Gängige schlagzähe Kunststoffe
Sind Sie auf der Suche nach Thermoplasten, die einen kräftigen Schlag verkraften, ohne zu zerbrechen? Hier sind fünf schlagzähe Polymere, die Sie für Ihr nächstes Projekt in Betracht ziehen sollten.
Zäh. Bruchsicher. Widerstandsfähig gegen Einstiche und Risse bei Schlägen. So beschreiben manche Leute schlagfesten Kunststoff. Wie Sie jedoch sehen werden, ist dieser Begriff zweideutig. Nur weil ein Kaugummi nicht in zwei Teile zerbricht, wenn man mit einem Hammer darauf schlägt, heißt das nicht, dass er schlagfest ist. Legen Sie dasselbe Kaugummi für eine Weile in den Gefrierschrank und schlagen Sie dann darauf. Nur noch Splitter.
Das gleiche Phänomen der „Sprödigkeit bei Kälte“ tritt bei vielen Polymeren auf – lassen Sie Ihren Polypropylen (PP)-Recyclingbehälter mitten im Winter fallen, und Sie werden wahrscheinlich einen neuen brauchen. Andere Kunststoffe wie z. B. Polyetheretherketon (PEEK) können bei fast jeder Temperatur eingesetzt werden, und wieder andere (sogar ziemlich viele) werden allmählich spröde, wenn sie UV-Licht ausgesetzt werden. Ein Beispiel dafür ist das sonst so widerstandsfähige Polyoxymethylen (POM), auch bekannt als Acetal, das bei zu langer Sonneneinstrahlung schlapp macht, ebenso wie eines der schlagfestesten Polymere überhaupt, Polycarbonat (PC).
Schlagzähe Kunststoffe erkennen
Aufgrund dieser Variablen ist es wichtig, vor Beginn eines Projekts die Materialoptionen zu bewerten und diejenigen auszuwählen, die in der vorgesehenen Umgebung des Produkts gut funktionieren. Eine Möglichkeit, damit zu beginnen, ist die Prüfung der Datenblätter der Kunststoffhersteller. Dort finden Sie Begriffe wie „Kerbschlagzähigkeit nach Izod“, „Schlagzähigkeit nach Gardner“ und „Instrumentierte Durchstoßfestigkeit“. Jeder davon ist in verschiedenen ASTM- und ISO-Normen definiert [1](z. B. der ISO 179 Charpy-Kerbschlagbiegeversuch oder dem Multiaxialen Durchstoßversuch ASTM D3763)[2] und versucht zu beschreiben, wie Materialien reagieren, wenn man darauf schlägt.
Der Grundgedanke ist, unter kontrollierten Bedingungen auf eine Stichprobe eines bestimmten Materials zu schlagen und zu sehen, wie es dem Aufprall standhält. Beim IZOD-Kerbtest wird ein Pendel verwendet, das nach unten schwingt und gegen eine Halterung schlägt, die auf den Kunststoff trifft. Beim Gardner-Test wird ein Gewicht verwendet, das senkrecht auf einen runden, pfeilartigen Gegenstand fällt, der auf dem Material sitzt. Das Gewicht und die Höhe, die erforderlich sind, um Schäden zu verursachen, bestimmen die Schlagzähigkeit. Letztendlich ist die Schlagzähigkeit eines Kunststoffs umso höher, je größer der Schlag ist, der erforderlich ist, um ihn zu brechen.
In Anbetracht der vielen Standards sollte Ihre Konstruktionsabteilung festlegen, welche Normen sie bei der Produktentwicklung verwenden wird, damit Sie einen direkten Vergleich anstellen können. Leider kann die Vielfalt der Normen verwirrend sein, denn jede bezieht sich auf unterschiedliche Prüfverfahren und Methoden zur Vorbereitung der Prüfmuster. Die Angaben in den Datenblättern variieren, und das lästige Problem der metrischen bzw. imperialen Einheiten taucht ebenfalls immer wieder auf. Einige Datenblätter enthalten keine Werte für Kerbschlagbiegeversuche, geben aber Werte für Zugmodul, Biegefestigkeit, Streckdehnung und Härte an, die zumindest einen Hinweis auf die Festigkeit des Materials geben. Beachten Sie jedoch, dass Festigkeit und Zähigkeit oft im Widerspruch zueinander stehen - eine höhere Festigkeit bedeutet in der Regel ein höheres Maß an Sprödigkeit, also das genaue Gegenteil von Schlagzähigkeit.
Ein Großteil der Festigkeit oder Zähigkeit eines Polymers hängt von seiner Glasübergangstemperatur (Tg) ab und davon, ob der Kunststoff amorph oder teilkristallin ist. An dieser Stelle ist kein Platz für all diese Fragen, aber wir haben einen weiteren Design-Tipp, der dieses wichtige Thema erläutert. Sehen Sie ihn sich an, wenn Sie das Thema besser verstehen wollen.
Sehen Sie ihn sich an, wenn Sie das Thema besser verstehen wollen.
Probieren geht über Studieren
Wie lautet also die Antwort? Es gibt sogar mehr als eine. Wenn Ihr Unternehmen in Software für die Finite-Elemente-Analyse (FEA) investiert hat, dann kann man Ihnen nur gratulieren. Mit einer guten Software können Sie verschiedene Materialien und deren Eigenschaften hochladen, Variablen wie Temperatur und Belastung auswählen und dann mit virtuellen Hämmern auf virtuelle Teile einschlagen, um zu sehen, wie sie reagieren. Aber auch ohne High-End-Engineering-Software bieten SOLIDWORKS, Fusion 360, und andere beliebte CAD-Pakete integrierte FEA-Funktionen oder FEA-Zusatzmodule zu einem vernünftigen Preis.
5 gängige schlagzähe Materialien
Hier sind also „fünf schlagzähe Materialien“, wie zu Beginn dieses Design-Tipps versprochen. Es handelt sich keineswegs um eine umfassende Liste, und wie bereits erwähnt, hängt die Zähigkeit von vielen Faktoren ab, nicht zuletzt von der Teilegeometrie.
1. ABS
Anders als die meisten amorphen Polymere ist Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) undurchsichtig. Außerdem ist es sehr zäh und stoßfest, auch bei niedrigen Temperaturen. Das Armaturenbrett Ihres Autos könnte aus ABS bestehen, ebenso wie die 9036 Legosteine in dem Modell des römischen Kolosseums, an dem Sie die letzten drei Wochenenden gearbeitet haben. ABS ist sowohl hart als auch steif, elektrisch isolierend, extrem formbar und kann immer wieder recycelt werden. Es verträgt jedoch keine Lösungsmittel, keinen längeren Aufenthalt in der Sonne und keine Anwendungen, bei denen eine hohe Ermüdungsfestigkeit erforderlich ist. Wie beim nächsten Material können wir ABS und ABS-ähnliche Werkstoffe bearbeiten, 3D-drucken und spritzgießen.
2. PC
Polycarbonat (PC), das Material für kugelsicheres Glas, ist besonders schlagfest. Betrachten Sie es als das Yin zum harten, kratzfesten Yang von Acryl. PC hält wiederholten Dampfsterilisationen stand und wird daher häufig in medizinischen Anwendungen eingesetzt. Bei entsprechender Behandlung ist es außerdem hitze-, flamm- und UV-beständig, was es zur ersten Wahl für alle Anwendungen macht, wenn es um Gewächshäuser, Sicherheitsbrillen, Scheinwerferblenden oder Schutzschilder geht. Beachten Sie jedoch, dass PC eines der teureren technischen Polymere ist und beschichtet werden sollte, um Kratzer zu vermeiden, wenn die optische Transparenz eine Rolle spielt.
3. HDPE
Einige Hersteller behaupten, dass Hart-Polyethylen (HDPE) nicht nur der vielseitigste aller Kunststoffe ist, sondern auch der am häufigsten verwendete. Damit haben sie wahrscheinlich Recht. HDPE ist in starrer oder flexibler Form erhältlich und ist leicht und dennoch stabil. Automobilhersteller verwenden es für Benzintanks, Molkereibetriebe für Milchbehälter und Hersteller von Gartenmöbeln für – nun ja – Gartenmöbel. Für jede dieser Anwendungen ist eine gute Schlagzähigkeit erforderlich, und genau wie bei der Einwirkung von Sonnenlicht und Chemikalien erfüllt HDPE diese Anforderungen.
4. PP Schlagzähes Copolymer
Es hat nicht nur eine sehr hohe Schlagzähigkeit, sondern auch eine sehr gute thermische Stabilität. 500-GA20 ist ein schlagzähes Copolymer mit hohem Schmelzindex für den Spritzguss. Zu den Anwendungen gehören Haushaltswaren, Behälter, Autobatterien, Spielzeug, Verbindungen und Konsumgüter.
5. PTFE
Dieses letzte Beispiel könnte Sie überraschen. PTFE, auch bekannt als Polytetrafluorethylen, auch bekannt als Teflon, ist weich und geschmeidig, aber außergewöhnlich zäh. Seine Schlagzähigkeit ist besser als die von PEEK und den meisten Polycarbonaten und entspricht der von HDPE. Es weist außerdem einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten auf, der nur von diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) und der superharten Keramik Wenn Sie auf der Suche nach spritzgegossenen oder 3D-gedruckten Teflonteilen sind, sollten Sie weiterlesen – dank seines sehr hohen Schmelzpunkts von 327 °C [1](621 °F)[2] lässt sich PTFE zwar maschinell bearbeiten, aber das war's dann auch schon. Beachten Sie jedoch, dass es unter Druck zum Kriechen neigt, so dass es bei der Verwendung für Unterlegscheiben, Lager und andere tragende Anwendungen mechanisch fixiert werden sollte.
Daneben gibt es noch Polyphenylsulfon (PPSU), PEEK, TPE oder thermoplastisches Elastomer und sogar einige Nylone und Acetale. Auch hier hängt die Schlagzähigkeit oft von der Anwendungstemperatur ab und wird durch Zugfestigkeit, UV-Beständigkeit und andere Faktoren abgeschwächt. Zögern Sie nicht, einige Musterteile anzufertigen und sie zu vergleichen, bevor Sie sich für das eine oder andere Material entscheiden.
Bevor wir zum Schluss kommen, gibt es noch einen letzten Punkt, und der ist vielleicht der wichtigste von allen: Die Rolle des Produktdesigns bei der Schlagfestigkeit. Zum Beispiel:
- Kerben und scharfe Ecken erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teil unter Krafteinwirkung bricht, während abgerundete Ecken die Teile tendenziell haltbarer machen.
- Wenn Sie Versteifungsrippen verwenden, sollten diese eher in Bereichen mit Druck- als mit Zugkräften angebracht werden, ebenso wie Schweißnähte idealerweise dort verlaufen sollten, wo die potenziellen Stoßkräfte am geringsten sind.
- Auch wenn es sich für einen Ingenieur widersinnig anhört: Versuchen Sie, starre, sehr steife Produktdesigns zu vermeiden – ein Teil, das unter Druck ein wenig nachgeben kann, ist weniger anfällig für Versagen.
Und schließlich sollten Sie uns in der Angebotsphase alle Ihre Bedenken mitteilen. Wir verfügen über jahrzehntelange Erfahrung in der Herstellung und helfen Ihnen dabei, das passende Material und das richtige Design für Ihren Erfolg zu finden.