Hart-Weich-Kombinationen  verschiedener Materialien ermöglichen die Integration von Funktionen und können die Produtkionseffizienz erhöhen. (Bildquelle: Albis)

Hart-Weich-Kombinationen verschiedener Materialien ermöglichen die Integration von Funktionen und können die Produtkionseffizienz erhöhen. (Bildquelle: Albis)

In der pfiffigen Kombination von Werkstoffen für ein Bauteil liegt nicht selten die beste Lösung, um den Produktionsprozess effektiver zu konzipieren und den Nutzen des Produkts zu verbessern. In der Kunststoffverarbeitung sind dies häufig Metall-Kunststoff-Verbunde oder Hart-Weich-Kombinationen. Bei solchen Material-Kombinationen spielen Haftung und die effiziente Verarbeitbarkeit eine große Rolle.

Mit thermoplastischen Elastomeren lassen sich solche Verbindungen realisieren, wobei unter anderem Haftung und Beständigkeit der Verbindung im Fokus der Entwicklung stehen. Auch die Verträglichkeit der Werkstoffe gehört zu den relevanten Aspekten, wenn solche Kombinationen in der Produktentwicklung eingesetzt werden. Dazu müssen im  Mehrkomponenten-Spitzguss sowohl die Maschinenkonfiguration als auch die Wahl der Werkzeugtechnik abgestimmt werden.

Haftung im Material-Verbund

Die Verträglichkeit von Kunststoffen zueinander und die besondere Anforderung an die Haftung beeinflussen  maßgeblich die Qualität einer Hart-Weich-Verbindung und unterliegen verschiedenen Einflussfaktoren. Dazu gehört die Polarität der Fügepartner, die Oberflächenstruktur und -güte, die chemische Grundstruktur des Kunststoffes sowie die Fließfähigkeit des Materials. Actega, Bremen, hat für die bessere Haftung von TPE an Materialien wie PC und ABS durch die Einarbeitung haftungsfördernder Komponenten und das Reduzieren von sich nachteilig auf die Haftung auswirkender Elemente seine Provamed-TPE für den medizintechnischen Bereich modifiziert. Denn hier wird diese Materialkombination besonders häufig eingesetzt. Andere Materialentwicklungen modifizieren die Kunststoffe, die den Food-Safe-Standards entsprechen. Die TPE-Kunststoffgranulate gibt es sowohl für medizintechnische Applikationen als auch für den Bereich Konsumgüter in verschiedenen Härteeinstellungen, guter Fließfähigkeit, hoher Bruchdehnung, sehr guter Flexibilität, geringer Dichte, wahlweise transparent, hoch-transparent, transluzent oder naturfarben.

Einwegmaske (Bildquelle: Teknor Apex)

Für die Einwegmaske hat der Hersteller eine Polsterung aus TPE auf PP aufgebracht. (Bildquelle: Teknor Apex)

Auch bei der Super-NO2VA-Maske von RMD kommt ein TPE zum Einsatz, das besonders gut an dem Maskenmaterial Polypropylen haftet. Die Einwegmaske besteht aus einer transparenten, steifen Komponente aus Polypropylen mit Anschlüssen für ein Anästhesiesystem oder einen Beatmungsbeutel sowie aus einer TPE-Polsterung, die an die PP-Struktur angeformt ist. Die aus dem medizinischen Elastomer geformte Polsterung übernimmt eine entscheidende Aufgabe, indem sie für eine starke, aber angenehme Abdichtung zum Gesicht des Patienten hin sorgt. Das Medalist-TPE 10105 von Teknor Apex, Geleen, Niederlande, ist ein gelartiges Compound mit einem Härtegrad von 5 Shore A und ausreichend Klebrigkeit.

Ein Beispiel für die Kombination von TPE mit Metall bietet Kraiburg TPE, Waldkraiburg, in enger Zusammenarbeit  mit der Gebissmanufaktur Beris und  GPE Plast Engineering. Die Unternehmen haben ein  Mundstück für den Reitsport entwickelt. Das Mundstück wird aus einem TPE-Compound in einem 2-Komponentenverfahren spritzgegossen, bei dem das TPE den Metallkern einbettet. Anstelle eines einfachen Metallteils oder einer gängigen Metall- und Lederkombination entschied sich der Gebissspezialist bei dem neuen Mundstück daher für ein weiches und flexibles, aber auch belastbares TPE. Das thermoplastische Material eignet sich gut zur wirtschaftlichen Fertigung solcher Hart-/Weich-Kombinationen. Darüber hinaus bietet es den nötigen Konstruktionsspielraum, um das besondere Konzept der abgeplatteten Bogenform umzusetzen. Auch die FDA-konforme, physiologische Verträglichkeit des TPE war für den Hersteller unerlässlich. Der Compound-Anbieter hat bei der anwendungsgerechten Materialfindung und auch beim Auslegen des Werkzeugs die Entwicklung unterstützt.

Für eine gute Haftung zu EPDM ist ein anderes Compound von Kraiburg TPE, Waldkraiburg, geeignet. Die Thermolast-K-Produktgruppe vereint die gute Haftung zu EPDM mit guter UV- und Witterungsbeständigkeit und einer hohen Fließfähigkeit. Die Materialreihe eignet sich insbesondere für Automobil Exterieur-Anwendungen. Zu den Pilotprojekten zählen Fensterdichtungen aus EPDM-Profilen mit angespritzter TPE-Eckverbindung. Eine weitere Neuentwicklung sind TPEs für den Bereich Consumer Electronics. Für diesen Anwendungsbereich entwickelte das Unternehmen TPEs mit seidig-samtenen Oberflächen und guter Haftung zu polaren Thermoplasten sowie besonderen mechanischen Eigenschaften.

Zugelassen für den Lebensmittelkontakt

Trinkflasche aus Copolyester mit Flip Top, einschließlich Dichtung aus lebensmittelkonformem Thermoplast (Bildquelle: Kraiburg)

Die Trinkflasche aus Copolyester mit Flip Top wird dichtet eine  lebensmittelkonforme TPE-Dichtung ab.  (Bildquelle: Kraiburg)

Eine weitere Entwicklung von Kraiburg TPE zielt auf lebensmittelkonforme TPE ab. Für die Verschlussdichtung  der Omni-Trinkflaschen und des Cruise- Getränkebecher von Timolino kommt ein Thermolast-K-Compound zum Einsatz. Das TPE-Compound kommt als Dichtungsring in den Deckeln der Trinksysteme oder als Teil eines vorgefertigten, eingepressten Dichtungsblocks zum Einsatz und sorgt für eine absolute Dichtheit des Verschlusses. Wie alle Teile der Flaschen und Becher sind auch die Dichtungskomponenten 100 Prozent geschmacks- und geruchsneutral, frei von BPA, spülmaschinenfest und recycelbar. Zu den technischen Anforderungen an das Dichtungscompound zählten gesicherte Lebensmittelverträglichkeit und Langlebigkeit. So erfüllt das verwendete TPE-Compound die strengen Vorgaben des FDA und der EU-Verordnung 10/2011. Außerdem sorgt das Material über einen weiten Temperaturbereich hinweg für einen sehr guten Druckverformungsrest. Diese Eigenschaft war entscheidend für die dauerhafte Rückstellfähigkeit und versprödungsfreie Elastizität der Dichtungskomponenten auch nach wiederkehrendem Kontakt mit Heißgetränken, nach Reinigung im Geschirrspüler oder bei tieferen Einsatztemperaturen im Kühlschrank.

Die TPE-Compounds können sowohl im häuslichen als auch im kommerziellen Bereich verwendet werden. (Bildquelle: Hexpol)

Die TPE-Compounds können sowohl im häuslichen als auch im kommerziellen Bereich verwendet werden. (Bildquelle: Hexpol)

Für eine direkte oder indirekte Anwendung im Trinkwasserbereich hat Hexpol TPE, Lichtenfels, Dryflex DW eine spezielle Serie an TPE-Compound eingeführt. Das Material wurde getestet und ist, gemäß der Leitlinie zur hygienischen Beurteilung von organischen Materialien in Kontakt mit Trinkwasser, für kaltes und warmes Wasser zugelassen. Die TPE-Compounds weisen in Abwesenheit von Bioziden kein Mikrobenwachstum auf und sind auch hinsichtlich des Technischen Standards W270 des DVGW zugelassen. Sie sind in Härten von 50 Shore A bis 90 Shore A erhältlich. Diese sind in naturfarben, schwarzen und kundenspezifischen Farben mit einer Konformitätszertifizierung erhältlich. Die zur Herstellung der TPE-Compounds verwendeten Rohstoffe sind mit der EU-Richtlinie 10/2011 für den Lebensmittelkontakt zugelassen. Sie lassen sich mittels Spritzguss oder Extrusion weiterverarbeiten und können mit Polypropylen und Polyethylen in Mehrkomponentenanwendungen verarbeitet werden. Eine Verwendung kann sowohl im häuslichen als auch im kommerziellen Bereich stattfinden.

Der Werkstoff ermöglicht die Detektierbarkeit für eine zuverlässige Kontaminationskontrolle. (Bildquelle: Dupont)

Der TPE-Werkstoff für das Förderband ermöglicht es, Kontaminationen mit Röntgen- oder Metalldetektoren zu detektieren. (Bildquelle: Dupont)

In der Lebensmittelindustrie eingesetzt wird das thermoplastische Elastomer Hytrel TPC-ET von Dupont, Genf, Schweiz. Es ist röntgen- und metalldetektierbar und bietet eine flexible Lösung für Förderbänder. Der Werkstoff ermöglicht die Detektierbarkeit für eine zuverlässige Kontaminationskontrolle in der Lebensmittelverarbeitung. Mit diesem Werkstoff benötigt das leichtgewichtige Förderband weniger Strom, läuft ruhig und ohne Schmiermittel und benötigt langfristig weniger Wartung.

TPE in der Automobilindustrie

Typische Anwendungsbeispiele sind Compounds für Kfz-Außen- und Innenteile, Dachbahnen und Kabelummantelungen. (Bildquelle: Ultrapolymers)

Typische TPE-Anwendungsbeispiele sind Kfz-Außen- und Innenteile, Dachbahnen und Kabelummantelungen. (Bildquelle: Ultrapolymers)

Der Kunststoff-Distributor Ultrapolymers, Augsburg, hat sein Portfolio an PP-basierenden TPO um Hiflex CA 7600 A von Lyondell Basell erweitert. Über die bisher verfügbaren, mit der Catalloy-Technologie hergestellten TPO hinaus, kombiniert dieser neue, weiche Typ hohe Flexibilität mit leichter Verarbeitbarkeit, hoher Dimensionsstabilität und hoher Kälte-Schlagzähigkeit sowie zugleich guten mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen. Der Werkstoff kann zu 100 Prozent direkt verarbeitet werden. Aufgrund seiner sehr guten Verträglichkeit mit anderen Polyolefinen und weichen Thermoplasten eignet er sich aber auch sehr gut für das Maßschneidern der Schlagzähigkeit, der Steifigkeit und des Schrumpfverhaltens von Compounds für Spritzguss und Extrusion. Typische Anwendungen reichen von Kabelummantelungen über Dachbahnen und Tiefzieh-Plattenware bis zu Kfz-Sichtteilen für Innen- und Außenanwendungen mit geringem Gewicht und matter Oberfläche. Die besondere Eigenschaftskombination beruht auf seiner Mikrostruktur. Im Gegensatz zu den üblichen TPO-Typen ist hier die PP-Phase in Form sehr kleiner Domänen – und damit als Modifikator – in die Elastomerphase eingebettet. Diese Funktionsumkehr ermöglicht die Ausbildung besonders feiner Gefüge und dadurch unter anderem die Aufnahme sowie die sehr gute Dispergierung auch sehr hoher Anteile von Füllstoffen wie Flammschutzmittel oder Talkum. Im Ergebnis resultieren homogen verteilte Eigenschaften über das gesamte Fertigprodukt. Durch die Phasenumkehr ist es gelungen, die guten Eigenschaften der bisher verfügbaren TPOs noch weiter zu steigern und in einem Materialtyp zu kombinieren.

Beständiges Verpackungsmaterial (Bildquelle: Huntsman)

Haltbares und leichtes Verpackungsmaterial aus TPE statt PP. (Bildquelle: Huntsman)

Für einen beschädigungsfreien und sauberen Transport von teuren Fahrzeugkomponenten sorgen zwei Typen von thermoplastischem Polyurethan von Huntsman, Osnabrück. Polyflex Products, ein in den USA ansässiger Hersteller von Spezialpackmaterial, verwendet dafür die abriebfesten TPU-Typen Irogran und Avalon. Zuvor wurde Polypropylen zur Herstellung des Packmaterials für die Automobilbranche verwendet, aber diesem mangelte es an dauerhaften Anti-Verschleiß-Eigenschaften. Wenn scharfe, schwere Komponenten mehrmals umgepackt wurden, wurde das Packmaterial anfällig für Risse. Der Umstieg auf TPU machte es möglich, eine gute Haltbarkeit des Packmaterials zu gewährleisten, die in der Regel rund fünf Jahre beträgt. Zudem reduziert das Material Packmaterialschäden durch unsachgemäße Verwendung. Für das Packmaterial kommen zwei abriebfeste TPU-Typen mit unterschiedlicher Shore-Härte zum Einsatz: 90 A für schwere Komponenten und 60 D für Gleitelemente. Beim Einsatz des TPU wurde schnell dessen hohe Beständigkeit erkannt. Des Weiteren punktet das Material mitfolgenden Eigenschaften: TPU kann verwendet werden, um komplexes Packmaterial in den verschiedensten Formen und Größen herzustellen, die Vibrationsdämpfungseigenschaften sorgen für eine glattere Lauffläche. Das Transportgewicht sinkt, was wiederum zu niedrigeren Transportkosten führt. Und das Material weist elektrostatische Entladungseigenschaften auf und  das Packmaterial ist vollständig recycelbar.

TPE für die Elektro- und Elektroniksparte

Bada, Bühl, hat mit der neuen Produktfamilie Badaflex UL TPE-S eine spezielle Serie an TPE-S-Compounds für die Elektro- und Elektroniksparte eingeführt. Anwendungsbeispiele sind Dichtungen, Stecker, weichelastische Verbindungen und haptisch ansprechende Oberflächen, die die neue Produktfamilie Badaflex UL TPE-S xA FR01 zukünftig bedienen wird. Dabei steht das x für eine variable, frei wählbare Härte von 40 bis 90 Shore A. Der Anwender hat somit entscheidende Vorteile zu bisherigen Produkten, denn diese Produktreihe besitzt eine UL-Zertifizierung der Flammklasse in V0 und ist folglich selbstverlöschend und nicht brennend abtropfend. Um der Designfreiheit den maximalen Spielraum zu lassen, wurde diese Zertifizierung für alle Dicken im Bereich 0,4 bis 3,0 mm nachgewiesen. Somit sind sowohl sehr weiche, wie auch festere Produkte in nahezu jeder Bauteildicke herstellbar und durch die entsprechende Yellow Card der UL abgedeckt. Das Material lässt sich im Spritzgießverfahren oder Extrusion verarbeiten und kann mit Polyolefinen in Mehrkomponentenanwendungen verarbeitet werden.

Modulares Leitungsdurchführungssystem mit Inlays und Dichtelementen aus TPE (Bildquelle: Conta-Clip)

Modulares Leitungsdurchführungssystem mit Inlays und Dichtelementen aus TPE. (Bildquelle: Conta-Clip)

Mit KDS-Click hat Conta-Clip, Hövelhof, ein flexibles Leitungsdurchführungssystem geschaffen, das Inlays und unterschiedliche Dichtelemente aus thermoplastischen Elastomeren von Kraiburg TPE, Waldkraiburg, umfasst. Dafür entwickelte der TPE-Spezialist unter anderem halogenfreie, flammgeschützte Materialien, welche UL94-geprüft und in Kategorie V0 eingestuft sind. Das halogenfreie System bietet Anwendern in der Elektro- und Elektronikindustrie eine sehr flexible und saubere Lösung zur Neu- und Nachinstallation von Kabeln, Schläuchen, Pneumatik- und Hydraulikleitungen in Gehäusen und Schaltschränken. Dabei kommen nicht weniger als fünf verschiedene TPEs zum Einsatz: Ein PA-haftungsoptimiertes Thermolast K-Compound für die Inlay-Dichtung des Systems sowie flammgeschützte als auch kundenspezifische TPE-Materialien für Dichtelemente. Zu den Herausforderungen des Systems zählt die für die Prozess- und Industrieautomation unerlässliche Dichtigkeit des beispielsweise auf Schaltschränke montierten Rahmens entsprechend der Schutzklasse IP 66. Der Rahmen besteht aus glasfaserverstärktem PA 6.6 und einem TPE-Compound. Die Aufgabe lag darin, ein TPE-Material zu finden, das eine ausgezeichnete Haftung zu Polyamid ermöglicht und sich gleichzeitig durch seine Weichheit an unterschiedliche Oberflächen anpasst und somit das System abdichtet. Der Hersteller entschied sich für ein haftungsoptimiertes TPE-Compound der Waldkraiburger, welches im 2-Komponenten-Spritzguss mit dem Polyamid des Inlays verarbeitet wird. Das Material ermöglicht eine sehr gute Haftung und gewährleistet eine hohe Dichtigkeit auch an lackierten oder rauen Oberflächen. Ergänzt wird das System durch verschieden große Dichtelemente, welche die Kabel, Schläuche oder auch Leitungen umschließen. Die in enger Zusammenarbeit optimierte Konstruktion der Dichtelemente verfügt über die hohe Schutzklasse IP 66.

TPE für die additive Fertigung

Hochleistungs-3D-Filament (Bildquelle: Dupont/German Reprap)

3D-Filamente aus TPE. (Bildquelle: Dupont/German Reprap)

Die für den 3D-Druck geeigneten thermoplastischen Elastomere Hytrel und die Nylon-basierten Filamente Zytel von Dupont, Genf, Schweiz, können nun über German Reprap, Feldkirchen, bezogen werden. Das TPE ist in zwei verschiedenen Härtegraden mit einem Shore D von 40 und einem Shore D von 60 erhältlich. Die mechanischen Eigenschaften von 3D-Druckteilen in allen Bereichen des TPE-Typs sind vergleichbar mit Spritzguss. Mit den Nylon-basierten Filamenten können Anwender starke und harte Funktionsteile herstellen. Neben der hohen Festigkeit haben die mit den Filament-Produkt bedruckten Teile eine hohe Wärmeformbeständigkeit, einen geringen Verzug, eine geringe Feuchtigkeitsempfindlichkeit und eine sehr gute Oberflächenästhetik.

Dr. Etwina Gandert

Über den Autor

Dr. Etwina Gandert

ist Redakteurin Plastverarbeiter.

etwina.gandert@huethig.de