Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) gewinnen Marktanteile, da ihre mechanischen Eigenschaften, vor allem bei Dauerbelastung und erhöhten Temperaturen, besser sind als bei traditionellen Kurzfaser Thermoplasten. Bedingt durch die höhere Festigkeit und Steifigkeit, das bessere Kriech- und Ermüdungsverhalten und die bessere Schlagfestigkeit, können im Bereich Metallersatz Anwendungen umgesetzt werden, welche bei Kurzfaserthermoplasten auf Grenzen stoßen.

Die neue Imprägnierungstechnologie von Epic Polymers eliminiert die früheren Verarbeitungsprobleme von LFT: Freie Fasern werden vermieden sowie durch kurze Schnittlänge der Granulate die Brückenbildung auf kleineren Spritzguss-Anlagen verhindert. Somit können jetzt auch Kleinteile in LFT hergestellt werden. Die neue Strator Imprägniertechnologie erweitert zudem die Produktpalette. Neben Standard PA LGF basierten LFT bietet der Hersteller auch andere Polymersysteme an wie PPA oder PBT und andere Fasersysteme (LCF oder LAF). Darüber hinaus sind tribologisch modifizierte Einstellungen erhältlich sowie Produkte mit weiteren funktionellen Additiven wie elektrisch oder thermisch leitfähig. Auch Kombinationen von LGF, LAF und LCF sind möglich. Der Anwendungsbereich von LFT wurde also durch die neue Imprägniertechnologie erheblich vergrößert.

Hochfest und dabei gutes Kriechverhalten

Traditionell verstärkte Thermoplaste verlieren signifikant an Festigkeit und Steifigkeit, wenn die Polymermatrix bei höheren Temperaturen weicher wird. Die LFT Faserstruktur bietet eine erheblich bessere Verstärkung der weichen Polymermatrix. Daraus resultiert ein geringerer Verlust von Festigkeit und Steifigkeit als bei traditionellen Compounds. LFT Produkte haben mit das beste Kriechverhalten von allen auf dem heutigen Markt verfügbaren Thermoplasten. So wurde beispielsweise ein Träger in einem Planetengetriebe ursprünglich aus Zamak, eine Metall-Legierung, gefertigt. Ein thermoplastischer Träger verhalf zu signifikanten Kosteneinsparungen. Produkte wie glasfaserverstärktes PPA und PA scheiterten, da bei der Betriebstemperatur von 120°C die Bolzen, welche die Planetenträger unterstützen, unter der Kriechlast deformierten. Strator brachte die erforderliche mechanische Leistung sowie eine problemlose Verarbeitung.

Ein anderes Beispiel für die Ermüdungsleistung von LFT zeigt eine industrielle Klauenkupplung. Diese wurde ursprünglich aus Aluminium gefertigt. Bei 10 Millionen Umdrehungen versagte die Aluminiumkupplung bei einem Drehmoment von 100 Nm. Mit dem Werkstoff PPA GF50 reduzierte sich dieser Wert auf 90 Nm. Dagegen erhöhte sich mit LFT bei 10 Millionen Umdrehungen das übermittelte Drehmoment auf 125 Nm.
Die LFT Struktur im Formteil hat wesentlich geringere Orientierung als traditionelle technische Kunststoffe. Dies bedeutet einen geringeren Unterschied in Eigenschaften längs und quer auf die Fließrichtung sowie eine gleichmäßigere Werkzeugschwindung. Aufgrund des isotropischen Verhaltens ist die Scherfestigkeit von LFT um 30 bis 50 Prozent höher als bei traditionell verstärkten Kunststoffen. Bei Schneckengewinden zum Beispiel ermöglicht dies eine wesentlich größere Belastung. Ein anderes Beispiel hierfür ist ein Türbeschlag. Die aus LFT gefertigten Teile haben eine Gewinde-Ausreißkraft von 3.500 N, während bei einem äquivalenten Standardcompound die Ausreißkraft ein Maximum von 2.500 N erreichte. Außerdem ist das LFT Fasernetzwerk parallel zur Oberfläche orientiert, sodass nur wenige Fasern durch die Oberfläche gelangen können.

Probleme in der Verarbeitung gelöst

Die Verarbeitung war die Achillesferse von LFT Produkten. Der Rohstoff-
Hersteller hat eine neue Fertigungstechnologie entwickelt, welche diese Probleme beseitigt. Durch eine modifizierte Imprägnierung sowie eine verbesserte Schnittqualität ist die freiliegende Faser, die beim Trocknungs- und Spritzguss-Prozess störend sind, eliminiert. Auch bei langen Förderwegen platzen die Granulate nicht mehr auf. Zudem können die Granulate jetzt wesentlich kürzer geschnitten werden. Hierdurch wird das Verarbeiten auf kleinen Spritzguss-Anlagen möglich und so können auch Kleinteile aus LFT gefertigt werden. Aus Untersuchungen des Herstellers geht hervor, dass die Faserlänge im Endprodukt (1-2 mm) nicht wesentlich beeinflusst wird, wenn die Granulatlänge von den marktüblichen 11-12 mm auf 5-7 mm reduziert wird. Die Fortschritte bei der Imprägniertechnologie haben nicht nur die Verarbeitung von LFT verbessert, sondern auch die Entwicklung neuer Polymer/Faserkombinationen ermöglicht.

Im Vergleich zu Standard 50 Prozent-glasfaserverstärktem PPA zeigt Strator TA 10-5 eine um 15 Prozent höhere Festigkeit und Schlagzähigkeit. Da die Faserstruktur relativ wenig Faserorientierung aufweist, ist die Scherfestigkeit etwa 40 Prozent höher als bei Standard PPA Compounds, die ebenfalls zu deutlich höheren Gewinde-Ausreißkräften führt. Im Vergleich zu Standard PPA basierten Compounds sinken die Steifigkeit und Festigkeit wesentlich weniger, wenn das Basispolymer die Glas-Übergangstemperatur von etwa 125°C passiert. Ebenso ist die Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen besser. Neben den Hochtemperatur-Eigenschaften zeigt Strator TA-X auch gute Ermüdungs-Eigenschaften. Hier beläuft sich die Verbesserung gegenüber Kurzfaser-Material auf etwa 30 Prozent. Die LCF Verstärkung erweist sich als besonders effektiv: Bei einer 30 Prozent-LCF-Verstärkung werden bereits eine höhere Festigkeit erreicht als bei 50 Prozent Kurzfaserverstärkung. Auch die Steifigkeit ist erheblich höher und die Ermüdungsfestigkeit wird noch mal verbessert, sie liegt bei Strator A-3 XC über 100 MPa.

LFT finden immer mehr Anwendung im Bereich Gleit- und Reibanwendungen wie Zahnräder und Gleitlager. Weil sich die die Langfasern besser einbinden lassen und gute Ermüdungseigenschaften aufweisen, haben die LFT bessere Verschleiß-Eigenschaften als Kurzfaser-Compounds. Durch die längeren Fasern entstehen weniger Faserenden, so dass diese Werkstoffe zudem weniger abrasiv sind. Durch den Zusatz von Schmiermitteln wie zum Beispiel PTFE Mikropulver können die Gleiteigenschaften weiter verbessert werden. Weitere Neuentwicklung sind verschleißfeste Compounds mit Lang-Aramid-Faserverstärkung.n

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Fred Panhuizen