PEEK-Spritzgießen: Verarbeitungsleitfaden für Ingenieure

Was ist PEEK-Spritzgießen?

PEEK-Spritzguss ist ein Hochtemperatur-Fertigungsverfahren, bei dem Polyetheretherketon-Harz bei 350–400 °C geschmolzen, in eine auf 160–200 °C beheizte Form eingespritzt und zu teilkristallinen Bauteilen mit einer Zugfestigkeit von bis zu 100 MPa, einer Dauergebrauchstemperatur von 260 °C und nahezu vollständiger chemischer Inertheit verarbeitet wird. Kein anderes aus der Schmelze verarbeitbares Polymer bietet diese Kombination bei vergleichbarer Teilekomplexität.

PEEK gehört zur Familie der Polyaryletherketone (PAEK) — einem teilkristallinen Hochleistungs-Engineering-Polymer mit einer Glasübergangstemperatur von 143°C und einem Schmelzpunkt von etwa 343°C. Aufgrund dieses Schmelzpunkts können Standard-Spritzgießmaschinen (ausgelegt für 300°C) den Werkstoff nicht verarbeiten. Erforderlich sind Zylinderheizbänder, die für mindestens 430°C ausgelegt sind, korrosionsbeständige Bimetall- oder Nickellegierungsschnecken sowie Ölkreislauf- oder Hochdruckwasser-Formtemperiergeräte, die 160–200°C halten können. Wenn Ihre Maschine diese Werte nicht erreicht, kann PEEK darauf nicht verarbeitet werden — ohne Ausnahme.

Bei ZetarMold reservieren wir bestimmte Hochtemperaturpressen aus unserem Maschinenpark mit 47 Maschinen ausschließlich für PEEK und andere Harze der PAEK-Familie. Jedes PEEK-Projekt beginnt mit einem Materialqualifizierungsschuss auf der dafür vorgesehenen Presse, bevor wir uns auf ein Serienwerkzeug festlegen. In 20 Jahren PEEK-Verarbeitung war die häufigste Grundursache für Fehlschläge beim ersten Schuss nicht die Formkonstruktion — sondern der Versuch, PEEK auf einer Maschine zu verarbeiten, deren thermische Leistung nicht ausreicht, um über den gesamten Einspritzzyklus stabile Zylindertemperaturen zu halten.

Das frühzeitige Verständnis dieser physikalischen Grenzen spart erhebliche Projektkosten. Wir haben Projekte erlebt, bei denen ein Kunde PEEK spezifizierte und annahm, das Teil könne auf den vorhandenen Spritzgießmaschinen seines Auftragsfertigers hergestellt werden — nur um bei T1 festzustellen, dass dessen Maschinen im Dauerbetrieb keine Zylindertemperatur von 380 °C halten konnten. Die daraus resultierende Sprödigkeit war mit bloßem Auge nicht sichtbar, zeigte sich jedoch als katastrophales Versagen bei Anwendungstests. Wer PEEK spezifiziert, verpflichtet sich zu einer dedizierten Hochtemperatur-Produktionszelle; jedes Angebot und jeder Zeitplan muss diese Realität ab der ersten Konstruktionsprüfung berücksichtigen. Materialwahl und Maschinenanforderung sind untrennbar miteinander verbunden.

Was sind die kritischen Verarbeitungsparameter für PEEK?

Die Verarbeitung von PEEK erfordert sechs zwingend einzuhaltende Parameter: eine Zylindertemperatur von 350–400 °C, eine Formtemperatur von 160–200 °C, einen Einspritzdruck von 100–150 MPa, einen Staudruck von 5–10 MPa, eine Schneckendrehzahl von 40–80 U/min und einen Feuchtegehalt unter 0,02 % vor der Verarbeitung. Jede Abweichung von diesen Fenstern führt zu Bauteilen mit beeinträchtigter Kristallinität¹, mechanischem Versagen oder sichtbaren Fehlern. Angesichts der Materialkosten von PEEK bedeutet jeder Fehlschuss einen erheblichen direkten Verlust.

Die Werkzeugtemperatur ist der folgenreichste Einzelparameter. Bei 160 °C Werkzeugtemperatur erreicht ungefülltes PEEK etwa 25–30 % Kristallinität — ausreichend für die meisten strukturellen Anwendungen. Bei 200 °C steigt die Kristallinität auf 35–40 % und liefert maximale Chemikalienbeständigkeit und Ermüdungslebensdauer. Der Zielkonflikt liegt in der Zykluszeit: Je höher die Werkzeugtemperatur, desto länger muss das Teil im Werkzeug verbleiben, bevor es zum Auswerfen ausreichend maßhaltig ist. In der Praxis verwenden wir für ungefüllte Typen 180 °C als Ausgangstemperatur und passen sie an Bauteilgeometrie und Kundenspezifikationen an.

Bei PEEK-Programmen wird der Staudruck routinemäßig zu hoch eingestellt. Ingenieure, die amorphe Harze wie ABS oder PC gewohnt sind, verwenden häufig 15–20 MPa Staudruck, um eine homogene Schmelze sicherzustellen. Bei PEEK erzeugt ein Staudruck über 10 MPa übermäßige Scherwärme, die die Schmelze verdunkelt, das Molekulargewicht verringert und Teile mit merklich reduzierter Schlagzähigkeit erzeugt. Wir stellen standardmäßig 5–7 MPa Staudruck ein und prüfen die Schusskonstanz bei jedem neuen Programmstart, indem wir die Schmelzetemperatur an der Düse mit einem Pyrometer überwachen.

Wie funktioniert das PEEK-Spritzgießen Schritt für Schritt?

Das PEEK-Spritzgießen umfasst vier aufeinanderfolgende Stufen — Materialvorbereitung, Aufschmelzen und Einspritzen, Nachdruck und Kühlung sowie Auswerfen und Nachbearbeitung — mit jeweils kritischen PEEK-spezifischen Randbedingungen, die sich deutlich von der Verarbeitung herkömmlicher technischer Kunststoffe unterscheiden. Das Auslassen oder Verkürzen einer Stufe führt angesichts der Materialkosten von PEEK zu Mängeln, deren Behebung teuer oder unmöglich ist.

Stufe 1 – Materialvorbereitung (Trocknung): PEEK ist ² und nimmt Feuchtigkeit aus der Atmosphäre auf, die sich bei Zylindertemperatur in Dampf verwandelt und einen hydrolytischen Abbau der Polymerketten verursacht. Die Folgen sind Silberstreifen, Schlieren auf der Bauteiloberfläche und eine messbare Verringerung des Molekulargewichts. Trocknungsprotokoll: 3–4 Stunden bei 150–160 °C in einem Trockenlufttrockner. Nach dem Trocknen muss der Feuchtegehalt unter 0,02 % liegen. Prüfen Sie dies mit einem Feuchtemessgerät, bevor das Material für die Maschine freigegeben wird. Verlassen Sie sich nicht allein auf die Zeitsteuerung: Schlecht gewartete Trockenmittelpatronen können die angestrebte Restfeuchte verfehlen.

Stufe 2 – Aufschmelzen und Einspritzen: Getrocknetes Granulat gelangt in den Spezialzylinder, in dem vier progressive Temperaturzonen das PEEK bei 350–400 °C aufschmelzen und homogenisieren. Die Schnecke plastifiziert die Schmelze und spritzt sie mit einem Einspritzdruck von 100–150 MPa in die Werkzeugkavität. Die Füllgeschwindigkeit muss sorgfältig geregelt werden: Ist sie zu niedrig, erstarren dünne Wände vorzeitig; ist sie zu hoch, entsteht übermäßige Scherwärme, welche die Schmelze verdunkelt. Für die meisten PEEK-Teile unter 150 Gramm liegt die angestrebte Füllzeit typischerweise bei 1–3 Sekunden.

Stufe 3 — Nachverdichten, Halten und kontrolliertes Kühlen: Sobald die Kavität gefüllt ist, gleicht der Nachdruck (typischerweise 70–100% des Einspritzdrucks) die volumetrische Schwindung während der Kühlung aus. Dies ist die entscheidende Phase zur Steuerung der Kristallinität. Das durch ein Ölkreislauf-Temperiergerät auf 160–200°C gehaltene Werkzeug ermöglicht den Polymerketten, sich zu geordneten kristallinen Strukturen zu organisieren. Die Kühlzeit ist bei vergleichbarer Wanddicke wesentlich länger als bei amorphen Harzen — eine 3 mm dicke PEEK-Wand erfordert 60–90 Sekunden kontrollierte Kühlung gegenüber 25–35 Sekunden bei ABS gleicher Dicke —, da der Kristallisationsprozess selbst latente Wärme erzeugt, die abgeführt werden muss.

Stufe 4 – Auswerfen und Nachbearbeiten (³): Das Bauteil wird bei einer Temperatur ausgeworfen, bei der es maßstabil, aber noch nicht vollständig spannungsarm ist. Präzisionskomponenten wie medizinische Implantate, Halterungen für die Luft- und Raumfahrt sowie Vorrichtungen für die Halbleitertechnik müssen nach dem Formen getempert werden: Das Teil wird auf 140–200 °C erwärmt – unterhalb der Glasübergangstemperatur der amorphen Bereiche, aber oberhalb der Raumtemperatur –, je nach Wanddicke 1–4 Stunden gehalten und anschließend kontrolliert mit 2–5 °C pro Minute abgekühlt. Das Tempern baut Formspannungen ab, verbessert die Gleichmäßigkeit der Kristallinität über den Bauteilquerschnitt und stabilisiert kritische Merkmale auf ±0,05 mm.

Welche Vor- und Nachteile hat das PEEK-Spritzgießen?

PEEK-Spritzgießen bietet eine unübertroffene thermische, mechanische und chemische Beständigkeit, darunter 260°C Dauereinsatztemperatur, 90–100 MPa Zugfestigkeit und Biokompatibilität für Implantatanwendungen. Dafür kostet der Werkstoff 50–100-mal mehr als Standardkunststoffe und erfordert wegen der komplexen Verarbeitung Spezialausrüstung und Prozesskompetenz. Die Entscheidung für PEEK ist nicht nur eine technische, sondern auch eine kaufmännische Berechnung.

Nach unserer Erfahrung fragen die meisten Ingenieure bei einem neuen Programm aufgrund eines bestimmten Fehlerbilds nach PEEK – etwa weil ein Teil bei 180°C gerissen, in Hydraulikflüssigkeit korrodiert oder bei der Sterilisation ausgefallen ist. PEEK ist die richtige Antwort, wenn die Anwendung tatsächlich die Leistungsgrenze von Materialien wie PEI oder PPS erreicht. Für Anwendungen, in denen einer dieser Kunststoffe ausreichen würde, sind sie wirtschaftlich fast immer die bessere Wahl. Anhand der folgenden Vergleichstabelle strukturieren wir dieses Gespräch intern, bevor wir ein PEEK-Programm anbieten.

Welche Fehler treten beim Spritzgießen von PEEK auf und wie lassen sie sich verhindern?

Die fünf häufigsten Fehler beim PEEK-Spritzgießen sind Verzug durch ungleichmäßige Kristallinität, Schlieren durch Feuchtigkeitsverunreinigung, innere Hohlräume durch unzureichende Nachverdichtung, Brandstellen durch Materialabbau und unvollständige Füllung durch vorzeitiges Erstarren. Jeder Fehler lässt sich auf ein bestimmtes Prozessversagen zurückführen und verursacht pro Auftreten wesentlich höhere Kosten als bei der Verarbeitung von Standardharzen — denn allein das Teilematerial kann bereits $50–$500 an Rohmaterial kosten, bevor Fertigungsarbeit hinzukommt.

Verzug bei PEEK ist grundsätzlich ein Problem der Kristallinitätssteuerung und nicht nur der Kühlung. Schwankt die Formtemperatur in der Kavität um mehr als ±5°C – von Heißstellen nahe dicker Bereiche bis zu kühleren Zonen nahe den Auswerferstiften –, erreichen verschiedene Bereiche des Teils während der Erstarrung unterschiedliche Kristallinitätsgrade. Zonen mit höherer Kristallinität schwinden stärker als Zonen mit niedrigerer Kristallinität und erzeugen innere Biegespannungen, die das Teil nach dem Auswerfen verformen. Die Abhilfe erfordert sowohl eine gleichmäßige Formtemperatur (bestätigt durch Messung der Formoberflächentemperatur) als auch ausreichenden Nachdruck, um den Hohlraumanteil zu minimieren, der die unterschiedliche Schwindung verstärkt.

Silberschlieren sind der am häufigsten fehldiagnostizierte PEEK-Fehler. Die meisten Ingenieure nehmen an, Schlieren seien auf unzureichende Trocknung zurückzuführen. In unserem Werk lassen sich Schlieren bei einem ordnungsgemäß getrockneten PEEK-Schuss jedoch fast immer auf eine teilweise verstopfte Düsenspitze oder eine kalte Düsenzone zurückführen, die die Schmelze beim Eintritt schert. Zur Diagnose bestimmen wir zunächst den Feuchtigkeitsgehalt anhand des Gewichts (Schnelltest, 15 Minuten). Ist die Feuchtigkeit in Ordnung, bauen wir die Düsenspitze aus und prüfen sie auf Kohlenstoffablagerungen. Solche Ablagerungen entstehen innerhalb weniger Stunden, wenn PEEK ohne Zyklusbewegung bei über 380 °C im Zylinder gehalten wird. Ursache ist die thermische Zersetzung, deren Produkte an der Innenfläche der Düse erstarren.

Vor dem Fräsen des Stahls für ein PEEK-Projekt eine Formfüllanalyse⁴ durchzuführen, gehört zu den wertvollsten Investitionen im Entwicklungsbudget. Die Simulation erkennt Hotspots durch eine ungleichmäßige Anordnung der Kanäle, prognostiziert die Temperaturgradienten in der Kavität nach Abschluss des Nachdrucks und kennzeichnet Angusspositionen, die eine übermäßige Scherbeanspruchung der PEEK-Schmelze erzeugen. Bei einer PEEK-Produktionsform im Wert von 40.000–80.000 US-Dollar ist eine zweitägige Simulation für 1.500–2.500 US-Dollar die günstigste Absicherung gegen Formänderungen im Wert von 10.000–30.000 US-Dollar, die nach einem fehlgeschlagenen T1-Versuch erforderlich werden können.

Wo wird PEEK-Spritzgießen eingesetzt? Wichtige Anwendungsbranchen

PEEK-Spritzgießen wird in vier Hauptsektoren eingesetzt — Medizin, Luft- und Raumfahrt, Automobil sowie Öl und Gas — überall dort, wo die Kombination aus 260°C Einsatztemperatur, Biokompatibilität und chemischer Inertheit von keinem kostengünstigeren Harz erreicht wird. Allen vier Sektoren ist gemeinsam, dass ein Bauteilversagen kein behebbares Ereignis ist: Es führt zu Patientenverletzungen, einem Flugzeugzwischenfall, einem Fahrzeugausfall oder dem Verlust einer Bohrung.

Die Medizintechnik ist das am schnellsten wachsende Segment, das wir bei ZetarMold beobachten. Hersteller von Wirbelsäulenimplantaten benötigen insbesondere PEEK, da es das einzige Polymer ist, das gleichzeitig lasttragend, röntgentransparent (im CT/MRI im Gegensatz zu Titan transparent sichtbar), für langfristige Implantatanwendungen biokompatibel und zu den komplexen ineinandergreifenden Geometrien verarbeitbar ist, die für Korrekturkörbe der Lordose erforderlich sind. Titan bleibt der wichtigste konkurrierende Werkstoff, doch der niedrigere Elastizitätsmodul von PEEK — näher am kortikalen Knochen — reduziert Stress-Shielding und fördert das Knocheneinwachsen bei Wirbelsäulenfusionen. Dieser biomechanische Vorteil erklärt, warum PEEK heute weltweit etwa 80% der Werkstoffe für posteriore lumbale interkorporelle Fusionsimplantate ausmacht.

Im Halbleitersegment sind PEEK-Vorrichtungen für das Wafer-Handling ein wachsender Bereich für uns. Fertigungsprozesse in Fabs erfordern Hardware, die wiederholtem Kontakt mit heißer Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid-Piranha-Lösungen und Hochtemperatur-Trockenätzumgebungen standhält, die praktisch jedes andere Polymer innerhalb weniger Tage zerstören. PEEK übersteht diese Bedingungen dauerhaft, behält die Maßstabilität innerhalb der engen Toleranzen für die Ausrichtung von 300-mm-Wafern und lässt sich mit den komplexen ineinandergreifenden Merkmalen formen, die für Waferkassetten und CMP-Trägerringe erforderlich sind. Zerspante PEEK-Alternativen sind verfügbar, kosten bei Mengen über 500 Teilen pro Jahr jedoch 3–5-mal mehr pro Einheit – dies ist der Schwellenwert, ab dem sich die Investition in ein Spritzgusswerkzeug innerhalb eines einzigen Produktionslaufs amortisiert.

Wie wählen Sie den richtigen Anschnitt, Verteiler und Formenstahl für PEEK aus?

Die Konstruktion eines PEEK-Werkzeugs erfordert drei entscheidende Abweichungen von Werkzeugen für technische Standardharze: einen Mindestdurchmesser des Anschnitts von 1.5 mm für ungefüllte Typen und 2.0 mm für glas- oder kohlenstoffgefüllte Typen (zur Vermeidung von Faserbruch und übermäßiger Scherung), vollrunde Verteiler mit Durchmessern von 6–10 mm (keine trapezförmigen oder halbrunden Profile, die ein Erstarren an der Oberfläche verursachen) sowie Werkzeugstahl für dauerhaften Einsatz bei 160–200 °C – H13 oder einen gleichwertigen Warmarbeitsstahl, niemals P20 oder andere vorgehärtete Typen, die oberhalb von 150 °C erweichen.

Nach der Regelung der Formtemperatur ist die Anschnittkonstruktion das wichtigste Einzelelement. PEEK ist viskos und scherempfindlich. Zu kleine Anschnitte erzeugen übermäßige Scherspannung, die die Polymerschmelze bereits vor Eintritt in die Kavität abbaut. Das führt zu dunklen Verfärbungen und verringerter Schlagzähigkeit bei Teilen, die optisch einwandfrei erscheinen. Die Länge des Anschnittstegs sollte mindestens 0,5–1,0 mm betragen, um den Druckverlust zu minimieren; längere Stege erhöhen die Scherbelastung, ohne die Füllung zu verbessern. Für Einkavitätenwerkzeuge werden Direktangüsse bevorzugt, für Mehrkavitätenanordnungen mit Priorität auf gleichmäßiger Füllung Seiten- und Fächeranschnitte.

Die Wahl des Werkzeugstahls ist bei PEEK nicht verhandelbar. P20 — der branchenübliche vorvergütete Werkzeugstahl für die meisten Spritzgusswerkzeuge — hat eine Anlasstemperatur von etwa 150–165 °C und verliert an Härte und beginnt sich unter wiederholtem Einspritzdruck zu verformen, wenn das Werkzeug während eines Produktionslaufs bei 200 °C gehalten wird. H13-Warmarbeitsstahl mit einer Anlasstemperatur von 540–595 °C ist die richtige Wahl für PEEK-Werkzeuge. Bei Werkzeugen für medizinische Implantate mit einer geforderten Oberflächengüte von Ra 0,4 μm oder besser verwenden wir rostfreien Werkzeugstahl (420SS oder gleichwertig), gehärtet auf 50–52 HRC. Die Oberfläche lässt sich hochglanzpolieren, ohne bei erhöhten Betriebstemperaturen durch Kühlmittelkontakt Rost zu riskieren.

Bei PEEK-Großserien mit mehr als 100.000 Teilen pro Jahr lohnt sich der Aufpreis von $15.000–$30.000 je Werkzeughälfte für konturnahe Kühleinsätze, die additiv per DMLS gefertigt werden. Die bei PEEK erforderliche Temperaturgleichmäßigkeit von ±3°C über die gesamte Kavitätsoberfläche ist bei komplexen Geometrien mit konventionellen geradlinig gebohrten Kanälen äußerst schwer zu erreichen. Konturnahe Kanäle, die der Kavitätskontur in einem konstanten Abstand von 15–20 mm folgen, sind bei Teilen mit mehrfach gekrümmten Flächen die einzige zuverlässige Möglichkeit, diese Toleranz einzuhalten. Zugleich verkürzen sie die Zykluszeit gegenüber konventioneller Kühlung um 20–35%.

Wie viel kostet das Spritzgießen von PEEK?

Die Kosten des PEEK-Spritzgießens werden in absteigender Größenordnung von drei Faktoren bestimmt: Rohmaterialkosten ($60–$120/kg für ungefüllte Typen, $80–$200/kg für glas- oder kohlenstofffasergefüllte Typen), Werkzeugkosten (20–40% Aufschlag gegenüber Standard-P20-Werkzeugen aufgrund von H13-Stahl, Ölkreislaufkühlung und, sofern spezifiziert, konturnahen DMLS-Einsätzen) und Maschinenkosten pro Zyklus (25–50% höher als bei vergleichbaren PP- oder ABS-Programmen, da die kontrollierte Kristallisationskühlung längere Zykluszeiten verursacht).

Ein typisches Serienteil aus unverstärktem PEEK mit 15 Gramm Schussgewicht kostet allein beim Material $0.90–$1.80 – gegenüber $0.08–$0.15 für dasselbe Teil aus ABS. Unter Einbeziehung des Aufschlags für die verlängerte Zykluszeit und Maschinenstückkosten, die 2–3x so hoch sind wie beim ABS-Pendant, beträgt der Unterschied der Gesamtproduktionskosten üblicherweise 8–15x. Deshalb bleibt PEEK Anwendungen vorbehalten, bei denen der Leistungsunterschied den Kostenunterschied rechtfertigt – und deshalb ist der Wechsel zu PEEK bei einem Teil, das ein kostengünstigeres Material bewältigen könnte, fast nie die richtige Entscheidung.

Die Amortisation der Werkzeugkosten bei PEEK-Programmen unterscheidet sich von der bei Formen für Standardharze. Eine PEEK-Produktionsform aus H13-Stahl für $60,000 kostet etwa $50,000 mehr als eine vergleichbare ABS-Form aus P20 — dieselbe Form erreicht jedoch 2–3 Millionen Zyklen ohne nennenswerten Verschleiß, gegenüber 500,000–1,000,000 Zyklen bei einer P20-Form mit glasfaserverstärkten Typen. Die längere Werkzeuglebensdauer gleicht den anfänglichen Kostenunterschied bei Großserien teilweise aus. Bei Prototypen und Kleinserien unter 5,000 Teilen sind aus Halbzeug bearbeitete PEEK-Komponenten häufig wirtschaftlicher als die Investition in ein Spritzgießwerkzeug, insbesondere wenn sich die Bauteilgeometrie durch 5-Achs-CNC-Bearbeitung ohne nachträgliche Montage herstellen lässt.

Die Wirtschaftlichkeit von Ausschuss und Mahlgut unterscheidet PEEK zusätzlich von Standardharzprogrammen. PEEK-Mahlgut — aus Anguss, Kanälen und Ausschussteilen — behält bei einer Beimischung von bis zu 20 % zum Neumaterial akzeptable Eigenschaften, sofern es korrekt getrocknet und unter geeigneten Bedingungen erneut verarbeitet wird. Bei $80–$120/kg können durch Rückgewinnung und Qualifizierung von Mahlgut für unkritische Anwendungen $15–$25 je Kilogramm zurückgewonnen werden, das andernfalls als gefährlicher Polymerabfall entsorgt würde. Bei allen PEEK-Programmen führen wir den Mahlgutbestand separat und qualifizieren ihn standardmäßig für die Angusswiederverwertung.

Die Rechnung ändert sich, wenn PEEK die spanende Metallbearbeitung ersetzt. Ein zerspantes Edelstahlbauteil für 85 US-Dollar pro Stück, das sich in Großserie für 12 US-Dollar aus PEEK spritzgießen lässt, bedeutet eine siebenfache Kostensenkung, die den Aufpreis von PEEK gegenüber anderen Polymeren vielfach ausgleicht. Die Werkzeuginvestition – typischerweise 30.000–80.000 US-Dollar für eine PEEK-Produktionsform – amortisiert sich bei Jahresmengen über 20.000 Teilen schnell. Eine DFM-Prüfung vor der Werkzeugfreigabe ist bei PEEK-Projekten besonders wichtig: Verstöße gegen die Wanddickenvorgaben und scharfe Innenecken können vor dem Fräsen des Stahls noch korrigiert werden. Bei H13-Werkzeugen werden daraus teure Schweiß- und Nachbearbeitungen, wobei jede Änderungsschleife 3.000–8.000 US-Dollar kostet und 2–4 Wochen dauert.

Häufig gestellte Fragen zum PEEK-Spritzgießen

Welche Temperatur ist für das PEEK-Spritzgießen erforderlich?

Das Spritzgießen von PEEK erfordert in allen Zonen Zylindertemperaturen von 350–400°C und eine Werkzeugtemperatur von 160–200°C. Das Werkzeug muss über 143°C – der Glasübergangstemperatur von PEEK – gehalten werden, damit das Teil mit einer teilkristallinen Struktur erstarrt, die die volle mechanische und chemische Leistungsfähigkeit bietet. Unterhalb dieses Schwellenwerts erstarren Teile amorph und spröde, mit deutlich geringerer Schlagfestigkeit und Chemikalienbeständigkeit. Standard-Spritzgießmaschinen mit einer Auslegung bis 300°C können PEEK nicht verarbeiten; erforderlich sind spezielle Hochtemperaturanlagen mit keramischen Heizbändern, Bimetallschnecken und ölkreislaufbasierter Werkzeugtemperierung.

Warum ist PEEK-Spritzgießen so teuer?

Ungefülltes PEEK kostet als Rohstoff $60–$120/kg und damit 50–100-mal mehr als ABS mit $1.50–$3.00/kg. Zusätzlich erfordert PEEK spezielle Hochtemperaturmaschinen und wegen der kontrollierten Kristallisationskühlung um 25–50% längere Zykluszeiten als Standardkunststoffe. Werkzeuge aus H13-Warmarbeitsstahl kosten 20–40% mehr als Standardwerkzeuge aus P20. Insgesamt liegen die Produktionskosten je Teil beim 8–15-Fachen eines vergleichbaren ABS-Teils. PEEK ist gerechtfertigt, wenn kein kostengünstigerer Kunststoff die thermischen, chemischen oder biokompatiblen Anforderungen der Anwendung erfüllt.

PEEK-Spritzguss-Kostenvergleichstabelle im Vergleich zu ABS, PC und PEI-Technikplastik

PEEK muss 3–4 Stunden bei 150–160°C in einem Trockenlufttrockner getrocknet werden; der Ziel-Feuchtegehalt liegt unter 0.02 Gew.-%. Feuchtigkeit oberhalb dieses Grenzwerts verursacht bei Zylindertemperaturen einen hydrolytischen Abbau der Polymerketten — mit Schlieren, Silberstreifen auf den Teileoberflächen sowie einer messbaren Verringerung von Molekulargewicht und Schlagzähigkeit. Ein korrekt eingestellter Trocknungstimer garantiert nicht, dass der Ziel-Feuchtegehalt erreicht wird, wenn die Trockenmittelpatronen gesättigt sind. Prüfen Sie bei jedem PEEK-Programm den Feuchtegehalt stets mit einem Feuchtemessgerät, bevor das Material für die Maschine freigegeben wird.

Ist nach dem Formen ein Tempern von PEEK-Teilen erforderlich?

Glühen ist für Anwendungen mit engen Toleranzen erforderlich—für jedes Bauteil mit Maßtoleranzen unter ±0.1 mm, lasttragende Anwendungen oder Komponenten, die im Einsatz Temperaturwechseln ausgesetzt sind. Das Protokoll umfasst je nach Wandstärke 140–200°C für 1–4 Stunden, gefolgt von kontrollierter Abkühlung mit 2–5°C pro Minute. Das Glühen baut innere Formspannungen ab und verbessert die Gleichmäßigkeit der Kristallinität über den Bauteilquerschnitt, stabilisiert die Endmaße und verhindert Spannungsrisse im Feldeinsatz. Bauteile, die unmittelbar nach dem Formen maßlich einwandfrei erscheinen, können sich ohne Glühbehandlung im ersten Temperaturzyklus dennoch um 0.2–0.5 mm verziehen.

Welche PEEK-Sorte sollte ich für das Spritzgießen verwenden?

Ungefülltes PEEK wie Victrex 450G ist die Ausgangsbasis für Anwendungen, die maximale Duktilität, Biokompatibilität und Röntgentransparenz erfordern. PEEK GF30 (30 % Glasfaser) senkt die Schwindung von 1,2–2,4 % auf 0,3–0,7 % und erhöht die Steifigkeit — bevorzugt für Strukturteile mit engen Maßtoleranzen. PEEK CF30 (30 % Kohlenstofffaser) bietet elektrische Leitfähigkeit und höhere Steifigkeit und wird in Halbleiteranwendungen sowie ESD-empfindlichen Anwendungen eingesetzt. PEEK in Lagerqualität enthält PTFE und Kohlenstofffasern für verschleißoptimierte Buchsen und Dichtungen mit selbstschmierenden Eigenschaften und eignet sich für trockenlaufende Lagerflächen, bei denen eine externe Schmierung unpraktisch ist.

Welcher Werkzeugstahl wird für das Spritzgießen von PEEK benötigt?

Für PEEK-Produktionswerkzeuge ist H13-Warmarbeitsstahl erforderlich, gehärtet auf 48–52 HRC. Vorgehärteter P20-Stahl – der Standard für die meisten Spritzgussformen – hat eine Anlasstemperatur von 150–165°C und wird bei einer dauerhaften PEEK-Verarbeitung mit Werkzeugtemperaturen von 160–200°C weich. Dies führt zu fortschreitenden Maßverlusten in der Kavität und macht letztlich einen Neuaufbau des Werkzeugs erforderlich. Für Werkzeuge für medizinische Implantate, die spiegelpolierte Oberflächen von Ra 0.4 μm oder feiner erfordern, ist rostfreier Werkzeugstahl mit 50–52 HRC die richtige Spezifikation. Der Einsatz von P20 für ein PEEK-Produktionswerkzeug ist ein häufiger und kostspieliger Fehler.