Ultramid Structure. Von führenden Testern empfohlen.

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1 Ultramid Structure Von führenden Testern empfohlen.

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3 Ultramid Structure Hochleistungspolyamid mit Langglasfaser-Verstärkung 4 Sortiment 5 Einzigartiges Eigenschaftsprofil 6 Fasernetzwerk aus Langfasern 7 Mechanische Eigenschaften 8 Steifigkeit 8 Schlagzähigkeit und Energieaufnahme 1 Kriech- und Ermüdungsverhalten 11 Verzug 13 Verarbeitung 14 Bauteilauslegung mit Ultrasim 16 Sortimentsübersicht 17

4 Ultramid Structure Hochleistungspolyamid mit Langglasfaser-Verstärkung Unter dem Handelsnamen Ultramid Structure bietet die BASF langfaser-verstärkte Polyamide an. Diese Produktgruppe eröffnet mit ihrem spezifischen Eigenschaftsprofil neue Möglichkeiten beim Metallersatz. Durch das entstehende 3D-Fasernetzwerk wird ein Leistungssprung in bestimmten Eigen schaften im Vergleich zu kurzglasfaser-verstärkten Polyamiden erreicht (Abb. 1). Charpy-Kerbschlagzähigkeit [kj/m 2 ] schlagzähmodifiziert mineralverstärkt und schlagzähmodifiziert mineralverstärkt GF und schlagzähmodifiziert LGF CF unverstärkt KGF Zug-E-Modul [MPa] Abb. 1: Langfaser-verstärkte Polyamide bieten einen Vorteil im Steifigkeits-/Zähigkeitsverhältnis Damit ist Ultramid Structure besonders geeignet für Anwendungen in hoch-belasteten Bauteilen für den Maschinen- und Fahrzeugbau, in Handwerks- und Haushaltsgeräten sowie im Freizeit- und Sportbereich, z.b. in: Strukturen zur Energieabsorption (Crash-Absorbern, Anwendungen in Sitzen und Kfz-Innenbauteilen) Strukturbauteilen mit Anspruch an höhere Steifigkeit bei erhöhten Temperaturen und an verringerte Kriechneigung (Fahrwerk und Lager) Bauteilen mit Anforderung an Robustheit im Bereich von Industrie, Handwerk und Sport Befestigungsteilen im Baubereich 4

5 Sortiment Die Ultramid Structure-Typen basieren auf PA6- und PA66-Matrixmaterialien, die mit verschiedenen Additiven und mit Faserfüllgraden geliefert werden. Detaillierte Angaben zu den einzelnen Produkten finden sich in der Sortimentsübersicht Ultramid. Ultramid Polyamid Chemischer Aufbau Schmelztemperatur [ C] Ultramid B 6 Polycaprolactam NH(CH 2) 5CO 22 Ultramid A 66 Polyhexamethylenadipinamid NH(CH 2) 6NHCO(CH 2) 4CO 26 Ultramid C Copolyamide 66/6 Basis Hexamethylendiamin, Adipisäure, Caprolactam 243 Ultramid D - Spezialpolymer 254 Tabelle 1: Ultramid -Marken Ein kurze Beschreibung des Sortiments von Ultramid Structure gibt Tabelle 2. Die dazugehörigen Produktwerte finden sich in Tabelle 3 auf Seite 17. Ultramid Structure B3WG8 / G1 / G12 LF Ultramid Structure B3EG8 / G1 / G12 LF Ultramid Structure B3ZG9 LF PA6, langglasfaser-verstärkt, stabilisiert, hohe Wärmealterungsbeständigkeit, nur schwarz lieferbar, bei hohen Anforderungen an die elektrischen Eigenschaften der Teile weniger geeignet PA6, langglasfaser-verstärkt, stabilisiert, helle Eigenfarbe, erhöhte Wärmealterungs-, Wetter- und Heißwasserbeständigkeit, für elektrische Anwendungen einsetzbar PA6, langglasfaser-verstärkt, schlagzähmodifiziert und stabilisiert, mit erhöhter Schlagzähigkeit und Bruchdehnung Ultramid Structure A3WG8 / G1 / G12 LF Ultramid Structure A3EG8 / G1 / G12 LF Ultramid Structure C3WG1 / G12 LF Ultramid D3EG12 HMG LF PA66, langglasfaser-verstärkt, hohe Wärmealterungsbeständigkeit, nur schwarz lieferbar, bei hohen Anforderungen an die elektrischen Eigenschaften der Teile weniger geeignet PA66, langglasfaser-verstärkt, stabilisiert, helle Eigenfarbe, erhöhte Wärmealterungs-, Wetter- und Heißwasserbeständigkeit, für elektrische Anwendungen einsetzbar Copolyamid, langglasfaser-verstärkt, nur schwarz lieferbar, bei hohen Anforderungen an die elektrischen Eigenschaften der Teile weniger geeignet Spezialpolyamid, langglasfaser-verstärkt, reduzierte Wasseraufnahme, sehr gute Oberflächenqualität Tabelle 2: Kurzbeschreibung verschiedener Ultramid Structure-Typen 5

6 Einzigartiges Eigenschaftsprofil Das langglasfaser-verstärkte Ultramid Structure zeichnet sich durch ein einzigartiges Eigenschaftsprofil aus (Abb. 2): bei hohen Temperaturen sehr steif und fest ausgezeichnete Kälteschlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen deutlich besseres Kriech- und Ermüdungsverhalten deutlich höhere Energieaufnahme und verbesserte Crash-Performance im Vergleich zu konventionellen Kurzglasfaser-Polyamiden Neben den herausragenden mechanischen Eigenschaften profitieren Bauteile aus Ultramid Structure von der höheren Wärmeformbeständigkeit, dem deutlich reduzierten Verzug (bis -5 %) und der exzellenten Oberflächenqualität. Ultramid Structure B3WG1 LF PA6 GF5 Elastizitätsmodul +12 C Referenz (Ref.) MPa 6 Kerbschlagzähigkeit -3 C Ref. 14, kj/m² 2 Zugfestigkeit +12 C Ref. 118 MPa 1 Durchstoßenergie -3 C Ref. 4,5 J Abb. 2: Das Eigenschaftsprofil von Ultramid Structure im Vergleich zu einem Standard-PA mit Kurzglasfaser- Verstärkung (Glasfaseranteil 5 %). Kriechmodul 1. h, 4 MPa +12 C Ref. 5.2 MPa Dauerschwingversuch, Schwingspielzahl 7 MPa, R = -1, +23 C, Ref

7 Fasernetzwerk aus Langfasern Bei der Herstellung von Ultramid Structure entstehen im so genannten Pultrusionsverfahren zunächst endlose, vollimprägnierte Kunststoffstränge. In einem zweiten Schritt werden diese auf eine Granulatlänge von etwa zwölf Millimeter geschnitten. (Abb. 3) Abb. 3: Granulatlängenvergleich: Ultramid Structure (links) und Standardpolyamid mit Kurzglasfasern Beim Spritzguss bildet sich in der Werkzeugkavität ein im Vergleich zu kurzglasfaser-verstärktem Kunststoff ähnlicher dreischichtiger Aufbau mit in Fließrichtung höher orientierten Randschichten und einer dazu senkrecht orientierten Kernschicht aus. Wegen der langen Fasern und der daraus resultierenden Eigenschaften der Schmelze wird jedoch ein isotroperer Werkstoff geformt. Der wesentliche Unterschied zu kurzglasfaser-verstärktem Produkt besteht in dem durch die langen Fasern geformten dreidimensionalen Netzwerk, das direkt im Spritzguss entsteht. Das Fasernetzwerk bildet das Skelett und bleibt selbst beim Veraschen des Kunststoffs erhalten (Abb. 4 und 5). Diese Struktur ver leiht dem Endprodukt seine enormen mechanischen Eigenschaften bei tiefen wie auch bei hohen Temperaturen. Auch ist es dafür verantwortlich, dass sich Kriechverhalten und Energie aufnahme den Metallen annähern, ohne dabei die klassischen Vorteile eines Kunststoffs zu verlieren. Abb. 4: Dreidimensionales Faser - netzwerk im veraschten Bauteil (Großaufnahme) Abb. 5: Struktur einer Skibindung aus Ultramid Structure nach und vor dem Veraschen 7

8 Mechanische Eigenschaften Durch ihre Länge und die räumliche Überschneidung im dreidimensionalen Faserskelett schaffen die langen Glasfasern eine verstärkende Struktur, die aufgrund der mechanischen Verschlaufung in der Lage ist, mehr Last über die Fasern abzutragen. Dies äußert sich in Form der im Folgenden beschriebenen werkstofflichen Vorteile. Steifigkeit Eine ausgezeichnete Eigenschaft von Ultramid Structure ist die höhere Steifigkeit im Vergleich zu kurzglasfaser-verstärktem Polyamid bei erhöhter Temperatur. Insbesondere im konditionierten Zustand weisen langfaser-verstärkte Polyamide eine höhere Steifigkeit auf (Abb. 6). PA 66 GF 5 (trocken) PA 66 GF 5 (feucht) Ultramid Structure A3WG1 LF (trocken) Ultramid Structure A3WG1 LF (feucht) E-Modul [MPa] Temperatur [ C] Abb. 6: Vergleich des E-Moduls von kurz- und langfaser-verstärktem PA66 8

9 Häufig sind Bauteile multiaxialen Belastungen ausgesetzt. Wegen der hohen Anisotropie kurzglasfaserverstärkter Polyamide kann eine ausgewogene Auslegung mitunter schwierig sein. Langglasfaserverstärktes Material ermöglicht hier eine bessere Balance (Abb. 7). Ein weiterer Vorteil von Langfasermaterial ist das fast lineare Verhalten bis zum Bruch. Somit weisen Bauteile aus Ultramid Structure bei höheren Belastungen kleinere Deformationen auf. Der sichtbare Unterschied in der Bruchdehnung ist ebenfalls auf das Faserskelett bzw. die gegenseitige mechanische Behinderung der Fasern zurückzuführen. PA 66 GF 5 (längs) PA 66 GF 5 (quer) Ultramid Structure A3WG1 LF (längs) Ultramid Structure A3WG1 LF (quer) Spannung [MPa] 25 2 Dehnrate,1/s, trocken, 23 C Dehnrate,1/s, kond., 23 C 25 Spannung [MPa] Dehnung [%] Dehnung [%] Abb. 7: Spannungs-Dehnungskurven von Ultramid Structure und PA66, jeweils mit 5 % Glasfasern 9

10 Schlagzähigkeit und Energieaufnahme Ultramid Structure hat besonders bei tiefen Temperaturen eine ausgezeichnete Zähigkeit. Ein induzierter Riss wird durch das Glasfasernetzwerk so abgelenkt, dass mehr Energie durch die Ausbildung größerer Bruchflächen verbraucht wird (Abb. 8 links). Dies resultiert auch in einer hervorragenden Kerbschlagzähigkeit, ohne dass bei Steifigkeit und Festigkeit Einbußen hingenommen werden müssen (Abb. 8 rechts). Erreicht wird dies durch das Faserskelett im Inneren, das im Vergleich zu kurzfaserverstärktem Polyamid zu einem deutlich zäheren Bruchverhalten führt. Langglasfaser Kurzglasfaser 2. μm Kerbschlagzähigkeit [kj/m²] , kond.* Temperatur [ C] *Konditionierung: 15 Tage, 7 C, 7 % relative Luftfeuchtigkeit Abb. 8: Links ist das Bruchverhalten im Kerbschlagversuch eines Prüfkörpers aus Ultramid Structure zu sehen, rechts die Kerbschlagzähigkeit von Ultramid Structure im Vergleich zu einem Standard-PA mit Kurzglasfaser-Verstärkung (5%). Um bei kurzglasfaser-verstärkten Polyamiden ähnliche Eigenschaften zu erreichen, müssen diese schlagzähmodifiziert werden, was zu einer geringeren Steifigkeit und Festigkeit führt. Hinsichtlich der Schlagzähigkeit ist Ultramid Structure den klassischen metallischen Leichtbauwerkstoffen Aluminium und Magnesium überlegen (Abb. 9) Schlagzähigkeit [kj/m²] % + 55 % 25 Ultramid Structure B3WG1 LF Aluminium Magnesium Abb. 9: Schlagzähigkeit von Ultramid Structure im Vergleich zu Aluminium und Magnesium 1

11 Kriech- und Ermüdungsverhalten Das Leistungsvermögen von Ultramid Structure zeigt sich auch unter dauerhaft statischer und dynamischer Belastung. Bauteile aus Ultramid Structure kriechen weniger und zeigen ein deutlich besseres Ermüdungsverhalten als Strukturen aus kurzglasfaser-verstärktem Polyamid (Abb. 1). Insbesondere bei erhöhten Temperaturen wirkt sich dieser Vorteil aus. Ultramid Structure A3WG1 LF PA 66 GF 5 23 C, 6 MPa Dehnung [%] 2,6 2,4 2,2 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4, Zeit [h] Ultramid Structure 12 C, 6 MPa Dehnung [%] 2,6 2,4 2,2 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4, Zeit [h] Abb. 1: Kriechverhalten von Ultramid Structure im Vergleich zu kurzglasfaser-verstärktem Polyamid, PA66 mit 5 % Glas fasern 11

12 Im Dauerschwingversuch (Abb.11) kann gezeigt werden, dass Ultramid Structure eine bis zu 1fach höhere Schwingspielzahl im Vergleich zu einem Polyamid mit Kurgglasfaser-Verstärkung erreicht (23 C, R=-1, wechselnde Belastung, exemplarisch mit einer Maximalspannung von 6 MPa ermittelt). Ultramid Structure A3WG1 LF PA66 GF5 Anstieg der Schwingspiele um Faktor 1 Maximalspannung [MPa] Schwingspielzahl Abb. 11: Ermüdungsverhalten von Ultramid Structure im Vergleich zu einem Standardpolyamid mit 5 % Kurzglasfaser-Verstärkung 12

13 8 7 y z 23 x Messpunkte auf Bauteil Verzug Neben der Verbesserung der mechanischen Eigen schaften bewirkt das Faserskelettt auch einen geringeren Verzug, wie der aus 34 Einzelmessungen gemittelte Verzug einer Kunst stoffstruktur zeigt (Abb. 12). Mittelwert des absoluten Verzugs in z Richtung [mm],75,5,25 Ultramid Structure A3WG1 LF PA66 GF5 Abb. 12: Verzug von Ultramid Structure im Vergleich zu einem Standardpolyamid mit 5% Kurzglasfaser-Verstärkung 13

14 Verarbeitung Eine schonende Verarbeitung während des Spritzgießprozesses beugt Faserbrüchen vor. Ultramid Structure lässt sich auf herkömmlichen Thermo plast-spritzgussmaschinen verarbeiten, die mit einer Standard-Dreizonenschnecke ausgerüstet und für die Verarbeitung von glas faser-verstärkten Poly amiden geeignet sind. Der Durchmesser der Schnecke sollte mindestens 4 mm be tragen. Es sollte eine offene Maschinen düse ver wendet werden. Von Scher- und Mischteilen wird abgeraten, da die starke Scherung eine unerwünschte Kürzung der Glas fasern verursacht. Die Schnecken dreh zahl, der Staudruck und die Einspritz geschwindigkeit sollten deshalb so niedrig wie möglich gehalten werden. Der Nachdruck ist ebenfalls nicht zu hoch zu wählen. Unter richtig gestalteten Bedingungen erhält man auch einen hohen Anteil langer Fasern im Bauteil (Abb. 13). 1 mm Abb. 13: Langfaser-Granulat im Verarbeitungsprozess 14

15 Ein horizontales Temperaturprofil bringt bei Ultramid Structure-Typen, die auf PA6 basieren, gute Ergebnisse, während es für Typen auf PA66-Basis ggf. besser ist, mit einem abfallenden Temperaturprofil zu arbeiten. In den meisten Fällen können Formteile aus Ultramid Structure auf vorhandenen Werkzeugen gefertigt werden. Wichtig ist, dass die Granulatstäbchen bereits erweicht in die Kompressionszone gelangen. Generell ist bei der Auslegung von Werkzeugen auf möglichst große Querschnitte und Radien zu achten. Als eher kritisch sind hier rechtwinklige Umlenkungen anzusehen, bei denen der Schmelzestrom dreidimensional verformt wird. Dehnströmungen erscheinen weniger kritisch. Häufig werden Langfaserpolyamide wegen möglichen Verschleißes von Werkzeugen kritisch gesehen. Bei gleichem Fasergewichtsanteil enthalten langfaser-verstärkte Polyamide aber deutlich weniger freie, scharfkantige Faserenden, die für Verschleiß verantwortlich sind. Gemessen in einem Versuch zeigt sich, dass der Verschleiß bei Langfaser-Polyamid 6 % geringer ausfällt (Abb. 14). Werkzeugverschleiß [mg/cm 2 ] Langglasfaser 1 7,5 5 2,5-6 % Kurzglasfaser Ebenso häufig wird vermutet, dass Langfaser-Polyamid wegen des hohen Glasanteils und der langen Faser schlechter fließt als entsprechende Kurzglas- Typen. Ein Vergleich mit der Fließspirale zeigt, dass Ultramid Structure-Typen annähernd bzw. völlig gleichwertige Ergebnisse erzielen (Abb. 15). Ultramid Structure A3WG1 LF PA66 GF5 Abb. 14: Werkzeugverschleiß von Ultramid Structure im Vergleich zu einem Standardpolyamid mit 5% Kurzglasfaser- Verstärkung Langglasfaser Kurzglasfaser Fließweglänge [cm] ,5 mm Dicke 2,5 mm Dicke Fließweglänge [cm] ,5 mm Dicke 2,5 mm Dicke Ultramid Structure A3WG1 LF PA66 GF5 Ultramid Structure A3WG1 LF PA66 GF5 Ultramid Structure B3WG1 LF PA6 GF5 Ultramid Structure B3WG1 LF PA6 GF5 Abb. 15: Vergleich der Fließfähigkeit von Ultramid Structure-Typen mit entsprechenden kurzglasfaser-verstärkten Typen 15

16 Bauteilauslegung mit Ultrasim Das BASF-Simulationsinstrument Ultrasim wird vor allem bei der Auslegung von Bauteilen im Fahrzeugund Maschinenbau, aber auch bei Handwerks- und Haushaltsgeräten eingesetzt. Neben der präzisen Vorhersage des Bauteilverhaltens in Abhängigkeit von Anspritzparametern, Faseranisotropie und Belastungsgeschwindigkeit lässt sich mit der mathematischen Bauteiloptimierung die bestmögliche Gestalt unter den gegebenen Bedingungen ermitteln. Die BASF hat durch angepasste Modelle das Berechnungswerkzeug soweit erweitert, dass auch Bauteile simuliert werden können, die mit Langglasfasern verstärkt sind. Ein Beispiel dafür ist ein Crash-Absorber aus Ultramid Structure, dessen gezieltes Versagen beim Aufprall durch Ultrasim genau abgebildet und vorhergesagt wird (Abb. 16). Experiment Simulation Kraft [kn] Verschiebung [mm] Abb. 16: Vorhersage des Bauteilverhaltens eines Crash-Absorbers aus Ultramid Structure mit Ultrasim (v.l.n.r.: Simulation Bauteil veraschtes Bauteil) 16

17 Sortimentsübersicht Einheit Prüfvorschrift Kondition A3WG8 LF A3WG1 LF A3WG12 LF B3WG8 LF B3WG1 LF B3WG12 LF C3WG12 LF D3EG12 LF Produktmerkmale Kurzzeichen ISO 143 PA66-LGF4 PA66-LGF5 PA66-LGF6 PA6-LGF4 PA6-LGF5 PA6-LGF6 PA6/66-LGF6 PA-GF6 Dichte g/cm³ ISO ,47 1,56 1,68 1,46 1,56 1,68 1,68 Viskositätszahl (Lösung,5 g /ml Schwefelsäure) ml /g ISO Wasseraufnahme, Sättigung in Wasser bei 23 C % ISO 62 4,4-5, 3,7-4,3 4,9-6, 4,5-5,1 Feuchtigkeitsaufnahme, Sättigung bei Normalklima 23 C / 5 % r.f. % ISO 62 1,3-1,7 1, - 1,4 1,6-2, 1,3-1,7 Verarbeitung Schmelztemperatur, DSC C DIN Massetemperaturbereich, Spritzgießen /Extrusion C Werkzeugtemperaturbereich, Spritzgießen C Mechanische Eigenschaften Zug-E-Modul MPa ISO 527-1/-2 tr (23 C) 132/17 165/123 26/16 133/95 168/14 29/- 23/13 21/21 Streckspannung (v=5 mm /min), Bruchspannung (v=5 mm /min) MPa ISO 527-1/-2 tr / If 21/132 24/187 25/21 22/13 24/155 25/- 265/175 26/22 Streckdehnung (v=5 mm /min), Bruchdehnung (v=5 mm /min) % ISO 527-1/-2 tr / If 2/2,1 2/2,1 1,6/1,8 2,1/2,3 2/2,1 1,8/- 2,1/2,5 2,/1,7 Biegemodul MPa ISO 178 tr / If 115/1 154/12 194/ /88 154/- 22/142 Biegefestigkeit MPa ISO 178 tr / If 32/255 37/297 41/ /218 36/- 435/29 Charpy-Schlagzähigkeit + 23 C kj /m 2 ISO 179 /1eU tr / If 65/79 8/85 86/89 76/83 88/86 91/- 92/93 8/- Charpy-Schlagzähigkeit - 3 C kj /m 2 ISO 179 /1eU tr 55/52 7/65 7/71 58/61 78/72 72/86 Charpy-Kerbschlagzähigkeit + 23 C kj /m 2 ISO 179 /1eA tr / If 28/28 37/37 37/37 26/26 32/32 37/- 35/36 25/- Charpy-Kerbschlagzähigkeit - 3 C kj /m 2 ISO 179 /1eA tr 28/28 37/37 43/42 26/26 33/33 37/38 Izod Kerbschlagzähigkeit + 23 C kj /m 2 ISO 18 /A tr / If 24/24 35/35 37/36 26/25 31/45 Izod Kerbschlagzähigkeit - 3 C kj /m 2 ISO 18 /A tr 26/26 35/- 37/36 24/24 31/- Zug-E-Modul MPa ISO 527-1/-2 tr (8 C) Streckspannung (v=5 mm /min), Bruchspannung (v=5 mm /min) MPa ISO 527-1/-2 tr (8 C) Streckdehnung (v=5 mm /min), Bruchdehnung (v=5 mm /min) % ISO 527-1/-2 tr (8 C) 2,4 2,5 1,9 2,8 2,9 2 Thermische Eigenschaften Biegetemp. unter Last 1,8 MPa (HDT A) C ISO 75-1/-2 tr (8 C) Tabelle 3: Sortiment und Eigenschaften 17

18 Für Ihre Notizen 18

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20 Ausgewählte Produktliteratur zu Ultramid : Ultramid - Hauptbroschüre Ultramid - Sortimentsübersicht Ultramid, Ultradur, Ultraform - Verhalten gegenüber Chemikalien Zur Beachtung Die Angaben in dieser Druckschrift basieren auf unseren derzeitigen Kenntnissen und Erfahrungen. Sie befreien den Verarbeiter wegen der Fülle möglicher Einflüsse bei Verarbeitung und Anwendung unseres Produktes nicht von eigenen Prüfungen und Versuchen. Eine Garantie bestimmter Eigenschaften oder die Eignung des Produktes für einen konkreten Einsatzzweck kann aus unseren Angaben nicht abgeleitet werden. Alle hierin vorliegenden Beschreibungen, Zeichnungen, Fotografien, Daten, Verhältnisse, Gewichte u. Ä. können sich ohne Vorankündigung ändern und stellen nicht die vertraglich vereinbarte Beschaffenheit des Produktes dar. Etwaige Schutzrechte sowie bestehende Gesetze und Bestimmungen sind vom Empfänger unseres Produktes in eigener Verantwortung zu beachten. ( Juli 213 ) = eingetragene Marke der BASF SE Besuchen Sie auch unsere Internetseiten: ( Welt ) ( Europa ) Bei technischen Fragen zu den Produkten wenden Sie sich bitte an den Ultra-Infopoint: Online-Info: KTEM 135 BD Die einzelnen Produktauftritte finden Sie unter: /Produktname z. B. /ultramid Bitte benutzen Sie Ihr Smartphone mit QR-Code Reader. Broschürenanforderung: PM / K, F 24 Fax: