PEEK (Polyetheretherketon) steht an der absoluten Spitze der Hierarchie der spritzgießbaren Thermoplaste. Mit einer Dauerbetriebstemperatur von 260 °C, einer chemischen Beständigkeit, die es mit Fluorpolymeren aufnehmen kann, und mechanischen Eigenschaften, die denen von Aluminium in nichts nachstehen, ist PEEK das Material der Wahl, wenn nichts anderes funktioniert. Das Spritzgießen von PEEK ist jedoch eine ganz andere Herausforderung – herkömmliche Spritzgießanlagen und -parameter reichen hierfür einfach nicht aus. Dieser Leitfaden behandelt alles, was Sie über die Verarbeitung von PEEK im Spritzgussverfahren wissen müssen.
PEEK-Materialübersicht
PEEK ist ein teilkristallines aromatisches Polyetherketon mit einer einzigartigen Kombination von Eigenschaften: Glasübergangstemperatur (Tg) von 143 °C, Kristallschmelzpunkt (Tm) von 343 °C und Dauergebrauchstemperatur von 260 °C. Die Verarbeitung erfordert Temperaturen von 360–400 °C – was weit über die Leistungsfähigkeit herkömmlicher Spritzgießmaschinen hinausgeht.
Die Kristallinität von PEEK stellt die entscheidende Herausforderung bei der Verarbeitung dar. Je nach Abkühlgeschwindigkeit kann PEEK in amorphem oder teilkristallinem Zustand vorliegen, wobei sich die Eigenschaften der beiden Zustände drastisch unterscheiden: Amorphes PEEK weist eine geringere chemische Beständigkeit, einen niedrigeren Elastizitätsmodul oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) sowie schlechtere Verschleißeigenschaften auf. Um die richtige Kristallinität zu erreichen, ist eine präzise Formtemperaturregelung bei 160–200 °C erforderlich.
| Eigentum | Amorphes PEEK | Halbkristallines PEEK |
|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | 90 | 100 |
| Modul (GPa) | 3.6 | 4.0 |
| Chemische Beständigkeit | Mäßig | Ausgezeichnet |
| Verschleißfestigkeit | Messe | Ausgezeichnet |
| Aussehen | Transparentes Bernstein | Undurchsichtiges Beige/Hellbraun |
Kritische Verarbeitungsparameter
Das Spritzgießen von PEEK erfordert eine präzise Steuerung aller Parameter. Hier ist das empfohlene Profil für ungefülltes PEEK (Victrex 450G oder gleichwertig):
| Parameter | Empfohlener Wert | Anmerkungen |
|---|---|---|
| Hinterer Bereich des Laufs | 350 °C | Zufuhrbereich – muss über Tg, aber unterhalb einer übermäßigen Zersetzung liegen |
| Mittlere Zone des Fasses | 360–370 °C | Kompressionszone – Schmelzen und Homogenisierung |
| Vorderer Bereich des Laufs | 370–380 °C | Dosierzone – endgültige Temperaturstabilisierung |
| Düsentemperatur | 380–390 °C | Verhindern Sie Kaltlauf und sorgen Sie für einen reibungslosen Einspritzvorgang |
| Temperatur der Form | 160–200 °C | Entscheidend für die Kristallinität – Ölbeheizung empfohlen |
| Einspritzgeschwindigkeit | Mäßig bis schnell | Verhindern Sie vorzeitiges Einfrieren in dünnen Wänden |
| Haltedruck | 70–100 MPa | Ausreichend, um den Schwund auszugleichen |
| Gegendruck | Niedrig (2–5 bar) | Ein zu hoher Gegendruck führt zu Verschleiß. |
| Schraubgeschwindigkeit | 50–100 U/min | Maßnahmen zur Minimierung der Scherwärmeentwicklung |
| Materialtrocknung | 150 °C für 3–4 Stunden | Zielfeuchte <0,021 TP3T |
Warum die Formtemperatur am wichtigsten ist
Die Formtemperatur ist der wichtigste Parameter für PEEK. Die Oberflächentemperatur der Form bestimmt direkt die Abkühlgeschwindigkeit, die wiederum die Kristallinität beeinflusst. Bei Formtemperaturen unter 150 °C kühlt PEEK zu schnell ab, um vollständig zu kristallisieren, was zu einer amorphen Hautschicht mit schlechter chemischer Beständigkeit führt. Bei 160–200 °C lässt die Abkühlgeschwindigkeit genügend Zeit für das Wachstum von Sphäroliten, wodurch semikristallines PEEK mit optimalen Eigenschaften entsteht.
Die Formtemperatur muss aufrechterhalten werden gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Hohlraums. Temperaturschwankungen von mehr als ±5 °C führen zur Bildung von Zonen mit unterschiedlicher Kristallinität, was sich in Verformungen, uneinheitlichen Eigenschaften und sichtbaren Farbabweichungen äußert (amorphe Bereiche erscheinen transparent bernsteinfarben, während kristalline Bereiche undurchsichtig hellbraun sind).
Ausrüstungsanforderungen
Herkömmliche Spritzgießmaschinen sind für PEEK nicht geeignet. Die Mindestanforderungen lauten:
- Zylinder und Schnecke: Hochtemperatur-Schnecke mit keramischen Bandheizelementen, die für einen Dauerbetrieb bei mindestens 450 °C ausgelegt sind. Bimetall-Schnecke mit gehärteten Schneckenflügelspitzen (Colmonoy 56 oder gleichwertig), um dem abrasiven Verschleiß durch PEEK bei Verarbeitungstemperatur standzuhalten.
- Verdichtungsverhältnis: Schraubenkompressionsverhältnis von 2,0:1 bis 2,5:1. Höhere Kompressionsverhältnisse erzeugen übermäßige Scherwärme und können zu Materialverschleiß führen.
- Formheizung: Ölgekühlte Formtemperaturregler, die mindestens 200 °C erreichen können. Elektrische Heizpatronen sind eine Alternative, erfordern jedoch eine sorgfältige Mehrzonenregelung, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten. Herkömmliche Formtemperaturregler auf Wasserbasis sind ungeeignet – ihre maximale Temperatur liegt bei 95–120 °C.
- Insulation Plates: Thermal insulation plates (typically 10–15mm thick phenolic or ceramic composite) between the mold and machine platens are essential. Without insulation, heat from the 180°C mold conducts into the machine platens, causing thermal expansion of the tie bars and inconsistent clamp force.
- Trocknen: Desiccant dryer capable of 150°C with dew point below -40°C. PEEK moisture target is <0.02% — hydrolytic degradation at processing temperature is extremely rapid if moisture is present.
Mold Design for PEEK
Gate Types: Direct sprue gates and edge gates work well. Submarine gates and tunnel gates are problematic because PEEK’s high viscosity at normal processing temperature makes it difficult to shear through small gates. Hot runner systems must be rated for 400°C and use externally heated manifolds — internally heated hot runners create cold spots.
Venting: Vent depth must not exceed 0.01–0.02mm (PEEK has low melt viscosity at processing temperature and will flash through larger vents). Vent land length should be 0.5–1.0mm before the vent channel opens to full depth.
Runner Sizing: Full-round runners of 6–8mm diameter are recommended. PEEK solidifies quickly, and undersized runners freeze off before packing is complete.
Draft Angles: Minimum 1° draft, preferably 2° or more. PEEK adheres strongly to mold steel at elevated temperatures, and brittle at room temperature — insufficient draft leads to ejection cracking.
Mold Steel: H13 (SKD61) hardened to 52–56 HRC. P20 is acceptable for prototype molds but will wear more quickly. Stainless steel (S136/420SS) is recommended for medical applications due to corrosion resistance during steam sterilization of the mold between runs.
Common Defects and Fixes
| Fehler | Aussehen | Grundursache | Fix |
|---|---|---|---|
| Black Specks | Dark spots in translucent parts | Thermal degradation in barrel | Reduce barrel temperature, residence time, or screw speed. Purge thoroughly. |
| Verziehen | Part distortion after ejection | Uneven crystallinity from mold temperature variation | Improve mold temperature uniformity. Increase mold temp to 180–200°C. |
| Sink Marks | Depressions at thick sections | Insufficient holding pressure or premature gate freeze | Increase holding pressure and time. Enlarge gate. |
| Burn Marks | Brown/black discoloration at flow end | Trapped air compression (diesel effect) | Improve venting. Reduce injection speed. |
| Incomplete Fill | Short shot, missing features | Premature solidification in thin walls | Increase injection speed and mold temperature. Add flow leaders. |
PEEK vs Other High-Temperature Thermoplastics
| Parameter | PEEK | PEI (Ultem) | PPS | PSU |
|---|---|---|---|---|
| Tg (°C) | 143 | 217 | 88 | 187 |
| Tm (°C) | 343 | Amorph | 280 | Amorph |
| Processing Temp (°C) | 360–400 | 350–400 | 300–340 | 330–380 |
| Mold Temp (°C) | 160–200 | 135–165 | 135–150 | 120–160 |
| Dauerbetriebstemperatur (°C) | 260 | 170 | 220 | 160 |
| Chemische Beständigkeit | Ausgezeichnet | Moderate — stress cracks in solvents | Ausgezeichnet | Moderate — attacks by ketones |
| Material Cost ($/kg) | 80–120 | 25–40 | 15–25 | 20–30 |
Applications for PEEK Injection Molded Parts
- Medical: Spinal fusion cages, dental implants, surgical instrument handles. PEEK’s radiolucency (invisible on X-ray) and biocompatibility (ISO 10993 certified grades available) make it the dominant material for implantable devices.
- Luft- und Raumfahrt: Brackets, bushings, seals, and wire management components. PEEK replaces aluminum in weight-critical applications, saving 70% weight with comparable mechanical performance below 260°C.
- Semiconductor: Wafer handling components, CMP rings, etch chamber fixtures. PEEK’s combination of high purity, chemical resistance, and ESD-safe grades makes it essential for semiconductor manufacturing environments.
- Oil and Gas: Seals, backup rings, valve seats. PEEK’s resistance to H₂S, CO₂, and high-pressure steam at temperatures up to 200°C is unmatched by other thermoplastics.
Cost Breakdown
PEEK parts cost 5–10 times more than equivalent PA66 parts due to three compounding factors:
- Materialkosten: PEEK resin at $80–120/kg vs PA66 at $3–5/kg — a 20–40× material cost multiplier.
- Mold investment: Hot-oil heated molds with H13 hardened steel cost 2–3× more than standard P20 water-cooled molds.
- Cycle time: PEEK cooling in a 180°C mold takes significantly longer than nylon cooling in a 60°C mold. Cycle times of 60–120 seconds are typical for PEEK parts weighing 20–50g, compared to 15–30 seconds for equivalent nylon parts.
Schlussfolgerung
PEEK injection molding is a specialized discipline that requires investment in high-temperature equipment and deep processing expertise. It is not a material you can run on a standard molding machine with a few parameter tweaks. But for applications that demand the highest combination of temperature resistance, chemical resistance, and mechanical properties available in a thermoplastic, PEEK is simply unmatched. The key to success is treating mold temperature control as your primary quality parameter, investing in proper drying, and working with a molder who has verified PEEK processing capability — not just a claim on a website.
Häufig gestellte Fragen
Kann PEEK auf einer herkömmlichen Spritzgießmaschine verarbeitet werden?
Nein. Standardmaschinen haben in der Regel Zylindertemperaturgrenzen von 300–350 °C und verwenden wassergekühlte Formen, deren maximale Temperatur bei 95 °C liegt. PEEK erfordert eine Zylindertemperatur von 360–400 °C und eine Formtemperatur von 160–200 °C. Die Maschine benötigt mindestens Keramikbandheizungen, die für 450 °C ausgelegt sind, eine Bimetall-Schnecke und einen Formtemperaturregler mit Ölkreislauf. Eine Nachrüstung einer Standardmaschine ist möglich, kostet jedoch oft mehr als die Maschine selbst.
Wie hoch ist die Mindestformtemperatur für PEEK?
Das praktische Minimum liegt bei 160 °C für ungefülltes PEEK. Unterhalb dieser Temperatur ist die Abkühlgeschwindigkeit zu hoch, um eine vollständige Kristallinität zu erreichen, was zu einer amorphen Struktur mit schlechter chemischer Beständigkeit und geringeren mechanischen Eigenschaften oberhalb der Tg führt. Bei dünnwandigen Bauteilen (unter 1 mm) erhöht sich die Mindesttemperatur auf 180 °C, um ein vorzeitiges Erstarren zu verhindern. Für kohlefaserverstärktes PEEK werden 180–200 °C empfohlen.
Wie kann ich eine Zersetzung von PEEK beim Spritzgießen verhindern?
Die Vermeidung von Zersetzung hängt von vier Faktoren ab: (1) Das Material muss auf einen Feuchtigkeitsgehalt von unter 0,02% getrocknet werden (150 °C, 3–4 Stunden im Trockenmittel-Trockner). (2) Die Verweildauer ist zu minimieren – sie sollte bei 380 °C unter 5 Minuten liegen. (3) Verwenden Sie einen niedrigen Gegendruck (2–5 bar), um die Scherwärme zu reduzieren. (4) Spülen Sie den Zylinder zwischen den PEEK-Durchläufen mit einer Hochtemperatur-Spülmasse oder einem thermisch stabilen Polymer (wie PPS). Schwarze Flecken sind das erste sichtbare Anzeichen für Zersetzung – wenn Sie diese feststellen, senken Sie sofort die Temperatur und verkürzen Sie die Verweilzeit.
Ist das PEEK-Spritzgießen teurer als die CNC-Bearbeitung von PEEK?
Bei Stückzahlen von mehr als 500–1.000 Teilen pro Jahr ist das Spritzgießen in der Regel kostengünstiger als die CNC-Bearbeitung von PEEK-Halbzeugen. Die Investition in die Spritzgussform ($20.000–$80.000 für eine PEEK-fähige Form) amortisiert sich über die Stückzahl, während die Kosten für die CNC-Bearbeitung linear bleiben. Für die Prototypenfertigung und Stückzahlen unter 500 Teilen ist die CNC-Bearbeitung von PEEK-Stangen oder -Platten jedoch fast immer kostengünstiger. Viele Projekte beginnen mit CNC-Prototypen und wechseln dann für die Serienfertigung zum Spritzguss.
