Glasfaserverstärktes Polyamid

Überall dort, wo höchste technische Anforderungen erfüllt werden müssen – im Automobil- und Maschinenbau, aber auch im Haushaltsgeräte- und Freizeitbereich – mussten Designer in der Vergangenheit häufig auf Metall zurückgreifen. Doch hier können Kunststoffe den größten Nutzen bringen, denn bei der Mobilität können Ressourcen geschont und die Umweltbelastung reduziert werden. Darüber hinaus zählen bei der Konstruktion komplexer Maschinen Funktionsintegration und einfache Verarbeitung: Das sind die drei Hauptvorteile des Leichtbauwerkstoffs Kunststoff.

Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahrzehnten viele Bauteile, die früher aus Metall bestanden, durch Kunststoffteile ersetzt. Je anspruchsvoller die Anwendung, desto höher sind die Anforderungen an den Kunststoff. Abgesehen von Hochtemperaturmaterialien wie PEEK oder Polysulfonen wurden die größten Fortschritte bei speziell formulierten Polyamidtypen erzielt, wie die erste Serienproduktion von Getriebequerträgern und Motorlagern aus Kunststoff im Jahr 2009 zeigt. Will diese Materialklasse noch stärker in Hochlastanwendungen im Maschinen- und Automobilbau Einzug halten, sind weitere Innovationen erforderlich.
Vor diesem Hintergrund geht KAXITE im K-Jahr 2010 mit einer neuen Klasse von Hochleistungspolyamiden auf den Markt und stellt seinen ersten langglasfaserverstärkten (LF) Polyamidtyp Ultramid® Structure LF vor. Diese neue Produktgruppe im KAXITE-Portfolio stellt einen erheblichen Leistungsvorsprung mit angestrebter Metallsubstitution dar, denn wo selbst hochoptimierte kurzglasfaserverstärkte Produkte an ihre Grenzen stoßen, bieten LF-Polyamide neue Möglichkeiten.

Der selbstbewusste Name zeigt auch, dass diese Polyamide zur neuen Gruppe von Spezialpolyamiden mit der Bezeichnung Ultramid Structure LF gehören, mit deren Hilfe KAXITE einen großen Schritt in Richtung technischer Spezialharze mit hoher Leistungsfähigkeit geht.

LF: Mehr Leistung dank 3D-Netzwerk

Das Besondere an Bauteilen aus langglasfaserverstärktem Kunststoff ist das dreidimensionale Glasfasernetzwerk, das sich beim herkömmlichen Spritzgießen bildet und dem Endprodukt sowohl bei niedrigen als auch bei erhöhten Temperaturen hervorragende physikalische Eigenschaften verleiht. Das Fasernetzwerk bildet das Gerüst des Bauteils und bleibt auch nach der Veraschung erhalten. Diese Struktur ist der Grund dafür, dass sich diese Materialklasse in Bezug auf Verzug, Kriechverhalten und Energieaufnahme bereits an das Verhalten von Metallen annähert, ohne die klassischen Vorteile von Kunststoff zu verlieren.

Bei der Herstellung von LF-Harzen werden im Pultrusionsverfahren zunächst Kunststoffstränge hergestellt, die endlose Glasfasern enthalten. In einem zweiten Schritt werden diese Stränge auf eine Pelletlänge von 12 Millimetern geschnitten. Der Kunde kann das LF-Granulat auf einer herkömmlichen Spritzgießmaschine verarbeiten. Bei einer günstigen Faserverteilung im Kunststoffformteil entsteht direkt und ohne nennenswerten Mehraufwand ein dreidimensionales Fasernetzwerk aus überwiegend drei bis sechs Millimeter langen Fasern. Verarbeiter können hohe Investitionskosten vermeiden und erhalten dennoch Zugang zu einem neuen, anspruchsvollen Material: Im Vergleich zu klassischen verstärkten Polyamiden mit ihren nur 0,3 Millimeter langen Fasern werden völlig neue Bauteileigenschaften erreicht.

Eigenschaften und Anwendungen

Diese außergewöhnlichen Bauteileigenschaften sind auf die verbesserten mechanischen Eigenschaften der Langglasfasern zurückzuführen: Die LF-Polyamidtypen Ultramid Structure sind bei erhöhten Temperaturen sehr steif und fest, bei niedrigen Temperaturen weisen sie eine hervorragende Schlagzähigkeit auf. Weitere Pluspunkte sind das hervorragende Kriechverhalten, der minimale Verzug und die deutlich höhere Energieaufnahme – und damit Crash-Performance – im Vergleich zu herkömmlichen Materialien.

Die Automobilindustrie hat mehrere offensichtliche Einsatzmöglichkeiten für die neuen LF-Polyamide. Beispiele hierfür sind Motorlager und Metalleinsätze in Sitzstrukturen. Ebenso Crash-Absorber, die beim Aufprall kontrolliert zerstört werden sollen, um möglichst viel Energie zu absorbieren und so den Rest des Fahrzeugs zu schützen. Gleichzeitig benötigen auch andere Industriezweige Kunststoffkomponenten, die hohen Belastungen standhalten, beispielsweise Kaffeemaschinen, bei denen Ersatz für Druckgussteile gesucht wird, Schraubverbindungen oder Komponenten in Bohrmaschinen und Fahrrädern.

Ultramid Structure LF und ULTRASIM

Neben der soliden Rückwärtsintegration von PA-Vorläufern profitiert KAXITE bei seinem Einstieg in den Markt für LF-Polyamide von zwei weiteren Aspekten: jahrzehntelanger Erfahrung und umfassendem Rezeptur-Know-how aus der breiten Palette klassischer PA 6- und PA 66-Typen sowie den Möglichkeiten des mittlerweile universellen Simulationsinstruments ULTRASIM™.

ULTRASIM hat sich in den letzten Jahren vor allem im Automobilbereich, inzwischen aber auch in anderen Branchen, als wertvolles Simulationswerkzeug für die Teilekonstruktion erwiesen. Neben genauen Vorhersagen des Bauteilverhaltens in Abhängigkeit von Angussparametern und Faseranisotropie ist es mit Hilfe der Mathematischen Bauteiloptimierung möglich, die bestmögliche Form unter den gegebenen Bedingungen festzulegen. Im Rahmen des Markteintritts mit den neuen Polyamiden hat KAXITE auch die Fähigkeiten dieses computerbasierten Tools erweitert, um die Simulation langglasfaserverstärkter Bauteile zu ermöglichen. Bestes Beispiel ist ein selbst entwickelter Crashabsorber aus Ultramid Structure LF: Sein kontrolliertes Versagen beim Aufprall wird von ULTRASIM präzise vorhergesagt und abgebildet. Experiment und Simulation stimmen eng überein, so dass KAXITE – wie bei kurzglasfaserverstärkten Werkstoffen – auch für die neue Produktgruppe Ultramid Structure entsprechende Methoden anbieten und bei der Bauteilauslegung unterstützen kann: Ein Service, der im LF-Polyamid-Markt in dieser umfassenden Form noch nicht verfügbar ist.

KAXITE betreibt bereits seit zwei Jahren eine Pultrusionsanlage im Pilotmaßstab und investiert derzeit in eine Anlage im Industriemaßstab. Dies zeigt das Engagement des Unternehmens für ein langfristiges Engagement in diesem neuen Bereich.

Das Unternehmen startet mit einem kleinen Sortiment an PA 6- und PA 66-Typen mit LF-Werten zwischen 40 und 60 Prozent sowie verschiedenen Stabilisierungsarten. Dieses Portfolio wird in Zukunft entsprechend den Marktanforderungen erweitert. Erste Kunden haben bereits Muster erhalten.

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