Ob es sich um flammhemmende Werkstoffe für elektrische und elektronische Bauteile, Leichtbauweise als Ersatz für Aluminium in Automobilanwendungen, Witterungsbeständigkeit für Kommunikationsgeräte, hohe Steifigkeit für mechanische, tragende Teile oder Stoßfestigkeit für Sportartikel handelt – diese scheinbar unzusammenhängenden Anforderungen führen oft zur gleichen Materiallösung:Glasfaserverstärktes PA6Die

Auf den ersten Blick mögen fünf PA6-Typen in einem Datenblatt ähnlich erscheinen, da Glasfasergehalt, Flammschutzklasse, Einsatzumgebung und Schlagfestigkeit nebeneinander aufgeführt sind. Doch diese vier Faktoren sind nicht unabhängig – sie hängen eng zusammen.

Eine Erhöhung des Glasfaseranteils kann die Steifigkeit deutlich verbessern, jedoch die Fließfähigkeit und Schlagfestigkeit verringern. Auch die Zugabe von Flammschutzmitteln kann andere Eigenschaften wie die elektrische Isolation und die Kriechstromfestigkeit beeinflussen. Entscheidend ist daher nicht einfach die Wahl des höchsten Glasfaseranteils, sondern das richtige Verhältnis für die jeweilige Anwendung.

Dieser Artikel erläutert, wie diese vier Faktoren mit unterschiedlichen Produktanforderungen zusammenhängen – von „gut genug“ bis hin zu „maximaler Steifigkeit“.

Von „Gut genug“ zu „Maximale Steifigkeit“

Unverstärktes PA6 hat typischerweise einen Biegemodul von weniger als 3.000 MPa und eine Wärmeformbeständigkeitstemperatur von etwa 60–70 °C, was seine Verwendung für viele strukturelle Anwendungen erschwert.

Durch die Zugabe von Glasfasern erhält das Material ein deutlich stärkeres strukturelles „Skelett“. Der Biegemodul kann auf etwa 5.000–9.000 MPa ansteigen, während die Wärmeformbeständigkeitstemperatur je nach Güte und Testbedingungen auf über 200 °C steigen kann.

LFT-G entwickelt und produziert glasfaserverstärkte PA6-Typen mit einem Glasfaseranteil von 20 % bis 60 % und bietet damit unterschiedliche Leistungslösungen für verschiedene Anwendungen.

30 % Glasfaser: Ein ausgewogenes Verhältnis von Steifigkeit und Zähigkeit

PA6 mit einem Glasfaseranteil von ca. 30 % kann einen Biegemodul von rund 7.000–8.000 MPa erreichen und bietet damit ein gutes Gleichgewicht zwischen Steifigkeit und Zähigkeit.

Es eignet sich für Anwendungen wie Gehäuse, Abdeckungen, Halterungen und andere Bauteile, die eine mittlere Steifigkeit erfordern.

Bei Bauteilen mit relativ geringen Belastungsanforderungen, die aber dennoch Stößen, Montagebeanspruchungen oder wiederholter Handhabung standhalten müssen, kann ein geringerer Glasfaseranteil sogar von Vorteil sein. Im Vergleich zu hochglasfaserverstärkten Werkstoffen bietet der geringere Faseranteil in der Regel eine bessere Zähigkeit und Schlagfestigkeit.

40 % Glasfaser: Eine beliebte Wahl für strukturelle Anwendungen

Glasfasern mit einem Anteil von 40 % – und einem Biegemodul von etwa 9.000–9.800 MPa – gehören zu den am häufigsten verwendeten Spezifikationen für Strukturbauteile. Sie bieten eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit.

PA6-LGF40 kann als Ersatz für bestimmte Metallkomponenten in tragenden Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere dort, wo Gewichtsreduzierung wichtig ist. Typische Anwendungsbereiche sind Autositzgestelle, Montagehalterungen für Kommunikationsantennen, mechanische Tragkonstruktionen und Rahmen für Sportgeräte.

In einigen Anwendungsbereichen nutzen Kunden PA6-LGF40 als Alternative zu Aluminium und erzielen damit eine Gewichtsreduzierung von ca. 40–60 %, wodurch sich möglicherweise auch die Material- und Bauteilkosten senken lassen.

Diese Güteklasse bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Steifigkeit, Zähigkeit und Formstabilität und ist somit die ideale Wahl für eine breite Palette von Strukturbauteilen, einschließlich dünnwandiger Teile.

50 % Glasfaser: Höhere Steifigkeit, aber anspruchsvollere Verarbeitung

PA6 mit 50 % Glasfaseranteil erreicht einen Biegemodul von etwa 11.000 MPa. Im Vergleich zu Sorten mit 30 % und 40 % Glasfaseranteil bietet es eine noch höhere Steifigkeit, jedoch nehmen gleichzeitig Schlagzähigkeit und Fließfähigkeit deutlich ab.

Bei dünnwandigen Produkten kann der hohe Glasfaseranteil den Schmelzfluss und die Formfüllung erschweren, was höhere Anforderungen an die Spritzgießmaschinen, die Formkonstruktion und die Verarbeitungsbedingungen stellt.

Diese Güteklasse eignet sich besser für Anwendungen, bei denen eine extrem hohe Steifigkeit erforderlich ist, wie z. B. dünnwandige Präzisionsbauteile, dünnwandige Steckergehäuse in elektrischen und elektronischen Anwendungen sowie hochpräzise Positioniervorrichtungen für den Maschinenbau.

Ein höherer Glasfaseranteil bedeutet jedoch nicht zwangsläufig eine bessere Leistung. Ist die Steifigkeit einer Sorte mit 30 % oder 40 % Glasfaseranteil bereits ausreichend, besteht in der Regel keine Notwendigkeit, eine Sorte mit 50 % zu bevorzugen. Ein zu hoher Glasfaseranteil kann die Verarbeitung erschweren und zu einem höheren Risiko von Formfehlern und Ausschuss führen.

Bei Strukturbauteilen liegt der Schlüssel zur Materialauswahl daher nicht einfach darin, einen möglichst hohen Glasfaseranteil zu erzielen, sondern vielmehr darin, das beste Gleichgewicht zwischen Steifigkeit, Zähigkeit, Fließfähigkeit und Formstabilität zu finden.

Flammhemmend bedeutet nicht „sicherer“ – es bedeutet einen anderen Kompromiss bei der Leistung.

Manche Kunden, die sich noch nicht mit technischen Kunststoffen auskennen, beginnen mit einer einfachen Anfrage: „Ich brauche eine flammhemmende Sorte. Die sollte sicherer sein.“

Dies ist ein weit verbreitetes Missverständnis. Ein flammhemmendes PA6 ist nicht einfach eine „sicherere Variante“ von Standard-PA6. Es handelt sich um eine Materiallösung, die speziell für die Erfüllung bestimmter Anforderungen an den Flammschutz entwickelt wurde und dabei gewisse Kompromisse bei anderen Eigenschaften in Kauf nimmt.

Der entscheidende Vorteil von flammhemmendem PA6 liegt in seiner Fähigkeit, die spezifischen Anforderungen der UL94-Norm für Flammschutz zu erfüllen, beispielsweise die UL94-V-0-Klassifizierung bei einer Dicke von 1,5 mm. Dies ist unerlässlich für Anwendungen, bei denen Flammschutz zwingend erforderlich ist, darunter elektrische und elektronische Steckverbinder, Gehäuse für Kommunikationsbasisstationen, Bauteile um Autobatterien und hitzebeständige Komponenten in Haushaltsgeräten.

Die Zugabe eines Flammschutzsystems kann jedoch auch andere Materialeigenschaften beeinflussen. Beispielsweise kann bei bestimmten flammhemmenden PA6-Typen der CTI-Wert von 575 V auf 225 V sinken, was zu einer deutlich geringeren Kriechstromfestigkeit führt. Auch die Materialdichte kann steigen, während sich das Verarbeitungsfenster verengen kann.

Wenn ein Produkt keine spezifischen Anforderungen an die Flammschutzklasse stellt, wie beispielsweise bestimmte Bauteile im Maschinenbau, Rahmen von Sportgeräten oder nichtelektrische Strukturbauteile von Kraftfahrzeugen, besteht daher in der Regel keine Notwendigkeit, eine flammhemmende Klasse zu wählen, nur weil sie als „sicherer“ wahrgenommen wird.

Eine Standardqualität bietet möglicherweise einen höheren CTI-Wert, z. B. 575 V, zusammen mit einer besseren Kriechstromfestigkeit und einer stabileren Verarbeitungsleistung.

Ein weiteres weit verbreitetes Missverständnis sollte aufgeklärt werden: CTI und UL94 sind zwei völlig unterschiedliche Leistungsindikatoren.

Der CTI (Comparative Tracking Index) bewertet die Kriechstromfestigkeit eines Materials unter Bedingungen mit Feuchtigkeit und Verschmutzung. UL94 hingegen bewertet das Brennverhalten und die Flammschutzwirkung eines Materials.

Anders ausgedrückt: „flammhemmend“ bedeutet nicht, dass sich dadurch automatisch alle elektrischen Sicherheitseigenschaften verbessern.

Bei der Materialauswahl sollten Betriebsspannung, Verschmutzungsbedingungen, CTI-Anforderungen und UL94-Anforderungen separat bewertet werden.

Flammschutz beschreibt das Verhalten eines Materials bei Brandeinwirkung, während die Kriechstromfestigkeit (CTI) die Beständigkeit des Materials gegen Kriechströme unter elektrischer und umweltbedingter Belastung beschreibt. Das eine kann das andere nicht ersetzen.

Letztendlich geht es bei der Materialauswahl nicht einfach darum, die Güteklasse mit der „höchsten Sicherheit“ auszuwählen. Es geht darum, die tatsächlichen Betriebsbedingungen zu ermitteln und die richtige Kombination von Eigenschaften für die jeweilige Anwendung auszuwählen.

Drei Verarbeitungspunkte, an denen bei glasfaserverstärktem PA6 Fehler auftreten können

Die Wahl des richtigen glasfaserverstärkten PA6-Typs ist nur der erste Schritt. Werden die Verarbeitungsbedingungen nicht ordnungsgemäß kontrolliert, kann das Material die erwartete Leistung dennoch nicht erbringen.

1. Trocknen: Dieser Schritt ist unverzichtbar.

PA6 enthält Amidgruppen, die sehr feuchtigkeitsempfindlich sind. Wird das Material vor dem Spritzgießen nicht ausreichend getrocknet, kann Feuchtigkeit bei hohen Verarbeitungstemperaturen zu hydrolytischem Abbau der Polymerketten führen. Mit sinkendem Molekulargewicht können sich die mechanischen Eigenschaften deutlich verschlechtern.

Als allgemeine Richtlinie gilt, dass PA6 typischerweise 2–4 Stunden lang bei etwa 80–90 °C getrocknet wird, bis der Feuchtigkeitsgehalt unter 0,1 % liegt. Die Trocknungsbedingungen können jedoch je nach Güteklasse variieren. Daher sollten die empfohlenen Bedingungen für das gewählte Material stets mit dem technischen Team abgeklärt werden.

Flammhemmende Sorten erfordern unter Umständen eine längere oder sorgfältiger kontrollierte Trocknung, da einige Flammschutzsysteme eine höhere Feuchtigkeitsempfindlichkeit aufweisen.

Versuchen Sie nicht, beim Trocknen Zeit zu sparen. Eine kleine Einsparung in dieser Phase kann später zu viel größeren Verlusten führen.

2. Glasfaserorientierung: Die Festigkeit hängt von der Richtung ab

Beim Spritzgießen richten sich die Glasfasern tendenziell in Richtung der Schmelze aus. Dies führt zu einer Anisotropie: Die mechanische Festigkeit ist im Allgemeinen in Fließrichtung höher und senkrecht dazu niedriger.

Bei der Konstruktion von Bauteilen sollte die Hauptlastrichtung idealerweise mit der Faserorientierung übereinstimmen. Ist dies nicht möglich, können Rippen oder andere Verstärkungselemente erforderlich sein, um die schwächere Richtung auszugleichen.

Bei glasfaserverstärkten PA6-Strukturbauteilen hat sich die CAE-Formfüllanalyse zunehmend als Standardbestandteil des Konstruktionsprozesses etabliert. Sie hilft, die Faserausrichtung, das Füllverhalten und potenzielle Schwachstellen vor der Formenherstellung vorherzusagen.

3. Werkzeugverschleiß: Glasfaser ist stark werkzeugbelastend.

Glasfaser ist ein harter Verstärkungsfüllstoff, daher kann sie zu deutlich höherem Formverschleiß führen als ungefülltes PA6.

Für eine langfristige Produktion wird generell eine Oberflächenhärte des Formhohlraums von über HRC 60 empfohlen, mit zusätzlicher Oberflächenhärtung im Bereich der Angüsse und anderer stark beanspruchter Bereiche.

Bei unzureichender Formhärte kann es bei längerer Produktion zu Maßabweichungen, Oberflächenkratzern und anderen Formfehlern kommen.

Flammhemmende Werkstoffe können je nach verwendetem Flammschutzsystem auch eine gewisse chemische Aggressivität aufweisen. Daher sollten die Kosten für Werkzeugwartung und -beschaffung bereits bei der Material- und Prozessauswahl berücksichtigt und nicht erst im Nachhinein beachtet werden.

Das richtige Material ist nur die halbe Miete. Bei glasfaserverstärktem PA6 entscheiden Trocknung, Faserausrichtung und Formbeständigkeit darüber, ob das Leistungspotenzial des Materials im Endprodukt tatsächlich ausgeschöpft wird.