Torlon^® / Polyamidimid (PAI) – Frästeile, Drehteile und Dichtungen

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Kein unverstärkter Thermoplast erreicht eine höhere Zugfestigkeit als Polyamidimid (PAI), auch bekannt unter dem Markennamen Torlon^®. Torlon^® 4203 erreicht bei Raumtemperatur 192 Megapascal – fast das Doppelte von PEEK. Dafür ist PAI teuer und feuchteempfindlich. Die Glasübergangstemperatur liegt bei etwa 280 °C; der Dauereinsatz ist bis rund 250 °C möglich, die Wärmeformbeständigkeit reicht bis 282 °C.

Was ist Torlon^®? Was ist PAI?

Polyamidimid, kurz PAI, ist ein amorpher Hochleistungsthermoplast, dessen Molekülketten Amid- und Imidgruppen kombinieren. Die Amidanteile bringen Zähigkeit, die Imidringe Steifigkeit und Temperaturbeständigkeit. Torlon^® ist die bekannteste kommerzielle Ausprägung dieser Werkstoffklasse, ursprünglich von Amoco kommerzialisiert, heute eine Marke von Syensqo, dem früheren Solvay-Spezialkunststoffgeschäft.

Eine Eigenheit trennt PAI von allen anderen Hochleistungsthermoplasten: Der Werkstoff lässt sich zwar schmelzverarbeiten, also extrudieren und spritzgießen – seine endgültigen Eigenschaften erreicht er aber erst durch eine Nachhärtung. Bei diesem Post-Cure lagern Halbzeuge oder Bauteile über mehrere Tage bei Temperaturen um 260 °C, wobei sich die Molekülketten vernetzen und das Molekulargewicht steigt. Erst danach stehen Festigkeit, Verschleißbeständigkeit und Chemikalienresistenz auf dem Niveau, das die Datenblätter versprechen. Für die Praxis bedeutet das: PAI-Bauteile in Klein- und Mittelserien entstehen fast immer spanend aus fertig ausgehärtetem Halbzeug, z. B. TECAPAI von Ensinger – denn ein Spritzgussprozess erfordert neben dem Werkzeug auch den kompletten Härtezyklus für jede Charge.

Die wichtigsten Torlon^®-Grades

Torlon^® ist eine Familie, kein einzelnes Produkt. Wer nur „PAI“ oder „Torlon^®“ in die Zeichnung schreibt, lässt offen, welche Eigenschaften das Bauteil mitbringt. Die Familie gliedert sich in einen unverstärkten Basistyp, Grades mit Festschmierstoffen und zwei faserverstärkte Struktur-Grades.

4203

unverstärkt, TiO₂-modifiziert

zähester und schlagfestester Grade
beste elektrische Isolation

Geeignet für:

Isolatoren
Ventilsitze
Dichtungen

4301

12 % Graphit, 3 % PTFE

extrem verschleißfest
niedriger Reibwert

Geeignet für:

Gleitlager
Anlaufscheiben
Dichtungen

5030

30 % Glasfaser

mechanisch extrem belastbar
gute Isolation

Geeignet für:

Strukturteile
Isolatoren
Ventilsitze

7130

30 % Kohlenstofffaser

mechanisch extrem belastbar
niedrige Wärmeausdehnung

Geeignet für:

Führungsringe
Führungsbüchsen
Stützringe

TECAPAI: formgepresste PAI-Halbzeuge von Ensinger

Wir fertigen PAI-Frästeile, PAI-Drehteile und Dichtungen aus fertig getempertem Torlon^®-Halbzeug. Dafür verwenden wir neben weiteren Herstellern TECAPAI. TECAPAI ist der Markenname von Ensinger für formgepresste Halbzeuge aus Polyamidimid auf Basis von Syensqo Torlon^®. Wir verarbeiten vier Typen, die sich nach Füllstoff und Einsatzprofil unterscheiden.

TECAPAI CM XP403 green

TECAPAI CM XP403 green ist die ungefüllte Basisvariante mit hoher Zähigkeit und guten dielektrischen Eigenschaften. Sie ist die erste Wahl für mechanisch belastete Isolierbauteile in der Elektrotechnik. Zusätzlich eignet es sich für Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrt oder der Verfahrenstechnik, dort wo Stahl und andere Metalle wegen Gewicht, Korrosion oder elektrischer Leitfähigkeit ausscheiden.

TECAPAI CM XP440 black-green

TECAPAI CM XP440 black-green ist mit Additiven modifiziert, die Reibung und Verschleiß reduzieren. Zusätzlich hat es eine gute chemische Beständigkeit. Somit ist es prädestiniert für Dichtungen, Gleitlager und Buchsen. Typischerweise in Kompressoren und Pumpen der Prozessindustrie und des Anlagenbaus, wo dauerhaft hohe Temperaturen und mechanische Lasten wirken. Hier sollte das Feuchtigkeitsverhalten von PAI besonders beachtet werden.

TECAPAI CM XP530 black-green

TECAPAI CM XP530 black-green ist mit 30 % Glasfaser verstärkt. Das erhöht die Steifigkeit und senkt die Wärmeausdehnung. Bauteile bleiben damit auch unter Temperaturwechseln maßhaltig. Eingesetzt wird die Variante dort, wo die Eigenschaften von PAI gefragt sind und enge Toleranzen den Ausschlag geben. Das ist vor allem in der Halbleiterfertigung, daneben aber auch in der Elektrotechnik sowie der Luft- und Raumfahrt.

TECAPAI CM XP730 black

TECAPAI CM XP730 black ist mit 30 % Kohlefaser verstärkt und erreicht die höchste Zug- und Druckfestigkeit der formgepressten Reihe – bei zugleich geringer Wärmeausdehnung. Eingesetzt wird die Variante als Metallersatz in der Luft- und Raumfahrt, für Werkzeuge der Metallumformung und für hochbelastete Konstruktionsteile in der Verfahrenstechnik.

Die Datenblattwerte wie die 192 Megapascal gelten für spritzgegossenes Material. Die Halbzeuge, aus dem Fräs- und Drehteile entstehen, sind anders. Bei der Auslegung von Torlon^®-Frästeilen und -Drehteilen sollten deshalb die Werte aus dem Datenblatt des Halbzeug-Herstellers verwendet werden.

Torlon^® im Vergleich zu PEEK und Vespel^®

In der Auswahlpraxis konkurriert PAI vor allem mit zwei Werkstoffen: PEEK und PI.

PEEK

PEEK ist bis etwa 250 °C häufig die wirtschaftliche Lösung: es ist günstiger, hydrolysebeständig und ohne Feuchteproblem. Zudem ist PEEK zäher als PAI. Dafür ist PAI fester und steifer als PEEK. Unverstärktes PEEK erreicht rund 100 Megapascal Zugfestigkeit, etwa die Hälfte von Torlon^® 4203. Der größte Vorteil von PAI zu PEEK liegt bei hohen mechanischen Belastungen unter hohen Temperaturen, da die Glasübergangstemperatur von PEEK mit ca. 143 °C weit unter der Glasübergangstemperatur von PAI liegt. Diesen Vorsprung bezahlt man beim Halbzeug: PAI kostet typischerweise das Drei- bis Fünffache von PEEK.

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PI

Oberhalb von 260 °C ist Polyimid (Vespel^®) gesetzt. Das gesinterte Polyimid hat keinen Schmelzpunkt und hält kurzzeitig Temperaturen um 480 °C aus. Dafür kostet ein Vespel^®-Halbzeug nochmals ein Mehrfaches. Torlon^®-Rundstäbe liegen typischerweise bei 30 bis 50 Prozent des Vespel^®-Kilopreises. Mechanisch ist Torlon^® sogar überlegen – Zug- und Druckfestigkeit übertreffen die Werte von Vespel^® SP-1 deutlich. Dafür hat PI ein besseres Outgassing-Verhalten und ist strahlungsresistenter. Wenn nur mechanische Belastbarkeit gefragt ist, ist PAI die wirtschaftlich und technisch bessere Lösung. Zumindest bis 250 °C Dauereinsatztemperatur.

Mehr zu PI-Kunststoffteilen

PAI hat damit eine klare Nische: PAI-Frästeile und -Drehteile lohnen sich, wenn höchste Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit gefordert sind – einsetzbar bis etwa 250 °C in trockener bis mäßig feuchter Umgebung. PAI ist strahlenbeständig, erreicht dabei aber nicht das Niveau von PI.

Einsatzgebiete von PAI-Kunststoffteilen

In der Dichtungstechnik wird PAI für die formstabilen Bauteile rund um das eigentliche Dichtelement eingesetzt: Stützringe gegen Spaltextrusion, Führungsringe, Ventilsitze und Kolbenringe, dazu Dichtungen in Getrieben und Kompressoren. Im Öl- und Gasgeschäft sitzen PAI-Teile in Bohrlochwerkzeugen und Hochdruckarmaturen, im Automobilbereich als Anlaufscheiben und Dichtringe in Getrieben, in der Halbleiterfertigung als Wafer-Handling-Komponenten und Test-Sockets.

In der Luftfahrt wird der Werkstoff über die SAE-Spezifikation AMS 3670 spezifiziert. Für die Benennung in Zeichnungen und Bestellunterlagen dient ASTM D5204. Das Klassifizierungssystem ordnet PAI-Werkstoffe nach Verarbeitungsweg in Gruppen für Spritzguss und Extrusion und nach Eigenschaftsprofil in Klassen für Allzweckanwendungen, Verschleißbeständigkeit und hohe Festigkeit.

Zerspanung von Frästeilen und Drehteilen aus PAI

PAI stellt hohe Anforderungen an die Zerspanung. Weil der Werkstoff Wärme schlecht ableitet, entscheiden moderate Schnittwerte und eine saubere Kühlstrategie darüber, ob Toleranzen halten oder sich das Bauteil verzieht. Für enge Toleranzen gehört zwischen Schruppen und Schlichten ein Spannungsarmglühen; bei Gleit- und Verschleißteilen lohnt eine erneute Temperung nach der Bearbeitung, denn sie verbessert die Verschleißrate frisch zerspanter Flächen. Des Weiteren hat PAI eine enorme Eigenspannung, was bei falscher Bearbeitung dazu führt, dass sich die Teile wellen oder Risse entstehen. Letztlich muss auch das Feuchtemanagement besonders beachtet werden: Da Torlon^®feuchteempfindlich ist, muss es korrekt gelagert werden – das gilt für Halbzeuge ebenso wie für fertige PAI-Kunststoffteile.

Wann sollte ich PAI für meine Frästeile, Drehteile oder Dichtungen verwenden?

PAI ist keine Steigerungsform von PEEK und kein günstiges Vespel^®. PAI hat ein spezifisches Eigenschaftsprofil. Der Werkstoff lohnt sich, wenn mehrere dieser Anforderungen zusammenkommen:

hohe Flächenpressung
hohe Temperatur
Verschleiß
Maßhaltigkeit
Tieftemperatur
Schlagzähigkeit.

Steht nur eine davon im Lastenheft, gibt es meist eine wirtschaftlichere Antwort. Die Ausnahme: extreme mechanische Belastung (Zugfestigkeit und Druckfestigkeit). Hier ist PAI die absolute Spitzenklasse.