Oktober 2014



Ein Schuss Zutaten in der Rezeptur von Thermoplasten: Glasfasern, Farbstoffe und andere Zusatzstoffe

Thermoplastische Kunststoffe besitzen von Natur aus mechanische Eigenschaften, die Spritzgussteilen je nach Material Festigkeit, Dauerhaftigkeit, Schlagzähigkeit und andere nützliche Vorzüge verleihen. Nylon ist stark. Polycarbonate haben eine gute Temperaturbeständigkeit. TPE sind elastisch und stoßdämpfend. Acryl bringt einen hohen Grad an Transparenz mit sich. Je nach der Geometrie eines Teils und seiner Anwendung kann der Ausgangskunststoff schon bestens geeignet sein. Wenn aber die Leistung des normalen Plastiks gesteigert werden muss, können zusätzliche Füllstoffe wie Glasfasern oder keramische oder mineralische Verstärkungen beigemischt werden.


Beim Spritzgießen von Kunststoff bei Proto Labs sind Glasfasern die am häufigsten verwendeten Zusatzstoffe. Je nach dem Zusatzanteil können Glasfasern die Festigkeit und Steifigkeit von Teilen gegenüber entsprechenden füllstofffreien Kunststoffen bedeutend verbessern. Allerdings bringt die höhere Festigkeit Sprödigkeit mit sich. Wenn ein Teil z.B. keine hohen Stoßbelastungen und Biegungen aushalten muss, sondern in einer stabilen Umgebung eingesetzt werden wird, wo es lediglich eine tragende Funktion hat, dann ist eine glasfaserverstärkte Version gut geeignet.


Die Füllstoffanteile variieren, reichen aber bei den von uns auf Lager gehaltenen Kunststoffen und den von uns akzeptierten, kundenseitig beigestellten Kunststoffen im typischen Fall von 13 bis 45 Prozent. Zu den glasfaserverstärkten Thermoplasten bei Proto Labs zählen: ABS, Nylon, Acetal, Polycarbonat, Flüssigkristallpolymer (LCP), PBT, PET, PPS und Hochleistungsharze wie PEEK und PEI.

Produktentwickler verwenden oft glasfaserverstärkte Materialien, um die Festigkeit ihrer Teile zu erhöhen.

Produktentwickler verwenden oft glasfaserverstärkte Materialien, um die Festigkeit ihrer Teile zu erhöhen.


Der Zusatz von Glasfasern beeinflusst auch das Gießen. Eine Faser ist ein im Verhältnis zu seiner Länge dünnes Gebilde, das so lang wie das Granulatkörnchen ist. Standardfasern sind etwa 3 mm lang und lange Glasfasern können etwa 9 mm bis 12 m lang sein, je nach der Extrusion. Wenn man sich die Fasern als Fische und die Fasermenge als einen Fischschwarm vorstellt, werden die Fische hintereinander, Nase an Schwanzflosse, durch das Kunstharz schwimmend angeordnet, während das Material durch den Hohlraum fließt. Wenn sich der Fischschwarm einem Kernstift nähert, der in dem Teil ein Loch bildet, muss sich der Schwarm teilen und das Hindernis umschwimmen. Infolgedessen wird der Winkel der Faser geändert. Aus diesem Grund befinden sich umso mehr Fasern in zufälligen Winkeln zueinander, je mehr Geometrie dem Kunststofffluss im Wege steht. Glasfasern schränken die Schrumpfrate des Ausgangskunststoffs ein. Diese Einschränkung ist anders, wenn die Fasern linear hintereinander liegen, als wenn sie lotrecht zueinander sind. Dies führt zu einer nichtlinearen Schrumpfung und verstärkt auch innere Spannungen, die das Verformungsrisiko erhöhen. Kunststoffe ohne Füllstoffe kühlen gewöhnlich mit gleichmäßiger Schrumpfung ab. Glasfasern dagegen erzeugen andere Schrumpffaktoren, ein anderes Fließverhalten in Strömungs- und in Querrichtung. Diese veränderte Schrumpfung vorherzusagen, wird in Geometrien mit zahlreichen Löchern, Veränderungen der Fließlänge und Form und auch Veränderungen der Nennwandstärke sehr schwierig. Der Zusatz von Glasfasern führt nicht nur zu leistungstechnischen Verbesserungen, sondern auch zu Risiken.


Wie bei jedem Material, glasfaserverstärkt oder nicht, kann das Fließverhalten durch Einbringen von Abrundungen in die Geometrie des Teils verbessert werden. Kunststoff kann sich einfach leichter um Abrundungen und gekrümmte Flächen bewegen als um einen 90-Grad-Winkel. Gleichmäßige Wandstärken tragen zur Abkühlung des Kunststoffs mit gleicher Geschwindigkeit bei. Formschrägen ermöglichen es Ihrer Spritzgussfirma, das Material in der Form stärker zu verdichten, um den Querschnitt besser zu füllen. Durch Glätten des Fließwegs, indem der Anguss an die Längsachse des Teils gelegt wird, und durch Verringern der Zahl der Durchgangslöcher und Wendungen in Ihrem Teil auf ein Mindestmaß lassen sich die Glasfasern besser auf die einkalkulierte Schrumpfung im Formenhohlraum ausgerichtet halten. Die Berücksichtigung dieser Faktoren hilft Ihrer Spritzgussfirma, das mit der Verwendung von Verstärkungsfasern verbundene Risiko minimal zu halten.


Seltener werden geringe Anteile von Keramikfüllstoff und mineralisch verstärkte Zusatzstoffe verwendet, um Teilen eine bessere Temperaturbeständigkeit zu verleihen. Wie Glas verleihen diese Füllstoffe den Teilen ebenfalls mehr Festigkeit, lassen sie aber auch spröder werden. Bei diesen Teilen ist zu bedenken, dass bei Stoßeinwirkungen leicht Risse oder Abplatzer entstehen.


Bedenken Sie auch die Form Ihres Füllstoffs. Glasfasern sind lang und schlank, sie sind linear ausgerichtet. Mineralische Füllstoffe sind meistens flache Flocken mit unterschiedlichen Abmessungen, die eine Richtung aufweisen. Pulver ist symmetrisch – es verdichtet sich gut und ist im Querschnitt des Teils noch gleichmäßiger verteilt, verringert also füllstoffbedingte Verformungen. Typisch ist auch, dass Pulver eine gleichmäßige Schrumpfrate nicht in eine lineare Schrumpfrate umändert. Eventuell verringert es die Schrumpfrate nur geringfügig. Glasperlen sind eine weitere Füllstoffform mit wieder einer anderen Dimension. Man denke an einen Ballpool. Die Perle hat gewöhnlich eine Kugelform, stapelt sich gut und erhöht die Wärmeabweisung des Materials. Typisch ist aber, dass Glasperlen die strukturelle Festigkeit nicht erhöhen, wie das bei Glasfasern als Füllstoff der Fall ist. Der Ballpool ruht gleichmäßig und minimiert die Wirkung auf gleichmäßige Schrumpfraten. Glasperlen helfen somit ebenfalls, vom Füllstoff verursachte innere Spannungen zu reduzieren.


Proto Labs unterstützt jetzt auch einige wärmeleitfähige Kunststoffe, die je nach der Geometrie der Teile und der Verwendbarkeit von Füllstoffen verwendet werden können. Die CoolPolyT Produktereihe von wärmeleitfähigen Kunststoffen verwendet einen speziellen Markenfüllstoff, um die wärmeleitfähigen Eigenschaften zu erhalten, die im Endeffekt zwischen denen von Kunststoff und Metall liegen. Die Werkstoffe eignen sich gut für alle Anwendungen, in denen das Gewicht von Teilen verringert werden soll und mehr Gestaltungsfreiheit gewünscht wird. Es ist allerdings zu beachten, dass eine schwierige Geometrie, wie dünne Wände und kleine Merkmale, die Verwendung von wärmeleitfähigen Kunststoffen möglicherweise ausschließt.


Lassen Sie uns jetzt von Zusatzstoffen, die mechanische Eigenschaften von Kunststoffen verändern, zu Zusatzstoffen übergehen, die kosmetische Veränderungen bewirken: Farbstoffe. Proto Labs bietet eine Auswahl an Farbstoffen an, die wir ohne Kostenaufschlag einem Ausgangskunststoff beimischen können. Thermoplastische Ausgangskunststoffe sind hauptsächlich schwarz, naturfarben oder transparent. Naturfarbenen und transparenten Ausgangskunststoffen können Farbstoffe beigemischt werden. Wir verwenden gewöhnlich ein dreiprozentiges Salz-und-Pfeffer-Gemisch (siehe Video), bei transparenten Kunststoffen wie Polycarbonat ist das Mischungsverhältnis kleiner. Man beachte, dass das Gemisch keine genaue farblich übereinstimmung ist. Auch wenn ein bestimmtes Material einen bestimmten Farbstoff aufnehmen kann, ist die Teilefärbung ungefähr. Wenn Sie ein 3D-CAD-Modell hochladen, zeigt unser ProtoQuote-System automatisch an, welche Farbstoffe mit den Werkstoffen verwendbar sind. Proto Labs kann möglicherweise spezifische Farbstoffe für Ihren Bedarf beschaffen, lassen Sie sich diesbezüglich von unseren Kundendienstmitarbeitern beraten.

Proto Labs verwendet meist eine dreiprozentige Farbstoffmischung in Salz-und-Pfeffer-Form.

Proto Labs verwendet meist eine dreiprozentige Farbstoffmischung in Salz-und-Pfeffer-Form.


Wenn Ihr Produkt eine genaue Färbung oder die Verwendung von mehreren Zusätzen erfordert, damit sich Ihre Teile und der von Ihnen gewählte Kunststoff in der für sie vorgesehenen Umgebung wie gewünscht verhalten, müssen Sie Ihrer Spritzgussfirma einen vorgemischten Kunststoff liefern. Vormischen bedeutet, dass ein Kunststoffzulieferer wie Plastribution oder Albis aus allen Zusatzstoffen ein Granulat herstellt, das eine gleichmäßige Verteilung und Farbe gewährleistet. Im Gegensatz zum Salz-und-Pfeffer-Gemisch mit seiner zufälligen Verteilung der verschiedenen Granulatkörnchen sind bei der Vormischung alle Granulatkörnchen gleich.


Die Mitarbeiter in unserem technischen Kundendienst sind zwar keine Werkstoffexperten, sie kennen sich aber bezüglich der Werkstoffe, die auf Industrie- und Geometriebasis gewöhnlich verwendet werden, bestens aus. Sie können Ihnen helfen mögliche Alternativen zu finden oder zwei oder drei verschiedene geeignete Kunststoffe vorschlagen. Sie können Ihr Produkt einfach probeweise in verschiedenen Kunststoffen gießen. Das hilft Ihnen dabei, die gewünschte Geometrie für das erforderliche Ergebnis in Ihrem Produkt feinabzustimmen. Einen umfassenderen überblick über thermoplastische Kunststoffe und ihre Eigenschaften finden Sie im kostenlosen Download unserer Infobroschüre Materialfragen.