter 100 °C gehalten – Datenblätter für ungefüllte Sorten geben eine Temperatur unter 100 °C an, während Extrusionsrichtlinien eine Vorwärmung des Granulats im Bereich von 140–180 °C für diesen Prozess empfehlen. Ziel beim Formpressen ist es, Brückenbildung oder teilweises Anschmelzen der Pellets vor dem Erreichen der Schnecke zu verhindern und gleichzeitig die Wiederaufnahme von Feuchtigkeit auf dem Weg dorthin zu minimieren.
4. Plastifizieren
Der Zylinder muss kontrolliert auf 400 °C erhitzt werden, mit einer Genauigkeit von ca. ±2 °C. Dies schließt Heizelemente aus Aluminiumguss aus und erfordert stattdessen Heizelemente aus Hochtemperaturlegierungen oder Keramik. Typischerweise werden Schnecken mit einem Längen-Durchmesser-Verhältnis (L/D) von 18:1 bis 24:1 und einem Verdichtungsverhältnis von 2:1 bis 3:1 verwendet. Ein Rückschlagring an der Schneckenspitze ist erforderlich, um den Einspritzdruck aufrechtzuerhalten. Die Verweilzeit sollte kurz sein. Die Schmelze kann bis zu einer Stunde lang bei 360 °C gehalten werden, ohne dass es zu einer nennenswerten Verschlechterung kommt. Danach sollte die Zylindertemperatur auf 340 °C sinken. Bei einer Verweilzeit von mehr als drei Stunden muss der Zylinder gespült werden.
5. Injektion
Die Schmelztemperaturen liegen je nach Sorte im Bereich von ca. 355–395 °C. Bei unverstärktem PEEK beträgt das typische Temperaturprofil (hinten/Mitte/vorn/Düse) 355 / 360–365 / 370 / 375 °C; bei einer Sorte mit 30 % Glasfaseranteil steigen die Werte auf 360 / 370–375 / 380 / 385 °C und bei einer Sorte mit 30 % Kohlenstoffanteil auf 375 / 380–385 / 390 / 395 °C. Der stabile Arbeitsbereich liegt üblicherweise zwischen 360 und 400 °C. Die Einspritzdrücke überschreiten selten 14 MPa, die Nachdrucke liegen bei etwa 10 MPa für reines PEEK. Präzisionsteile mit hohem Fließverhältnis können jedoch Drücke von über 200 MPa erfordern.
6. Formtemperatur
Die Werkzeugoberfläche wird auf 170–200 °C gehalten (Verarbeitungsrichtlinien geben häufig 175–205 °C an; Datenblätter nennen 170–200 °C für unverstärktes PEEK). Dies ist die Oberflächentemperatur, nicht der Sollwert des Reglers. Bei Ölheizung sind Leitungsverluste von bis zu 40 °C üblich, daher sind Sollwerte von 260 °C typisch, um 170 °C am Stahl zu erreichen. Der Grund dafür ist die Kristallinität: Ein kaltes Werkzeug kühlt die Oberfläche in einen amorphen Zustand ab, was zu ungleichmäßiger Farbe, dunklen oder transparenten Kanten sowie geringerer Festigkeit und chemischer Beständigkeit führt. Standardrichtlinien besagen, dass unter empfohlenen Bedingungen geformte Teile einen Kristallinitätsgrad von nominell 30 % aufweisen sollten.
7. Verpackung, Kühlung und Auswurf
Der Haltedruck kompensiert die Schrumpfung beim Abkühlen des Werkstücks am heißen Werkzeug. Die Abkühlzeit skaliert mit der Wandstärke; veröffentlichte Abkühlzeitkurven bei einer Werkzeugtemperatur von 180 °C zeigen, dass eine optimierte Auswerferkonstruktion die Abkühlzeit bei ungefüllten Werkstoffen um etwa 15 % reduzieren kann. Die Werkstücke werden ausgeworfen, solange sie noch ausreichend steif sind, um Verformungen zu vermeiden.
8. Glühen
Wo Dimensionsstabilität oder Spannungsabbau wichtig sind, können Formteile geglüht werden. Ein typisches Programm für einen Querschnitt bis zu 20 mm sieht folgende Schritte vor: Aufheizen auf 150 °C mit maximal 30 °C/h, Halten der Temperatur für 3 Stunden, anschließendes Aufheizen auf 200 °C mit der gleichen Rate, Halten der Temperatur für 4 Stunden und schließlich Abkühlen mit maximal 15 °C/h. Durch das Glühen wird außerdem die Kristallisation abgeschlossen und die Schwindung stabilisiert.
9. Inspektion
Die abschließenden Prüfungen bestätigen die Abmessungen, das Aussehen (dunkle Ränder und schwarze Flecken sind typische PEEK-Fehler) und, falls spezifiziert, die Kristallinität mittels DSC. Die Erstmusterfreigabe inklusive Kristallinitätsdaten schließt den Prüfprozess und zeigt, ob das Werkzeug tatsächlich die erforderliche Betriebstemperatur erreicht hat.
Verarbeitungsparameter, die die Teilequalität bestimmen
Die Parameter, die darüber entscheiden, ob ein PEEK-Teil den Zeichnungsanforderungen entspricht, sind weniger als in der vollständigen Maschineneinstellungsliste angegeben. Zu ihnen gehören Trocknung, Schmelztemperatur, Werkzeugtemperatur, Einspritzdruck und -geschwindigkeit, Anguss- und Verteilerkanalgröße sowie die Schwindungszugabe. Die folgende Tabelle vergleicht drei Standardqualitäten anhand der Werte, die sich am stärksten unterscheiden (aus den jeweiligen Datenblättern).
| Parameter | 450 g (unbefüllt) | 450GL30 (30% Glas) | 450CA30 (30% Kohlenstoff) |
| Schmelzviskosität bei 400 °C | 350 Pa·s | 550 Pa·s | 675 Pa·s |
| Formschrumpfung, Fließrichtung | 0.90% | 0.30% | 0.10% |
| Formschrumpfung, quer zur Strömung | 1.3% | 0.90% | 0.50% |
| Düsentemperatur (typisch) | 375 ° C | 385 ° C | 395 ° C |
| Formtemperatur (typisch) | 170-200 ° C | 180-200 ° C | 180-210 ° C |
| Mindesttor | > 1 mm | > 2 mm | > 2 mm |
| Trocknen | 120–150 °C, 3–5 h, <0.02 % | gleich | gleich |
Die Formschwindung dreier PEEK-Standardtypen wurde in Fließrichtung und entlang der Schmelze an Prüfkörpern nach ISO 294-4 unter typenspezifischen Düsen- und Werkzeugbedingungen gemessen (ungefüllt: Düse 375 °C, Werkzeug 190 °C; 30 % Glas: Düse 385 °C, Werkzeug 190 °C; 30 % Kohlenstoff: Düse 395 °C, Werkzeug 200 °C). Die Werte dienen lediglich dem Materialvergleich – die tatsächliche Schwindung hängt von der Teilegeometrie, der Werkzeugkonfiguration und den Verarbeitungsbedingungen ab.
Aus der Tabelle lassen sich drei Schlüsse ziehen. Erstens sind gefüllte Kunststoffe steifere Schmelzen – 550 und 675 Pa·s gegenüber 350 Pa·s – weshalb höhere Sollwerte für den Formzylinder und größere Angüsse erforderlich sind, um die gleiche Wandstärke zu erreichen. Zweitens nimmt die Schwindung in Fließrichtung mit steigendem Faseranteil zu, jedoch deutlich weniger quer zur Fließrichtung. Daher schwindet dasselbe Bauteil entlang und quer zum Schmelzweg unterschiedlich. Drittens verdoppelt sich die Angussregel für Compounds annähernd: Das Minimum beträgt 1 mm für ungefülltes PEEK und 2 mm für Compounds, was etwa zwei Dritteln der Wandstärke bei dicken Bauteilen entspricht. Die Angüsse sollten das 1- bis 1.5-fache der Formteilstärke betragen. Die Angusskanäle sollten an Düse und Formwerkzeug einen Durchmesser von mehr als 3 mm und im Verteiler einen Durchmesser von mehr als 3.5 mm aufweisen.
Einspritzdruck und Schneckendrehzahl sind sekundäre Einstellungen, sobald diese festgelegt sind. Standardschnecken sind geeignet, und Gegendruck verbessert die Schmelzhomogenität. Üblicherweise werden Umfangsschneckendrehzahlen von 5–10 m/min für unverstärkte und maximal 6 m/min für verstärkte Sorten empfohlen, da hohe lokale Scherkräfte die Schmelze überhitzen. Gegendrücke von 2–8 MPa sind üblich, für verstärkte Sorten niedriger, um die Fasern schonender zu behandeln.
Bei der Bestimmung der Schwindung sollten die Angaben im Datenblatt lediglich zum Vergleich von Stahlsorten und nicht zum Zuschneiden verwendet werden. In den Datenblättern wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Schwindungsangaben dem Materialvergleich dienen und die tatsächlichen Werte stark von der Teilegeometrie, der Werkzeugkonfiguration und den Verarbeitungsbedingungen abhängen. Üblicherweise werden Werkzeuge daher immer auf der metallsicheren Seite zugeschnitten. Ein Erstmuster, das anhand der eigenen Geometrie vermessen wird, ist die einzig verlässliche Korrekturmöglichkeit.
Vorteile des PEEK-Spritzgießens – und wann welche Vorteile bestehen
Die Vorteile des Formens von PEEK sind real, aber jeder einzelne ist bedingt, und die Angabe der Bedingung ist das, was eine sinnvolle Aussage von einer reinen Verkaufsfloskel unterscheidet.
Netzförmige komplexe Geometrie
Das Spritzgießen ermöglicht die Herstellung von Vorsprüngen, Rippen, Klammern und Gewinden in einem Arbeitsgang, während die maschinelle Bearbeitung mehrere Aufspannungen erfordern und das gewünschte Merkmal möglicherweise gar nicht erreichen würde. Voraussetzung dafür ist die korrekte Anguss- und Entlüftungsführung des Werkzeugs. Fehlersuchanleitungen führen kurze Formteile und Schweißnähte ebenso häufig auf unzureichende Entlüftung und Angussgestaltung zurück wie auf fehlerhafte Maschineneinstellungen. Der geometrische Vorteil ist daher nur so gut wie die zugrundeliegende Werkzeugkonstruktion.
Ökonomie des hohen Produktionsvolumens
Ein Formteil verbraucht pro Spritzvorgang Gramm Harz; ein bearbeitetes Teil entsteht aus einem Rohling und hinterlässt den größten Teil davon als Späne. Voraussetzung: Die Werkzeugkosten müssen sich amortisieren. Unterhalb dieser Stückzahl dominieren die Werkzeugkosten, und die Bearbeitung ist günstiger – der Übergang wird in einem späteren Abschnitt behandelt.
Reproduzierbare Eigenschaften bei Temperatur
Da die Formtemperatur die Kristallinität beeinflusst, gewährleistet ein präzise gesteuertes Heißwerkzeug gleichbleibende Festigkeit, chemische Beständigkeit und Formstabilität über die gesamte Produktionsserie. Voraussetzung: Die Werkzeugoberfläche muss die vorgesehene Temperatur erreichen. Ein zu kaltes Werkzeug produziert Teile, die zwar vollständig aussehen, aber unter Belastungen versagen, denen ein Standardkunststoff standhalten würde.
Eliminierung der Nachbearbeitung
Merkmale, die sonst nach dem Spritzgießen ausgeschnitten würden, werden direkt aus dem Werkzeug entnommen. Dies spart Rüstzeiten und vermeidet die durch die Bearbeitung verursachten Oberflächenbeeinträchtigungen. Voraussetzung: Die Toleranzanforderungen müssen innerhalb der Spritzgießgenauigkeit liegen. Typische Toleranzen liegen unter Standard-Spritzgießbedingungen bei etwa 0.05 % – für viele Merkmale ausreichend, aber kein Ersatz für die Bearbeitung, wenn die Zeichnung engere Toleranzen erfordert.
Materialeffizienz und Gestaltungsfreiheit
Das Spritzgießen ermöglicht Wandstärken, Rippen und Innenstrukturen, die sich nur schwer oder gar nicht schneiden ließen, und vermeidet den Verschnitt, der die Bearbeitung von PEEK verteuert. Voraussetzung: Das Bauteil muss für das Spritzgießen geeignet sein, mit gleichmäßigen Wänden und ausreichendem Entformungsschrägen; dies wird im Konstruktionsabschnitt erläutert.
Keiner dieser Vorteile sollte für ein bestimmtes Bauteil ohne Prüfung seiner Geometrie geltend gemacht werden. Bei einem großen, einfachen Bauteil mit geringen Toleranzen kann es sein, dass keiner dieser Vorteile auftritt.
Einschränkungen und versteckte Kosten
Die Kosten, die PEEK-Spritzgießer beim ersten Mal überraschen, sind selten allein der Harzpreis. Sie stecken auch im Werkzeug, den Energiekosten und der Ausschussquote.
Das heiße Werkzeug
Um eine Form bei 170–200 °C zu halten, ist eine Ölheizung, elektrische Heizpatronen oder eine Kombination aus beidem erforderlich. Elektrische Heizungen sind wirtschaftlich und wartungsfreundlich, neigen jedoch zu Hotspots und eignen sich am besten für kleine Bauteile. Ölheizungen sind schwieriger zu konstruieren, können aber Wärme abführen, was bei großen Formteilen und tiefen Kernen wichtig ist. Isolierplatten zwischen Form und Aufspannplatte werden dringend empfohlen, und die Ölleitungen sollten kurz und isoliert sein, da Wärmeverluste von bis zu 40 °C üblich sind. All dies erhöht die Investitionskosten, die Aufheizzeit und den Energieverbrauch pro Zyklus.
Zykluszeit
Eine heiße Form kühlt das Bauteil langsamer ab, und dickere Wandstärken verlängern die Abkühlzeit. Die veröffentlichten Abkühlzeitangaben in Abhängigkeit von der Wandstärke bei einer Werkzeugtemperatur von 180 °C steigen mit zunehmender Wandstärke stark an. PEEK-Bauteile lassen sich daher nicht schnell spritzgießen, was die Kosten pro Bauteil erhöht, selbst bei geringem Harzverbrauch.
Ein schmales Verarbeitungsfenster
Die Schmelze ist zwischen etwa 360 und 400 °C stabil. Außerhalb dieses Bereichs häufen sich die Fehlerquellen: Bei zu niedriger Temperatur erstarrt die Schmelze an der Düse oder es kommt zu unvollständigen Schüssen; bei zu hoher Temperatur oder zu langer Haltezeit zerfällt sie in spröde Teile und bildet dunkle Streifen. Bei so teurem Harz bedeutet jeder Ausschuss einen erheblichen Verlust, und die Ausschussrate ist beim Anfahren und bei Sortenwechseln am höchsten.
Mahlgrenzen
PEEK kann nachbearbeitet werden, jedoch beschränken die Standardrichtlinien den Mahlgutanteil auf maximal 30 Gew.-% für ungefüllte Polymere und 10 Gew.-% für gefüllte Compounds. Sie warnen davor, dass selbst geringe Mengen an Fremdmaterial die Formqualität bei diesen Temperaturen erheblich beeinträchtigen. Dies begrenzt die Menge an Angussresten, die wiederverwertet werden kann, insbesondere bei gefüllten Sorten.
Kontaminationsempfindlichkeit
Spezielle Schaufeln, Wannen und Trocknungsanlagen werden dringend empfohlen. Laut Fachliteratur deuten schwarze Flecken in naturbelassenen Sorten in der Regel auf Kreuzkontamination oder unzureichende Reinigung hin. Betriebe, die PEEK zusammen mit anderen Polymeren verarbeiten, müssen die Trennung der Materialien strikt einhalten, um Teileverluste durch Kontamination zu vermeiden.
Kompromisse bei Hot Runnern
Heißkanalsysteme sparen Material und erweitern das Verarbeitungsfenster, verursachen jedoch höhere Investitionskosten, größere Verschmutzungsprobleme beim Spülen und einen höheren Wartungsaufwand als Kaltkanalsysteme. Das System muss konstant bei 450 °C laufen, mit externer Beheizung und ohne interne Durchflussbegrenzungen. Die Düsenspitzen sollten großzügig dimensioniert und nicht stiftförmig verengt sein.
Toleranzgrenzen
Die engsten Toleranzen lassen sich beim Spritzgießen ohne Nachbearbeitung nicht einhalten. Wenn die Zeichnung eine höhere als die Standard-Spritzgießfähigkeit erfordert, muss die Nachbearbeitung nach dem Spritzgießen eingeplant und kalkuliert werden.
Die Kosten für all die oben genannten Verfahren variieren je nach Bauteil, Produktionsmenge und Betrieb zu stark, um hier verlässliche Angaben machen zu können. Der richtige Ansatz besteht darin, sie als Richtungsfaktoren zu betrachten: Heißwerkzeuge, langsame Arbeitszyklen und Nachschleifen erhöhen die Stückkosten, und die Produktionsmenge, ab der Spritzgießen die spanende Bearbeitung übertrifft, verschiebt sich entsprechend.
Auswahl einer PEEK-Klasse für einen Versagensmodus
Die Auswahl der Güteklasse ist einfacher, wenn man vom Ausfall ausgeht, den das Bauteil überstehen muss, anstatt von einer Eigenschaftstabelle. Die drei Standard-Güteklassen von Victrex entsprechen drei verschiedenen Ausfallarten.
Zugmodul bei 23 °C (ISO 527-1) und Bruchdehnung bei 23 °C (ISO 527-2) für drei Victrex PEEK-Typen, aus den Datenblättern der Hersteller. Die Werte in den Datenblättern beziehen sich auf Laborproben zum Materialvergleich; die Eigenschaften eines Formteils hängen von seiner Geometrie, der Werkzeugkonfiguration und den Verarbeitungsbedingungen ab.
Ungefüllte Güteklasse – für Duktilität und Zähigkeit
Das Datenblatt gibt eine Bruchdehnung von 25 %, einen Zugmodul von 4,000 MPa und keine Bruchfestigkeit bei Kerbschlagbiegeversuchen nach Charpy und Izod bei 23 °C an. Ungefülltes PEEK bietet die höchste Dehnung und Zähigkeit innerhalb der Produktfamilie und eignet sich daher für Instrumenten- und Dichtungskomponenten, bei denen Duktilität und Inertheit entscheidend sind. Wählen Sie ungefülltes PEEK, wenn das Bauteil flexibel sein, Stöße absorbieren oder ohne Rissbildung gegen eine Gegenfläche abdichten muss.
Glasfaserverstärkte Ausführung – für statische Steifigkeit und geringe Wärmeausdehnung
Ein Glasanteil von 30 % erhöht den Zugmodul auf 11,500 MPa und führt zu einer Wärmeformbeständigkeitstemperatur von 328 °C bei 1.8 MPa. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient in Fließrichtung beträgt unterhalb der Glasübergangstemperatur 18 ppm/K. Laut Datenblatt eignet sich das Material für statische Systeme mit hoher Festigkeit und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Es ist ideal, wenn das Bauteil unter Last und bei hohen Temperaturen formstabil bleiben muss – beispielsweise eine Strukturhalterung, ein Gehäuse oder ein Bauteil, das sich nicht in benachbarte Komponenten hinein ausdehnen darf.
Kohlenstoffgefüllte Sorte – für Verschleißfestigkeit und höchsten Elastizitätsmodul
Ein Kohlenstofffaseranteil von 30 % ergibt einen Zugmodul von 28,000 MPa, die geringste Fließrichtungsschrumpfung innerhalb der Produktfamilie von nur 0.10 % sowie – laut Datenblatt – hervorragende Verschleißfestigkeit und einen niedrigen Reibungskoeffizienten in statischen und dynamischen Systemen. Dieses Material eignet sich besonders, wenn das Bauteil gleitet, reibt oder Lasten trägt und Steifigkeit wichtiger ist als Dehnung.
Die Vor- und Nachteile sind bei allen gefüllten Metallsorten gleich. Sie sind abrasiver für Werkzeuge, weshalb verschleißfeste Schnecken und Bimetallzylinder empfohlen und die Angussgrößen verdoppelt werden. Sie verlieren an Dehnung – 3.0 % bei einer Sorte mit 30 % Glasfaseranteil und 1.7 % bei einer Sorte mit 30 % Kohlenstoffanteil im Vergleich zu einer Sorte mit 25 % ungefülltem Metall – daher sollten biegsame Teile nicht gefüllt sein. Außerdem schrumpfen sie anisotrop, wobei der Wert quer zur Fließrichtung um ein Vielfaches höher ist als der Fließwert, was die Werkzeugkorrektur erschwert. Alle Angaben müssen sich auf das jeweilige Datenblatt der Sorte beziehen; Werte von einer Sorte lassen sich nicht auf eine andere übertragen.
Anwendungsbereiche, in denen PEEK-Spritzguss geeignet ist
PEEK amortisiert sich in Anwendungen, bei denen Temperatur, chemische Reaktionen oder Sterilisation herkömmliche technische Kunststoffe ungeeignet machen würden. Spritzgussverfahren sind dann sinnvoll, wenn zusätzlich hohes Volumen, komplexe Geometrien oder Wiederholgenauigkeit erforderlich sind.
Medizintechnik
PEEK ist beständig gegen wiederholte Dampfsterilisation. Veröffentlichte Tests im medizinischen Bereich zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften auch nach über 1,500 Sterilisationszyklen bei 134 °C – gemessen an Kunststoffproben ohne Reinigungszyklen – nicht signifikant beeinträchtigt werden. Typische Anwendungsgebiete sind chirurgische Instrumente, Probeimplantate und zahnärztliche Komponenten. Biokompatibilität ist jedoch nicht automatisch gegeben: Die Norm ASTM F2026-23 legt Anforderungen an reines PEEK für chirurgische Implantate fest und schließt gefüllte, gefärbte oder recycelte Formen ausdrücklich aus. Die FDA-Richtlinie ISO 10993-1 beschreibt die biologische Bewertung als Risikomanagementprozess. Spritzguss eignet sich für diesen Bereich, wenn Instrumente oder Einwegkomponenten in großen Stückzahlen mit einheitlicher Geometrie benötigt werden; die maschinelle Bearbeitung ist für patientenspezifische oder Kleinserien-Implantate geeignet.
Luft- und Raumfahrt u Automobilindustrie
Leichtbauteile, die hohen Temperaturen im Motorraum oder in der Flugzeugzelle standhalten müssen, profitieren von der Dauereinsatzfähigkeit von PEEK bei etwa 250 °C und seiner Festigkeitsbeständigkeit bei hohen Temperaturen – das Datenblatt von 450G weist eine Biegespannung von 85 MPa bei 125 °C und 19 MPa bei 175 °C aus. Das Spritzgießen eignet sich für Halterungen, Buchsen und Gehäuse mit komplexer Geometrie, bei denen das Volumen den Einsatz eines Werkzeugs rechtfertigt; große oder einfache Teile werden häufig maschinell bearbeitet.
Elektronik und Halbleiter
Die elektrischen Eigenschaften von PEEK bleiben über einen weiten Temperaturbereich erhalten, und seine Dimensionsstabilität eignet sich für kleine Präzisionsbauteile, die in großen Stückzahlen hergestellt werden – der klassische Anwendungsfall für das Spritzgießen, bei dem Tausende identischer Teile aus einem Werkzeug kommen.
Energie und Öl und Gas
Die chemische Beständigkeit gegenüber Säuren, Basen, Kohlenwasserstoffen und Lösungsmitteln bei erhöhten Temperaturen sowie die Hydrolysebeständigkeit in Dampf und Meerwasser machen PEEK zu einem geeigneten Werkstoff für Dichtungen, Ventilkomponenten und Bohrlochbauteile. Das Spritzgießen eignet sich für wiederholbare Kleinteile; große oder Einzelteile werden üblicherweise aus Standardformen gefräst.
Industrielle Ausrüstung
Verschleißteile wie Lager und Buchsen profitieren von der geringen Reibung und der hohen Verschleißfestigkeit des kohlenstoffgefüllten Materials. Bei häufigem Austausch dieser Verschleißteile amortisiert sich der Formgebungsaufwand schnell.
In jedem Fall ist die Logik dieselbe: Die Eigenschaften rechtfertigen PEEK, und das Volumen oder die Geometrie rechtfertigen das Spritzgießen anstelle der maschinellen Bearbeitung.
Wann Maschinen und Technologie PEEK Anstatt es zu formen
Die spanende Bearbeitung ist nach wie vor die richtige Lösung für einen Großteil der PEEK-Teile, und wer weiß, wann, spart Geld.
Maschinen sind bei geringen Stückzahlen sinnvoll. Unterhalb der Amortisationsgrenze für Werkzeuge dominieren die Werkzeugkosten, und PEEK-Spritzgießen ist die teurere Option. Prototypen, Brückenwerkzeuge und Einzelanfertigungen werden auf Fräs- oder Drehmaschinen gefertigt, wo keine Werkzeugkosten anfallen und Konstruktionsänderungen lediglich Programmierzeit kosten.
Die Bearbeitung eignet sich besonders für große oder einfache Geometrien. Ein großes, blockartiges Teil mit wenigen Details erzeugt beim Schneiden aus einem Block wenig Verschnitt, und eine entsprechende Form wäre groß, würde hohe Temperaturen verursachen und teuer werden. Der Verschnitt, der die Bearbeitung von PEEK verteuert, ist proportional dazu, wie viel vom Blockmaterial zum Teil verarbeitet wird; bei einfachen Formen ist dies der größte Teil.
Nachbearbeitung ist erforderlich, wenn die Toleranzen die Spritzgießfähigkeit überschreiten. Typische Spritzgießtoleranzen liegen unter Standardbedingungen bei etwa 0.05 %. Wenn eine Zeichnung engere Toleranzen erfordert oder Merkmale aufweist, die sich nicht spritzgießen lassen, ist eine Nachbearbeitung einzuplanen – entweder des gesamten Teils oder eines Nachbearbeitungsschritts nach dem Spritzgießen.
Die Werkzeugkosten amortisieren sich bei steigendem Produktionsvolumen. Die Berechnung basiert auf vier Variablen: Werkzeugkosten, Teilegröße (die die Schussmenge und Zykluszeit bestimmt), Harzkosten pro Schuss und der vermiedene Materialabtrag durch maschinelle Bearbeitung. Mit zunehmendem Produktionsvolumen verteilen sich die Werkzeugkosten auf mehr Teile, und die Harzeinsparung pro Schuss erhöht sich. Der optimale Zeitpunkt ist für jedes Teil individuell. Um ihn zu ermitteln, fordern Sie ein Angebot an, das die Werkzeugkosten von den Teilekosten trennt, und vergleichen Sie es mit einem Angebot für maschinelle Bearbeitung bei gleichem Produktionsvolumen.
Formen sind dann sinnvoll, wenn die Geometrie komplex und endkonturgenau ist. Vorsprünge, Gewinde, Klammern und interne Merkmale lassen sich mit einem gut konstruierten Werkzeug leicht herstellen und verursachen beim Bearbeiten keine Rüstkosten.
Spritzguss ist dann eine gute Wahl, wenn es auf die Wiederholgenauigkeit vieler Teile ankommt. Ein einzelnes Werkzeug produziert identische Teile, Schuss für Schuss; die maschinelle Bearbeitung hängt von der Konsistenz der Einrichtung ab. Für ein Serienfertigungsprogramm ist die Wiederholgenauigkeit des Spritzgusses an sich schon ein Qualitätsvorteil.
Eine ehrliche Berechnung basiert auf dem Verhältnis von Produktionsvolumen zu Werkzeugkostenabschreibung und ist keine Faustregel. Jeder konkrete Dollarbetrag wäre willkürlich; entscheidend sind die Variablen.
Design für PEEK: Werkzeugbau und Teileregeln, die Verschrottung verhindern
Der Großteil des PEEK-Ausschusses lässt sich auf einige wenige Konstruktionsentscheidungen zurückführen, die vor dem Stahlzuschnitt getroffen wurden. Die folgenden Regeln gelten aufgrund der hohen Schmelz- und Formtemperaturen, nicht weil PEEK prinzipiell besonders schwierig zu verarbeiten wäre.
1. Gleichförmige Wandquerschnitte.
Üblicherweise werden Mindestwandstärken von ca. 1 mm für ungefüllte PEEK-Compounds und 1.5 mm für gefüllte empfohlen. Gleichmäßige Wände kühlen gleichmäßig ab und schrumpfen gleichmäßig; Übergänge von dick nach dünn führen zu Einfallstellen, Lufteinschlüssen und Verzug, die durch keine Maschineneinstellung vollständig behoben werden können.
2. Großzügig dimensionierte, gut belüftete Tore.
Ein Mindestanschnitt von 1 mm für ungefüllte und 2 mm für zusammengesetzte Teile ist Standard, was etwa zwei Dritteln der Wandstärke bei dicken Teilen entspricht. Die Angusskanäle haben einen Durchmesser von 1 bis 1.5 Mal der Formteilstärke. Der Mindestdurchmesser der Angusskanäle beträgt ca. 4 mm bei einem Eingangsdurchmesser von 1.5 Mal der größten Teilteilstärke. Große Angusskanäle gewährleisten einen gleichmäßigen Schmelzfluss und reduzieren Einfallstellen und Lunker; eine ausreichende Entlüftung verhindert unvollständige Füllung und Brandflecken.
3. Heißkanäle, ausgelegt für 450 °C.
Wird ein Heißkanal verwendet, sind eine externe Beheizung ohne interne Durchflussbegrenzungen, ein konstanter Betrieb bei 450 °C, großzügig auf der Bauteiloberfläche positionierte Düsenspitzen und eine sehr gute individuelle Temperaturregelung zur Gewährleistung der Werkzeugbalance erforderlich. Das Angießen mit Stiften wird nicht empfohlen.
4. Werkzeugstähle, die ihre Härte bei hohen Temperaturen beibehalten.
Eine Hohlraum- und Kernhärte von 52–54 HRC bei PEEK-Verarbeitungstemperaturen ist das übliche Ziel. Gängige Stahlsorten sind solche, die bei dieser Temperatur eine Härte von ca. 54–58 HRC beibehalten, darunter 1.2343 ESU, 1.2379, 1.2083 und 1.2316. Gefüllte Stahlsorten sind abrasiv, daher ist die Verschleißfestigkeit an den Angüssen wichtig.
5. Berücksichtigung der anisotropen Schrumpfung.
Die Schwindung variiert längs und quer zur Fließrichtung, insbesondere bei Verwendung von Füllstoffen – 0.90 % gegenüber 1.3 % bei 450G, 0.10 % gegenüber 0.50 % bei 450CA30. Das Werkzeug sollte metallverträglich zugeschnitten und anhand der Erstmustermessungen an der tatsächlichen Geometrie korrigiert werden, anstatt sich allein auf die Schwindung im Datenblatt zu verlassen.
6. Prozesssimulation vor dem Schneiden von Stahl.
Vor dem Stahlschneiden sollte immer eine Simulation durchgeführt werden, um die Anschnitte für einen gleichmäßigen Materialfluss zu positionieren, Bindenähte zu minimieren und die erforderliche Entlüftung zu bestimmen. Bei einem Werkzeug, das für den Einsatz bei 200 °C ausgelegt ist, ist ein Stahlwechsel kostspielig; die Simulation stellt daher eine günstige Vorsichtsmaßnahme dar.
Fazit zum PEEK-Spritzgießen
PEEK-Spritzgießen lohnt sich, wenn Volumen und Geometrie den Einsatz eines Heißwerkzeugs und eine kontrollierte Trocknung rechtfertigen; darunter bleibt die spanende Bearbeitung die richtige Lösung. Die Prozesskette ist festgelegt: geschlossene Lagerung, Trocknung auf unter 0.02 % Restfeuchte, Plastifizieranlage mit 400 °C, Werkzeugtemperatur 170–200 °C, kontrollierte Nachfüllung und Kühlung, gegebenenfalls Tempern und Prüfung einschließlich Kristallinitätsprüfung. Die qualitätsbestimmenden Parameter sind Trocknung, Schmelztemperatur, Werkzeugtemperatur, Anguss- und Verteilergröße sowie Schwindungszugabe. Diese variieren je nach PEEK-Sorte: 350, 550 und 675 Pa·s Schmelzviskosität und 0.90 %, 0.30 % und 0.10 % Fließrichtungsschwindung für ungefülltes, glasfaserverstärktes bzw. kohlenstofffaserverstärktes PEEK.
Die Wahl der Materialqualität richtet sich nach dem Versagensverhalten: unverstärkt für Duktilität und Zähigkeit, glasfaserverstärkt für statische Steifigkeit und geringe Wärmeausdehnung, kohlenstofffaserverstärkt für Verschleißfestigkeit und höchsten Elastizitätsmodul. Die Anwendungsbereiche folgen derselben Logik – Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Elektronik, Energiewirtschaft und Industriebauteile rechtfertigen jeweils den Einsatz von PEEK aufgrund spezifischer Eigenschaften und den von PEEK im Formgussverfahren für ein bestimmtes Volumen oder eine bestimmte Geometrie.
Im nächsten Schritt werden Jahresvolumen, Toleranz und Geometrie festgelegt. Anschließend wird ein Angebot angefordert, das die Werkzeugkosten von den Teilekosten trennt. Nur dieser Vergleich mit einem Angebot für die maschinelle Bearbeitung bei gleichem Volumen ist verlässlich, um das geeignete Bearbeitungsverfahren für das Bauteil zu bestimmen.
Zusammenarbeit mit NOBLE bei Ihrem PEEK-Spritzgussprojekt
Die kundenspezifischen PEEK-Spritzgießdienstleistungen von NOBLE umfassen Werkzeuge aus Stahl und Aluminium, Einzel-, Mehrfach- und Familienformen sowie Pressen von 50 bis 500 Tonnen. Die Wiederholgenauigkeit der Teile beträgt ±0.1 mm, die Toleranzen der Formhohlräume ±0.05 mm. PEEK gehört zu den verarbeiteten Materialien, und die Qualitätskontrolle erfolgt intern mit ZEISS-Koordinatenmessgeräten. Diese Angaben beschreiben die allgemeine Spritzgießkompetenz von NOBLE; sie stellen keine spezifische PEEK-Anwendung dar. Für ein PEEK-Projekt sollten die oben genannten Punkte – Zylindertemperaturbeständigkeit, Werkzeugheizverfahren, Trocknungstaupunkt und Kristallinitätsprüfung – in Bezug auf die jeweilige Presse und das Werkzeug, mit dem das Teil gefertigt wird, überprüft werden.
Was Sie vor der Angebotsanfrage vorbereiten sollten: das 3D-Modell und die Zeichnung mit Angabe der Toleranzen, die Jahres- und Produktionsmenge, die Einsatzumgebung (Temperatur, Chemikalien, Sterilisationszyklen), die geforderte Güteklasse oder eine Beschreibung des Ausfallmodus, den das Bauteil überstehen muss, sowie alle geltenden Normen, die das Bauteil erfüllen muss. Mit diesen Informationen kann ein Angebot die Werkzeugkosten von den Bauteilkosten trennen. Nur so lässt sich Spritzguss mit spanender Bearbeitung fair vergleichen.
Die von NOBLE angegebenen Lieferzeiten – Angebote innerhalb von 24 Stunden und Teile in 7–10 Tagen für viele Aufträge – gelten für das allgemeine Serviceangebot; PEEK-Werkzeuge und Prozessvalidierung können je nach Teil und Güteklasse nach einem anderen Zeitplan erfolgen.
Häufig gestellte Fragen zum PEEK-Spritzgießen
Warum muss PEEK getrocknet werden, wenn es nicht hygroskopisch ist?
„Nicht hygroskopisch“ bedeutet lediglich, dass sich das Material in Wasser weder auflöst noch aufquillt, nicht, dass es trocken bleibt. Granulat nimmt typischerweise etwa 0.5 % Luftfeuchtigkeit auf, wobei der Grenzwert vor dem Formen bei 0.02 % liegt. Feuchtigkeit bei 380 °C verursacht Oberflächenfehler und einen Verlust an Molekulargewicht. Daher wird das Material 3–5 Stunden lang bei 120–150 °C bis zu einem Taupunkt von −40 °C getrocknet.
Warum ist die Form heißer als der Schmelzpunkt der meisten Harze?
Da die Formtemperatur die Kristallinität beeinflusst, empfehlen Verarbeitungsrichtlinien eine Werkzeugoberflächentemperatur von 175–205 °C (Datenblätter geben 170–200 °C für unverstärktes PEEK an), damit das Bauteil seine kristalline Struktur ausbildet. Unter diesen Bedingungen geformte Bauteile sollten einen Kristallinitätsgrad von ca. 30 % aufweisen. Ein zu kaltes Werkzeug kühlt die Oberfläche ab und führt zu einem amorphen Zustand, was dunkle oder transparente Kanten sowie eine geringere Festigkeit und Chemikalienbeständigkeit zur Folge hat.
Kann PEEK erneut vermahlen werden und in welchem Verhältnis?
Ja. Standardrichtlinien legen einen maximalen Mahlgutanteil von 30 Gew.-% für ungefüllte Polymere und 10 Gew.-% für gefüllte Compounds fest und warnen davor, dass selbst geringe Mengen an Fremdmaterial die Qualität bei PEEK-Verarbeitungstemperaturen ernsthaft beeinträchtigen.
Wie vergleicht sich das Spritzgießen mit der maschinellen Bearbeitung hinsichtlich Kosten und Toleranz?
Spritzgießen ist kostengünstiger, sobald die Werkzeugkosten amortisiert sind, da pro Spritzguss nur wenige Gramm Harz anstelle eines Rohlings benötigt werden und komplexe Endformgeometrien realisiert werden können. Die spanende Bearbeitung ist bei geringen Stückzahlen und engsten Toleranzen überlegen; typische Spritzgießtoleranzen liegen unter Standardbedingungen bei etwa 0.05 %, und engere Anforderungen erfordern eine Nachbearbeitung.
Welche Formtemperatur ist für vollständige Kristallinität erforderlich?
Victrex empfiehlt in seiner Verarbeitungsanleitung eine Oberflächentemperatur von 175–205 °C, Evonik rät hingegen zu Werkzeugtemperaturen über 180 °C, um einen hohen Kristallisationsgrad zu erzielen. Da ölbeheizte Werkzeuge über die Leitungen Wärme verlieren, liegt der Sollwert des Reglers oft deutlich über der tatsächlich erreichten Oberflächentemperatur.
Können ausgefüllte Noten im selben Tool wie unausgefüllte Noten verarbeitet werden?
Sie können nur mit Sorgfalt im selben Werkzeug verarbeitet werden. Gefüllte Werkstoffe benötigen größere Angüsse – mindestens 2 mm statt 1 mm –, schrumpfen anders und wirken abrasiv auf das Werkzeug. Daher kann ein für ungefülltes PEEK ausgelegtes Werkzeug bei einem glas- oder kohlenstoffgefüllten Werkstoff möglicherweise nicht richtig füllen oder schnell verschleißen. Victrex empfiehlt, die Angüsse auf den jeweiligen Werkstoff abzustimmen und für gefüllte Mischungen verschleißfeste Stähle zu verwenden.
