Bearbeitung von PEEK und Hochleistungskunststoffen

Was dieses Material ist

Hochleistungskunststoffe (HK) sind synthetische Polymere, die für extreme Einsatzbedingungen entwickelt wurden – im Gegensatz zu Standardkunststoffen wie PVC oder PP übertreffen sie diese in Temperaturbeständigkeit, mechanischer Festigkeit und chemischer Resistenz. Das bekannteste und am weitesten verbreitete HK ist PEEK (Polyetheretherketon), ein teilkristallines Thermoplast, das oft als Referenz für die gesamte Gruppe gilt.

Für die Bearbeitung relevante Eigenschaften von PEEK und vergleichbaren HK (z. B. PEI, PPSU, PTFE) lassen sich in drei Kernbereiche einteilen:

1. Thermisches Verhalten: PEEK hat eine Glasübergangstemperatur von 143 °C und eine Schmelztemperatur von 343 °C. Bei Temperaturen über 150 °C verliert es an Festigkeit, bei über 300 °C beginnt es zu erweichen und zu verbrennen.
2. Mechanische Eigenschaften: Hohe Zugfestigkeit (bis 100 MPa bei verstärkten Varianten) und geringe Wärmeleitfähigkeit (ca. 0,25 W/(m·K), im Vergleich zu Stahl mit 45 W/(m·K)).
3. Kosten: Unverstärktes PEEK kostet zwischen 50 und 150 Euro pro Kilogramm, verstärkte Varianten (z. B. mit Glas- oder Kohlenstofffasern) erreichen bis 500 Euro pro Kilogramm – das ist 10 bis 100 Mal teurer als Standardkunststoffe.

Aufgrund dieser Eigenschaften werden HK hauptsächlich in Branchen eingesetzt, in denen Kosten eine untergeordnete Rolle spielen: Medizin (implantierbare Teile, chirurgische Instrumente), Luft- und Raumfahrt (Leichtbauteile für Flugzeuge oder Satelliten) und Halbleiterindustrie (Komponenten für Reinraumumgebungen).

Wie es sich unter dem Werkzeug verhält

Die Bearbeitung von HK unterscheidet sich grundlegend von der Bearbeitung von Metallen, da sie von drei spezifischen Mechanismen bestimmt wird:

1. Schnittkräfte: Obwohl HK weicher als Stahl sind, erfordern sie aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Zähigkeit vergleichbare spezifische Schnittkräfte wie weiche Aluminiumlegierungen. Bei verstärkten Varianten steigen die Kräfte weiter an, da die harten Fasern das Werkzeug abnutzen.
2. Wärmeentwicklung und Wärmeableitung: Die geringe Wärmeleitfähigkeit von HK führt dazu, dass über 90 % der beim Schneiden erzeugten Wärme im Werkstück verbleibt (bei Stahl sind es nur 30 %). Da HK hitzeempfindlich sind, kann diese Wärme zu lokalen Erweichungen, Schmelzrändern oder sogar Verbrennungen führen.
3. Spanbildung: HK bilden zwei Arten von Spänen: Bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten entstehen lange, kontinuierliche Späne, die sich um das Werkzeug wickeln und die Oberfläche beschädigen können. Bei hohen Geschwindigkeiten brechen die Späne zu kurzen, bröckeligen Partikeln, die leicht abgeführt werden können.
4. Werkzeugverschleiß: Bei unverstärkten HK ist der Verschleiß gering, bei verstärkten Varianten führen die harten Fasern zu abrasiven Verschleiß, der die Schneidkante schnell abnutzen kann.

Ein zentrales Phänomen bei der Bearbeitung von HK ist die Eigenspannungsbildung. Beim Schneiden wird das Werkstück lokal erhitzt und dann wieder abgekühlt. Da HK sich bei Erwärmung stark ausdehnen und bei Abkühlung wieder zusammenziehen, entstehen innere Spannungen, die nach der Bearbeitung zu Verformungen oder Rissen führen können. Um diese Spannungen abzubauen, wird ein Prozess namens Tempern (engl. annealing) eingesetzt: Das Werkstück wird nach der Bearbeitung auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur erhitzt, gehalten und langsam abgekühlt. Dadurch werden die inneren Spannungen abgebaut und die Maßhaltigkeit verbessert.

Praktische Parameter

Die Wahl der Bearbeitungsparameter hängt von der Art des HK (verstärkt oder unverstärkt), der gewünschten Genauigkeit und der verwendeten Maschine ab. Im Folgenden finden Sie praxiserprobte Bereiche und die Begründung für die Einstellungen:

Schnittgeschwindigkeit (vc)

• Unverstärkte HK: 150–300 m/min
• Verstärkte HK: 80–150 m/min Begründung: Hohe Geschwindigkeiten führen zu kurzen Spänen und geringeren Schnittkräften, aber auch zu mehr Wärme. Bei unverstärkten HK ist die Wärmeempfindlichkeit geringer, sodass höhere Geschwindigkeiten möglich sind. Bei verstärkten HK müssen die Geschwindigkeiten reduziert werden, um den Werkzeugverschleiß zu begrenzen.

Vorschub (f)

• Unverstärkte HK: 0,1–0,3 mm/U
• Verstärkte HK: 0,05–0,2 mm/U Begründung: Zu niedrige Vorschübe führen zu mehr Reibung und damit mehr Wärme. Zu hohe Vorschübe erhöhen die Schnittkräfte und das Risiko von Verformungen.

Schnitttiefe (ap)

• Unverstärkte HK: 0,5–2 mm
• Verstärkte HK: 0,2–1 mm Begründung: Die Schnitttiefe sollte so gewählt werden, dass die gesamte Tiefe der Wärmeeinflusszone (ca. 0,1–0,3 mm bei HK) entfernt wird. Bei verstärkten HK ist die Schnitttiefe aufgrund der höheren Kräfte geringer.

Werkzeuggeometrie

• Schneidkantenradius: 0,01–0,03 mm
• Spanwinkel: 15–25°
• Freiwinkel: 10–15° Begründung: Ein kleiner Schneidkantenradius reduziert die Reibung und Wärmeentwicklung. Ein großer Spanwinkel erleichtert die Spanbildung und reduziert die Schnittkräfte.

Maschineneignung

Für die Bearbeitung von HK eignen sich Maschinen mit folgenden Eigenschaften:

• Hohe Spindeldrehzahlen (mindestens 10.000 U/min), um die erforderlichen Schnittgeschwindigkeiten zu erreichen.
• Hohe Positioniergenauigkeit (mindestens 0,01 mm), um die hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit zu erfüllen.
• Kühlsysteme, die die Wärme effektiv abführen.

Beispiele für geeignete Gree CNC-Maschinen:

• Für kleine bis mittlere Teile: GA-DV750 (vertikales Bearbeitungszentrum mit 30.000 U/min Spindeldrehzahl und 0,003 mm Positioniergenauigkeit) oder GA-VT540 (Bohr- und Gewindeschneidzentrum mit 20.000 U/min und 0,006 mm Positioniergenauigkeit).
• Für große Teile: GA-MV856 (vertikales Bearbeitungszentrum mit 800 mm X-Verfahrweg) oder GA-MVD2560 (vertikales Bearbeitungszentrum mit zwei Spindeln und 2500 mm X-Verfahrweg).

Was schiefgehen kann

Die Bearbeitung von HK ist anfällig für mehrere Fehler, die leicht zu erkennen und zu beheben sind:

1. Schmelzränder oder Verbrennungen

   • Erkennung: Braune oder schwarze Verfärbungen an der Schnittkante, weiche oder geschmolzene Oberflächen.
   • Ursache: Zu hohe Schnittgeschwindigkeit, zu geringer Vorschub, unzureichende Kühlung.
   • Behebung: Reduzieren der Schnittgeschwindigkeit um 20–30 %, Erhöhen des Vorschubs, Verbessern der Kühlung (z. B. durch Hochdruckkühlung oder Kühlluft).

2. Verformungen oder Maßabweichungen

   • Erkennung: Teile, die nach der Bearbeitung ihre Form verändern, Abmessungen, die außerhalb der Toleranz liegen.
   • Ursache: Ungleichmäßige Materialabnahme, unzureichendes Tempern, zu hohe Schnittkräfte.
   • Behebung: Symmetrische Bearbeitung (abwechselnd von beiden Seiten des Teils Material abnehmen), Erhöhen der Tempertemperatur um 10–20 °C oder Verlängern der Haltezeit, Reduzieren der Schnitttiefe.

3. Wickelspäne

   • Erkennung: Lange, kontinuierliche Späne, die sich um das Werkzeug oder das Teil wickeln.
   • Ursache: Zu niedrige Schnittgeschwindigkeit, zu geringer Vorschub.
   • Behebung: Erhöhen der Schnittgeschwindigkeit um 30–50 %, Erhöhen des Vorschubs, Einsatz von Spanbrechern.

4. Schneller Werkzeugverschleiß

   • Erkennung: Abgenutzte Schneidkanten, unregelmäßige Oberflächen, zunehmende Maßabweichungen.
   • Ursache: Zu hohe Schnittgeschwindigkeit bei verstärkten HK, falsche Werkzeuggeometrie.
   • Behebung: Reduzieren der Schnittgeschwindigkeit um 30–40 %, Einsatz von Werkzeugen aus Hartmetall mit Diamantbeschichtung.

Ehrliche Einschränkungen

Die Bearbeitung von HK ist nicht für alle Anwendungen geeignet. Im Folgenden finden Sie Situationen, in denen dieser Ansatz eine schlechte Wahl ist:

1. Große Stückzahlen mit niedrigen Kostenanforderungen

   • Begründung: Die hohen Materialkosten und die relativ langen Bearbeitungszeiten machen HK für Massenprodukte wie Verpackungen oder Konsumgüter unrentabel. Für solche Anwendungen sind Standardkunststoffe, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden, deutlich günstiger.

2. Sehr große Teile

   • Begründung: Die Kosten für große Blöcke aus HK sind extrem hoch. Zusätzlich erfordern große Teile eine gleichmäßige Wärmebehandlung, um Verformungen zu vermeiden, was mit hohen Kosten verbunden ist. Für große Leichtbauteile sind Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe oft eine bessere Wahl.

3. Anwendungen mit extrem hohen Temperaturen

   • Begründung: Obwohl HK hitzebeständiger als Standardkunststoffe sind, verlieren sie bei Temperaturen über 200 °C an Festigkeit. Für Anwendungen, die Temperaturen über 300 °C erfordern, sind Keramik oder Metalllegierungen besser geeignet.

4. Anwendungen mit hohem Verschleiß

   • Begründung: Obwohl HK abriebfest sind, können sie nicht mit harten Materialien wie Stahl oder Keramik konkurrieren. Für Anwendungen mit hohem Verschleiß sind metallische Werkstoffe oft die bessere Wahl.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Jobs

Bevor Sie mit der Bearbeitung beginnen, überprüfen Sie folgende Punkte:

1. Materialvorbereitung: Lagern Sie das HK-Material mindestens 24 Stunden bei Raumtemperatur, um Feuchtigkeit abzubauen (insbesondere bei PEEK, das Feuchtigkeit aufnimmt).
2. Maschinenauswahl: Wählen Sie eine Maschine mit ausreichender Spindeldrehzahl (mindestens 10.000 U/min) und Positioniergenauigkeit (mindestens 0,01 mm). Für kleine Teile eignet sich die GA-DV750, für große Teile die GA-MV856.
3. Werkzeugauswahl: Verwenden Sie Werkzeuge aus Hartmetall mit Diamantbeschichtung für verstärkte HK, unbeschichtete Hartmetallwerkzeuge für unverstärkte HK. Überprüfen Sie die Schneidkanten auf Beschädigungen.
4. Parameteranpassung: Passen Sie die Schnittgeschwindigkeit, den Vorschub und die Schnitttiefe an die Art des HK an. Beginnen Sie mit den unteren Werten des Bereichs und erhöhen Sie sie schrittweise.
5. Kühlung: Stellen Sie sicher, dass die Kühlung ausreichend ist. Verwenden Sie bei Bedarf Hochdruckkühlung oder Kühlluft, um die Wärme effektiv abzuführen.
6. Bearbeitungsstrategie: Planen Sie eine symmetrische Bearbeitung, um Verformungen zu vermeiden. Nehmen Sie abwechselnd von beiden Seiten des Teils Material ab.
7. Temperplanung: Planen Sie das Tempern nach der Bearbeitung. Stellen Sie sicher, dass die Temperanlage die erforderliche Temperatur und Haltezeit genau einhalten kann.
8. Qualitätskontrolle: Messen Sie die Teile nach der Bearbeitung und nach dem Tempern, um Maßabweichungen zu erkennen.

FAQ

1. Kann ich PEEK auf einer Standard-CNC-Maschine bearbeiten? Ja, solange die Maschine eine Spindeldrehzahl von mindestens 10.000 U/min und eine Positioniergenauigkeit von mindestens 0,01 mm hat. Zum Beispiel eignet sich die GA-MV856 (vertikales Bearbeitungszentrum mit 12.000 U/min und 0,01 mm Positioniergenauigkeit) für die Bearbeitung von PEEK.

2. Wie oft muss ich das Werkzeug beim Bearbeiten von verstärktem PEEK wechseln? Das hängt von der Schnittgeschwindigkeit und der Menge des abzunehmenden Materials ab. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 100 m/min und einem Werkzeug aus diamantbeschichtetem Hartmetall können Sie etwa 50–100 Teile bearbeiten, bevor das Werkzeug gewechselt werden muss. Bei unbeschichteten Werkzeugen reduziert sich die Anzahl auf 10–20 Teile.

3. Kann ich das Tempern nach der Bearbeitung auch bei Raumtemperatur durchführen? Nein, das Tempern erfordert eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des HK (für PEEK 120–140 °C). Bei Raumtemperatur werden die inneren Spannungen nicht abgebaut, sodass Verformungen auftreten können.

4. Welche Kühlung eignet sich am besten für die Bearbeitung von HK? Hochdruckkühlung mit Emulsion ist am effektivsten, da sie die Wärme sowohl am Werkzeug als auch am Werkstück abführt. Für Anwendungen, bei denen keine Emulsion verwendet werden darf (z. B. in der Medizinindustrie), eignet sich Kühlluft mit einem Ölnebel.

5. Kann ich HK auch drehen oder fräsen? Ja, HK können sowohl gefräst als auch gedreht werden. Für das Drehen eignen sich CNC-Drehmaschinen wie die GA-HT6065 oder die GA-TMY6555 (mit Y-Achse für komplexe Teile). Die Parameter für das Drehen sind ähnlich wie für das Fräsen: Schnittgeschwindigkeit 100–250 m/min, Vorschub 0,1–0,2 mm/U.

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