Hochleistungskunststoffe im Maschinenbau: Vorteile, Werkstoffe und Anwendungen

Im Maschinen- und Anlagenbau müssen Bauteile häufig hohen Temperaturen, mechanischen Belastungen, aggressiven Medien oder dauerhaftem Verschleiß standhalten. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an geringes Gewicht, hohe Präzision und lange Standzeiten. Genau hier kommen Hochleistungskunststoffe ins Spiel.

Werkstoffe wie PEEK, PPS oder PAI können bei anspruchsvollen Anwendungen eine Alternative zu Metallen und klassischen technischen Kunststoffen darstellen. Sie verbinden je nach Material hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit mit guten mechanischen Eigenschaften, niedrigem Gewicht sowie Vorteilen bei Reibung und Verschleiß.

Welche Hochleistungskunststoffe zur Verfügung stehen und welcher Werkstoff für eine konkrete Anwendung geeignet ist, hängt jedoch immer von den tatsächlichen Betriebsbedingungen ab.

Warum werden Hochleistungskunststoffe im Maschinenbau eingesetzt?

Im Maschinen- und Anlagenbau werden Werkstoffe nicht allein nach ihrer Festigkeit ausgewählt. Temperatur, Druck, Reibung, chemische Medien, Feuchtigkeit, Bauteilgeometrie und gewünschte Lebensdauer müssen gemeinsam betrachtet werden.

Hochleistungskunststoffe bieten hierbei mehrere technische Vorteile.

Geringes Gewicht

Kunststoffe besitzen eine deutlich geringere Dichte als viele metallische Werkstoffe. Besonders bei bewegten Komponenten kann eine Gewichtsreduzierung dazu beitragen, Massenträgheit und die Belastung angrenzender Bauteile zu reduzieren.

Das ist beispielsweise bei Führungen, bewegten Maschinenelementen oder Komponenten in automatisierten Anlagen interessant.

Korrosionsbeständigkeit

Kunststoffe rosten nicht. Je nach Werkstoff bieten Hochleistungskunststoffe darüber hinaus eine hohe Beständigkeit gegenüber zahlreichen Chemikalien, Ölen, Kraftstoffen oder Reinigungsmedien.

Dadurch eignen sie sich unter anderem für Pumpenkomponenten, Ventilbauteile, Dichtungen oder Maschinenteile, die regelmäßig mit aggressiven Medien in Kontakt kommen.

Hohe Temperaturbeständigkeit

Wenn herkömmliche technische Kunststoffe bei dauerhaft erhöhten Temperaturen an ihre Grenzen gelangen, können spezielle Hochtemperatur-Kunststoffe eingesetzt werden.

Zu diesen Werkstoffen gehören beispielsweise PEEK, PPS und PAI. Die tatsächliche Einsatzgrenze ist jedoch immer von Materialtype, Belastung, Bauteilgeometrie und Umgebungsbedingungen abhängig.

Gute Gleit- und Verschleißeigenschaften

Für Lager, Führungen und andere bewegte Komponenten sind Reibung und Verschleiß wichtige Auswahlkriterien. Geeignete Hochleistungskunststoffe können gute tribologische Eigenschaften bieten und dadurch bei bestimmten Anwendungen den Schmierbedarf reduzieren.

Durch spezielle Modifikationen lassen sich diese Eigenschaften zusätzlich an die jeweilige Anwendung anpassen.

Hohe Maßhaltigkeit

Bei Präzisionsbauteilen müssen Werkstoffe ihre Abmessungen auch unter wechselnden Belastungen zuverlässig einhalten.

Werkstoffe mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme, hoher Steifigkeit und guter Dimensionsstabilität eignen sich deshalb besonders für Führungen, Halterungen, Ventilkomponenten, Lagerbauteile oder andere präzise Maschinenelemente.

Welche Hochleistungskunststoffe eignen sich für den Maschinenbau?

Nicht jeder Hochleistungskunststoff eignet sich gleichermaßen für jede Maschinenbauanwendung. Die Werkstoffe unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, mechanischer Festigkeit, Chemikalienbeständigkeit, Reibungsverhalten und Dimensionsstabilität.

Werkstoff	Typische Eigenschaften	Beispiele für Anwendungen im Maschinenbau
PEEK	hohe Temperaturbeständigkeit, hohe mechanische Belastbarkeit, gute Chemikalien- und Verschleißbeständigkeit	Lagerbauteile, Zahnräder, Führungen, Ventilkomponenten, Präzisionsteile
PPS	hohe Chemikalienbeständigkeit, geringe Feuchtigkeitsaufnahme, gute Dimensionsstabilität	Pumpenteile, Gehäuse, elektrische Komponenten, Präzisionsbauteile
PAI	sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit, gute Verschleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit	Lagerungen, Dichtungen und hochbelastete Präzisionsbauteile

Diese Übersicht dient als erste Orientierung. Für die konkrete Werkstoffauswahl müssen die Betriebsbedingungen des Bauteils berücksichtigt werden.

Wann können Hochleistungskunststoffe Metall ersetzen?

Der Ersatz eines Metallbauteils durch Kunststoff ist besonders interessant, wenn nicht nur hohe Festigkeit, sondern weitere Anforderungen erfüllt werden müssen.

Dazu gehören beispielsweise:

• geringes Bauteilgewicht
• Korrosionsbeständigkeit
• elektrische Isolation
• geringe Reibung
• Verschleißbeständigkeit
• chemische Beständigkeit
• geringe Feuchtigkeitsaufnahme
• gute Maßhaltigkeit
• reduzierte Geräuschentwicklung bei bewegten Komponenten

Ein direkter Werkstofftausch nach dem Prinzip „Metallteil durch Kunststoffteil ersetzen“ ist allerdings nicht immer sinnvoll. Kunststoffe besitzen ein anderes mechanisches und thermisches Verhalten als Metalle.

Bauteilgeometrie, Wandstärken, Toleranzen, Belastungsrichtung und Befestigung sollten deshalb bereits bei der Konstruktion auf den gewählten Kunststoff abgestimmt werden.

Typische Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau

Hochleistungskunststoffe werden sowohl für bewegte Komponenten als auch für konstruktive und medienführende Bauteile eingesetzt.

Anwendungsbereich	Typische Bauteile	Wichtige Anforderungen
Antriebstechnik	Zahnräder, Kupplungselemente, Lagerbauteile	Verschleißfestigkeit, Festigkeit, geringes Gewicht
Führungs- und Lagertechnik	Gleitlager, Führungsschienen, Gleitelemente	geringe Reibung, Verschleißfestigkeit, Maßhaltigkeit
Fluidtechnik	Ventilsitze, Pumpenkomponenten, Dichtungen	Medienbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit
Automatisierung	Führungen, Halterungen, Sensorkomponenten	geringes Gewicht, Präzision, elektrische Eigenschaften
Anlagenbau	Gehäuse, Isolierteile, Verbindungselemente	Chemikalienbeständigkeit, Korrosionsfreiheit
Lebensmittelmaschinen	Führungen, Transportelemente, konstruktive Bauteile	Reinigungsfähigkeit und geeignete Werkstoffzulassung

Die tatsächliche Materialauswahl richtet sich immer nach den konkreten Einsatzbedingungen.

Wie wählen Sie den richtigen Hochleistungskunststoff aus?

Die Werkstoffauswahl sollte nicht allein anhand eines einzelnen Kennwertes wie der maximalen Temperatur erfolgen.

Prüfen Sie insbesondere folgende Faktoren:

1. Temperatur

Welche Temperaturen treten dauerhaft auf? Gibt es kurzfristige Temperaturspitzen? Kommt das Material gleichzeitig mit mechanischer Belastung oder Chemikalien in Kontakt?

2. Mechanische Belastung

Wird das Bauteil auf Zug, Druck oder Biegung beansprucht? Treten dynamische Lasten auf? Muss der Werkstoff über lange Zeit dimensionsstabil bleiben?

3. Chemische Belastung

Mit welchen Ölen, Reinigungsmitteln, Säuren, Laugen oder anderen Medien kommt das Bauteil in Kontakt? Konzentration, Temperatur und Kontaktdauer können die Beständigkeit maßgeblich beeinflussen.

4. Reibung und Verschleiß

Bei Gleitlagern oder Führungen müssen zusätzlich Gleitpartner, Geschwindigkeit, Flächenpressung und Schmierung berücksichtigt werden.

5. Maßhaltigkeit

Bei engen Toleranzen spielen Wärmeausdehnung, Feuchtigkeitsaufnahme und Kriechverhalten eine wichtige Rolle.

6. Zulassungen und besondere Anforderungen

Je nach Branche können beispielsweise Anforderungen an Lebensmittelkontakt, elektrische Eigenschaften, Reinheit oder Sterilisierbarkeit hinzukommen.

Eine systematische Vorgehensweise finden Sie auch in unserem Leitfaden zur Materialauswahl für Hochleistungskunststoffe.

Hochleistungskunststoffe bearbeiten und zu Präzisionsteilen fertigen

Viele Hochleistungskunststoffe können spanend bearbeitet werden. Dadurch lassen sich aus Halbzeugen individuelle Maschinenbauteile nach Zeichnung oder CAD-Daten herstellen.

Je nach Werkstoff und Geometrie kommen beispielsweise Fräsen, Drehen, Bohren oder andere Verfahren der Kunststoffbearbeitung zum Einsatz.

Gerade bei engen Toleranzen muss die Bearbeitung auf das jeweilige Material abgestimmt werden. Wärmeentwicklung, Spannungen im Halbzeug, Werkzeugauswahl und Aufspannung können die Qualität und Maßhaltigkeit des fertigen Bauteils beeinflussen.

Wann lohnt sich der Einsatz von Hochleistungskunststoffen?

Hochleistungskunststoffe sind vor allem dann interessant, wenn klassische technische Kunststoffe die Anforderungen einer Anwendung nicht mehr dauerhaft erfüllen oder metallische Werkstoffe funktionale Nachteile verursachen.

Typische Gründe für einen Wechsel sind:

• hohe oder wechselnde Einsatztemperaturen
• Kontakt mit aggressiven Medien
• Korrosionsprobleme bei metallischen Bauteilen
• hoher Verschleiß an Lagern oder Führungen
• Anforderungen an geringes Gewicht
• elektrische Isolation
• hohe Anforderungen an Präzision und Maßhaltigkeit
• Wartungsaufwand durch Schmierung oder Korrosion

Die technisch beste Lösung ist dabei nicht automatisch der Werkstoff mit den höchsten Kennwerten. Sinnvoll ist der Kunststoff, dessen Eigenschaftsprofil möglichst genau zur tatsächlichen Belastung des Bauteils passt.

Hochleistungskunststoffe als Werkstoffe für anspruchsvolle Maschinenbauteile

Hochleistungskunststoffe eröffnen im Maschinenbau konstruktive Möglichkeiten, die mit Standardkunststoffen oder Metallen nicht immer wirtschaftlich oder technisch sinnvoll umsetzbar sind.

PEEK, PPS, PAI und weitere Hochleistungspolymere können beispielsweise bei hohen Temperaturen, aggressiven Medien, Verschleiß oder besonderen Anforderungen an Gewicht und Maßhaltigkeit eingesetzt werden.

Martan Plastics unterstützt Sie von der Auswahl des geeigneten Werkstoffs bis zum individuell gefertigten Bauteil. Eine Übersicht der verfügbaren Materialien finden Sie unter Hochleistungskunststoffe für anspruchsvolle Anwendungen.

Häufige Fragen zu Hochleistungskunststoffen im Maschinenbau

Was sind Hochleistungskunststoffe?

Hochleistungskunststoffe sind technische Kunststoffe für besonders anspruchsvolle Einsatzbedingungen. Je nach Werkstoff bieten sie eine hohe Temperatur-, Chemikalien- und Verschleißbeständigkeit sowie hohe mechanische Belastbarkeit und Dimensionsstabilität.

Welche Hochleistungskunststoffe werden im Maschinenbau eingesetzt?

Zu den häufig eingesetzten Werkstoffen gehören unter anderem PEEK, PPS und PAI. Welcher Kunststoff geeignet ist, richtet sich nach Temperatur, mechanischer Belastung, chemischen Medien, Reibung, Toleranzen und weiteren Betriebsbedingungen.

Können Hochleistungskunststoffe Metall ersetzen?

Bei geeigneter Konstruktion können Hochleistungskunststoffe metallische Bauteile in bestimmten Anwendungen ersetzen. Vorteile können geringeres Gewicht, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Isolation sowie gute Gleit- und Verschleißeigenschaften sein.

Welcher Hochleistungskunststoff ist besonders temperaturbeständig?

Für Anwendungen mit hohen Temperaturen kommen unter anderem PEEK, PPS und PAI infrage. Die zulässige Einsatztemperatur hängt jedoch von Werkstofftype, Belastungsdauer, mechanischer Beanspruchung und Umgebungsbedingungen ab.

Welche Bauteile werden aus Hochleistungskunststoffen gefertigt?

Typische Bauteile sind Gleitlager, Führungen, Zahnräder, Dichtungen, Ventilsitze, Pumpenkomponenten, Halterungen und andere Präzisionsteile für Maschinen und Anlagen.