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Ein humanoider Roboter kann Hunderte von Struktur- und Antriebskomponenten enthalten. Branchenweit treten immer wieder zwei Fehler bei der Materialauswahl auf – und beide können kostspielig sein:
Einsparung bei Spezialmaterialien, wenn diese tatsächlich benötigt werden
—Beispielsweise kann die Verwendung von PA66-GF30 für eine Halterung in der Nähe eines Motors bei längerer Einwirkung hoher Temperaturen zu Kriechverformungen, Dimensionsänderungen und Positionsdrift führen.
Die Verwendung von Spezialmaterialien, wo sie eigentlich nicht notwendig sind
Beispielsweise könnte PEEK für ein nicht tragendes Gehäuse verwendet werden. Die Materialeigenschaften sind für diese Anwendung überdimensioniert, während die Materialkosten drastisch steigen können.
PPA (Polyphthalamid), allgemein bekannt alsHochtemperatur-NylonEs liegt genau zwischen diesen beiden Extremen. Es ist weder einfach nur „teureres Nylon“ noch „billigeres PEEK“. Es hat seinen ganz eigenen, klar definierten Platz in der Materialauswahl.
Dieser Artikel erklärt genau, wo PPA zum Einsatz kommt: welche Komponenten gut für PPA geeignet sind, wann der Einsatz von PPA eine Überdimensionierung darstellen würde, sowie das Verarbeitungsfenster und die wichtigsten Validierungsanforderungen.
PPA ist ein semi-aromatisches Polyamid. Im Gegensatz zu herkömmlichen Nylons wie PA6 und PA66, die überwiegend aliphatische Molekülketten aufweisen, enthält PPA aromatische Dicarbonsäuresegmente, wie beispielsweise Terephthalsäure und Isophthalsäure.
Die starren Benzolringe und die geringere Dichte polarer Gruppen führen zu drei gleichzeitigen Veränderungen:
| Eigentum | PA66 | PPA-LGF | Trend |
|---|---|---|---|
| Schmelzpunkt | Etwa 260 °C | 320–350 °C | Deutlich höher |
| Langzeit-Betriebstemperatur | Ca. 100–120 °C | 150–180 °C | Erhöhung um 30–50 °C |
| HDT (1,82 MPa) | Ca. 240–250 °C | 308 °C | Erhöht |
| Gleichgewichtswasseraufnahme (23 °C / 50 % relative Luftfeuchtigkeit) | Ca. 2 % | Ca. 0,3 % | Auf etwa ein Viertel reduziert |
| Feuchtigkeitsgehalt vor der Verarbeitung | ≤0,20 % | ≤0,01% | Deutlich strengere Anforderungen |
Abhängig von den Betriebsbedingungen bietet PPA vier wichtige, wertvolle Anwendungsbereiche:
Die kontinuierliche Betriebstemperatur von Motoren liegt typischerweise im Bereich von 80–120 °C. Herkömmliche verstärkte Nylons können bei Langzeitbetrieb in diesem Temperaturbereich Kriechen und Dimensionsabweichungen aufweisen, während die Positioniergenauigkeit der Sensorhalterungen die Kalibrierungsergebnisse direkt beeinflusst.
Aufgrund seiner hohen Wärmeausdehnungstemperatur und geringen Wasseraufnahme ist PPA ein geeignetes Material für diese Anwendungen.
Eine der etabliertesten Anwendungen für PPA sind SMT-Steckverbinder. Das Material muss dem bleifreien Reflow-Löten, bei dem Spitzentemperaturen von bis zu 260 °C auftreten können, standhalten, ohne Blasenbildung oder Verformung. Nach dem Löten muss es zudem in feuchter Umgebung einen stabilen Kontaktabstand gewährleisten.
Die gleichen Anforderungen gelten für Steckverbinder, Hochspannungssteckverbinder und Leiterplatten-Trägerkomponenten im Inneren des elektronischen Steuerraums eines Roboters.
Dies war in den letzten Jahren einer der am schnellsten wachsenden Anwendungsbereiche für PPA.Langglasfaserverstärktes PPAkönnen Zugfestigkeitswerte über240 MPamit einer Dichte von ungefähr1,56 g/cm³Damit ist es, basierend auf einem Dichtevergleich, etwa 40 % leichter als Aluminium.
Der entscheidende Wert liegt nicht einfach in der absoluten Stärke, sondern in der Kette von Vorteilen, die sich aus der Gewichtsreduzierung und der damit einhergehenden Verringerung der Belastung des Motors ergeben.
Fingerfertige Handaktuatoren zeichnen sich typischerweise durch kurze Hübe, hohe Hubfrequenzen und geringe Toleranzen aus. Dies stellt gleichzeitig hohe Anforderungen an Verschleißfestigkeit und Dimensionsstabilität.
Bei der Materialauswahl für diese Bauteile sollte Folgendes berücksichtigt werden:Dimensionserhaltung nach wiederholten Hin- und Herbewegungszyklenals zentrales Bewertungskriterium, anstatt sich ausschließlich auf die anfänglichen Materialeigenschaften zu stützen.
Hier liegt das größte Risiko für Fehlverwendungen von PPA. Verstärktes PPA bietet zwar hohe Festigkeit und Steifigkeit, besitzt aber keine inhärenten selbstschmierenden Eigenschaften. Seine Verschleißfestigkeit und sein Reibungskoeffizient sind im Allgemeinen weniger günstig als die von PEEK oder POM.
Wird PPA für Reibungspaare innerhalb einer Verbindung – wie Lager, Zahnrad-Eingriffsflächen oder Buchsen – einfach aufgrund der Annahme gewählt, dass „die Festigkeit ausreichend ist“, kann es relativ schnell zu Verschleiß und Spielzunahme kommen.
Für Reibungsflächen eignen sich PEEK- oder PEEK+PTFE-Systeme besser, während POM für gering belastete, geräuscharme Bauteile in Betracht gezogen werden kann. PPA gehört in tragende Strukturen, nicht an die Reibungsfläche.
PPA weist eine deutlich geringere Wasseraufnahmerate als PA66 auf, ist aber nicht feuchtigkeitsbeständig. Eine Wasseraufnahmerate von 0,3–0,5 % entspricht einer Dimensionsänderung von ca. 0,15–0,25 mm auf einer Spannweite von 50 mm (technische Schätzung, unter der Annahme einer proportionalen Dimensionsänderung).
Bei Anwendungen wie der Verbindung von Bauteilen und der Berechnung von Achsabständen von Zahnrädern kann diese Maßänderung bereits ausreichen, um das verfügbare Montagespiel vollständig aufzubrauchen.
Der Preisunterschied zwischen PEEK und PPA kann um ein Vielfaches größer sein. Die Kostenersparnis durch eine gestaffelte Materialauswahl liegt darin, PEEK für Anwendungen zu reservieren, bei denen es wirklich notwendig ist, anstatt es pauschal zu ersetzen.
PPA hat ein deutlich engeres Verarbeitungsfenster als PA66. Selbst bei gleicher Güte können unterschiedliche Verarbeitungsbedingungen zu Bauteilen mit erheblich unterschiedlichen Eigenschaften führen.
| Verfahren | Steuerungsrichtung | Folgen mangelhafter Kontrolle |
|---|---|---|
| Trocknung | Eine Trocknung mit Entfeuchtung ist unerlässlich. Der Feuchtigkeitsgehalt muss auf ein sehr niedriges Niveau reduziert werden, deutlich strengere Vorgaben als bei PA66, mit einem Taupunkt um 100 °C.−40°CDie | Hydrolytische Kettenspaltung bei hohen Temperaturen → spröde Stellen, silbrige Streifen und Blasen |
| Schmelztemperatur | Höher als bei herkömmlichem Nylon; wird gemäß dem jeweiligen Materialsystem festgelegt und darf den empfohlenen Grenzwert nicht überschreiten. | Zu niedrig → unzureichende Plastifizierung; zu hoch → thermo-oxidativer Abbau und Verfärbung |
| Aufenthaltszeit | Halten Sie es so kurz wie möglich, mit Kontrolle über einMinutenmaßstabDie | Molekulargewichtsreduktion und schwarze Flecken |
| Formtemperatur | Eine hohe Formtemperatur ist Voraussetzung, insbesondere bei Präzisionsbauteilen. | Niedrige Formtemperatur → unzureichende Kristallinität → Nachschwindung, Verzug, Maßabweichungen und geringer Oberflächenglanz |
| Haltedruck | Halten Sie sich je nach Wandstärke im entsprechenden mittleren Bereich und vermeiden Sie Überfüllung. | Zu hoch → Eigenspannungen; zu niedrig → Einfallstellen und Hohlräume |
| Glühen | Für Präzisionsbauteile wird eine Spannungsarmglühung nach dem Formen empfohlen. | Restspannungen → allmähliche Verformung nach der Montage |
| Mahlgut | Das Rückmahlverhältnis kontrollieren und das Material vor der Weiterverarbeitung erneut gründlich trocknen. | Kumulative Molekulargewichtsreduktion; nicht empfohlen für kritische Zuverlässigkeitskomponenten |
Bei teilkristallinen Werkstoffen wird die Kristallinität stark von der Formtemperatur beeinflusst. Ein bei zu niedriger Formtemperatur geformtes Teil mag nach dem Entformen gut aussehen, seine Abmessungen können sich aber nach der Montage noch verändern.
Viele Beschwerden über "PPA-DimensionsinstabilitätDie Ursache liegt tatsächlich eher in einer unzureichenden Formtemperatur als in Materialchargenschwankungen.
Nach Glasfaser oderKohlenstofffaserverstärkungDer Unterschied in der Schrumpfung zwischen Fließrichtung und Querrichtung kann erheblich werden. Die Faserorientierung wird außerdem durch die Position des Angusskanals und die Schergeschwindigkeit beeinflusst.
Für diese Bauteile sollte eine Formfüllanalyse durchgeführt und eine entsprechende Schwindungskompensation in die Formkonstruktion einbezogen werden.Eine einfache Anpassung der Formgebungsparameter reicht möglicherweise nicht aus, um das Bauteil wieder innerhalb der Toleranzgrenzen zu bringen.
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