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Kunststoffteile für kryogene Anwendungen

Umlenkgetriebe aus PEEK

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    • Ein besonders gefertigtes Kunststoffteil ist immer dann erforderlich, wenn die Temperatur in der Anwendung deutlich unter dem Gefrierpunkt liegt. Besonders relevant wird dies in der Kryotechnik, da hier Temperaturen erreicht werden, bei denen sich die physikalischen Eigenschaften des Werkstoffes grundlegend ändern.

    Die Kryotechnik umfasst technische Anwendungen unterhalb von −150 °C.
    Typische Medien sind:

    • Flüssiger Stickstoff (−196 °C)
    • Flüssiger Wasserstoff (−253 °C)
    • Flüssiges Helium (−269 °C)

    In diesem Temperaturbereich haben Kunststoffe ein völlig anderes mechanisches Verhalten als bei Raumtemperatur, was die Werkstoffauswahl für Kryotechnik-Komponenten besonders anspruchsvoll macht. Neben den thermomechanischen Eigenschaften ändern sich zusätzlich auch die Wärmeausdehnungskoeffizienten, was in Baugruppen, bestehend aus Metall- und Kunststoffkomponenten, relevant ist.

    Kunststoffteile für die Kryotechnik von Hänssler

    Wir produzieren und entwickeln Kunststoffteile für kryogene Anwendungen, die in technischen Systemen der Wasserstoffwirtschaft, der LNG-Industrie, der Luft- und Raumfahrt und anderen Schlüsselindustrien verbaut werden. Dabei verwenden wir Hochleistungskunststoffe, um eine sichere und langfristig konstante Funktion auch bei Temperaturen unter −250 °C sicherzustellen. Zudem legen wir unsere Kunststoffteile gezielt auf solche Tieftemperaturumgebungen aus und bedenken die Wirkung auf Geometrie, Schmierung und Dimensionsstabilität.

    Typische Anwendungsfelder

    Kunststoffteile werden in zahlreichen kryotechnischen Systemen verwendet. Einige Beispiele dafür sind:

    • Ventile und Armaturen
    • Kryogene Kugelventile
    • Pumpen für kryogene Medien
    • Kompressoren und Verdichter
    • Kryotanks und Druckbehälter
    • Rohrleitungssysteme und Kupplungen
    • Betankungs- und Transfersysteme
    • Sensorik, Messtechnik und Durchführungen

    In allen o. g. Anwendungen finden sich Kunststoffteile, die extremen Belastungen bei tiefen Temperaturen standhalten müssen. Darüber hinaus gibt es für Kunststoffteile auch andere Einsatzgebiete, die ebenso hohe Einsatztemperaturen mit sich bringen.

    Schlüsselindustrien

    Wasserstoffwirtschaft

    Eines der am stärksten wachsenden Felder der Kryotechnik.

    • Wasserstoffverflüssigung
    • Speicherung und Transport von LH₂
    • Wasserstofftankstellen
    • Energieerzeugung und -speicherung
    Ein Raketenstart von SpaceX

    Luft- und Raumfahrt

    Historisch eines der wichtigsten Anwendungsfelder.

    • Raketentriebwerke
    • Treibstoffsysteme
    • Satelliten und Raumfahrzeuge
    • Teststände und Bodensysteme

    LNG-Industrie

    Transport und Verwendung von Liquefied Natural Gas.

    • LNG-Terminals
    • Verflüssigungsanlagen
    • Transport- und Speicheranlagen
    • Maritime Anwendungen (LNG-Schiffe)

    Chemische und Prozessindustrie

    • Gasverflüssigung
    • Tieftemperaturtrennung
    • Spezialprozesse mit tiefkalten Medien

    Medizintechnik und Life Sciences

    • Kryokonservierung
    • Lagerung biologischer Proben
    • MRT- und Magnetanlagen (Helium)

    Forschung und Großforschungseinrichtungen

    • Teilchenbeschleuniger
    • Kryostate
    • Supraleitende Magnete
    • Materialforschung

    Halbleiter- und Elektronikindustrie

    • Tieftemperaturprozesse
    • Spezialgase
    • Vakuum- und Reinraumanwendungen

    Automobil und Mobilitätsbranche

    • Brennstoffzellenfahrzeuge
    • Wasserstoffspeicher
    • Betankungssysteme
    • Prüfstände

    Verteidigung und Sicherheitstechnik

    • Gekühlte Infrarot-Sensoren
    • gekühlte Detektoren,
    • Supraleitende Sensorik für Magnetfeldmessung

    Anforderungen an Kunststoffteile in der Kryotechnik

    Kunststoffkomponenten übernehmen in kryogenen Anlagen Dicht-, Führungs-, Isolations- oder Strukturaufgaben. Daraus ergeben sich klare technische Anforderungen:

    Kälteschlag- und Bruchbeständigkeit

    Werkstoff dürfen bei den extremen Temperaturbedingungen der Kryotechnik, die häufig weit unter −150 °C liegen, nicht verspröden. 

    Chemische Beständigkeit

    Flüssiger Wasserstoff, Sauerstoff oder LNG wirken sich chemisch und physikalisch belastend auf das Kunststoffteil aus. 

    Geringe Reibung und Verschleißfestigkeit

    Ein niedriger Reibkoeffizient reduziert Anlaufmomente und minimiert Verschleiß, das ist insbesondere bei Temperaturwechseln der Fall. 

    Dimensionsstabilität und geringe Kaltfließneigung

    Bei kryogenen Temperaturen ändern sich Elastizitätsmodul und Relaxationsverhalten, das Kunststoffteil muss darauf ausgelegt sein.

    Geeignete Kunststoffe für kryogene Anwendungen

    Nur ausgewählte Hochleistungs-Polymere auch bekannt als Kryo-Polymere eignen sich für Kunststoffteile im Tieftemperaturbereich. Die Werkstoffwahl erfolgt dabei stets anwendungsbezogen. Deshalb benötigen wir möglichst viele Informationen zur Anwendung, um einen belastbaren Vorschlag machen zu können.

    PTFE (Polytetrafluorethylen)

    PTFE gilt als Referenzwerkstoff für Tieftemperatur-Dichtungen. Es bleibt selbst unter −200 °C zäh und besitzt eine nahezu universelle chemische Beständigkeit. Aufgrund seines sehr niedrigen Reibungskoeffizienten wird PTFE für Dichtungen, Gleitführungen und Tankauskleidungen eingesetzt.

    PEEK (Polyetheretherketon)

    PEEK kombiniert hohe Festigkeit mit chemischer Beständigkeit. Auch bei kryogenen Temperaturen bleibt das Material strukturell belastbar. Es wird für Pumpenkomponenten, Lagerungen oder tragende Strukturteile eingesetzt. Speziell modifizierte „Kryo-PEEK“ Typen können das Tieftemperaturverhalten weiter verbessern.

    PCTFE (Polychlortrifluorethylen)

    PCTFE zeichnet sich durch sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme und niedrige Gaspermeation aus. Es ist steifer als PTFE und bietet eine hohe Dimensionsstabilität bei tiefen Temperaturen. Deshalb eignet sich PCTFE besonders für Ventilsitze und Dichtkomponenten in LOX-, LH₂- oder LNG-Systemen. Die geringe Kaltfließneigung sorgt für eine stabile Dichtwirkung über wiederholte Temperaturwechsel. Die hohe Permeationsdichtigkeit sorgt für absolut sichere Systeme.

    Polyimide (PI) und PAI

    Polyimide und Polyamidimide bieten eine hohe strukturelle Festigkeit und sehr gute elektrische Isolation. Sie kommen in supraleitenden Magneten, Hochspannungsanwendungen oder hochbelasteten Lagerstellen zum Einsatz. Ihr Vorteil liegt im breiten Temperaturfenster, das sowohl hohe als auch sehr niedrige Temperaturen umfasst.

    UHMW-PE (ultrahochmolekulares Polyethylen)

    UHMW-PE (PE1000) bleibt auch bei extrem niedrigen Temperaturen zäh. Gleichzeitig ist es abriebfest und erreicht exzellente Reibwerte. Typische Anwendungen sind Führungen oder Gleitelemente in kryogenen Anlagen.

    Vorteile von Hochleistungs-Kunststoffen gegenüber Metallen

    Metalle verlieren bei sehr niedrigen Temperaturen häufig an Zähigkeit und können spröde brechen. Zudem leiten Kunststoffe Wärme und Strom deutlich schlechter als Metalle. In supraleitenden Systemen oder Sensoranwendungen wirkt dies gezielt isolierend und verhindert unerwünschte Energieverluste. Somit sind Kunststoffe in kryogenen Anwendungen essentiell für Dichtungs-und Führungselemente.

    Vorteile von Hochleistungs-Polymeren auf einen Blick:

    Geringes Gewicht

    Gute Gleit- und Verschleißeigenschaften

    Thermische und elektrische Isolation

    Korrisionsfreiheit

    Flexible Fertigungsverfahren wie CNC-Bearbeitung und 3D-Druck

    Hänssler: Entwicklungspartner für Kunststoffteile in kryogenen Anlagen und Systemen

    Die Auswahl des richtigen Werkstoffes ist nur ein kleiner Teil der Entwicklung und Fertigung von Kunststoffteilen für kryogene Anwendungen. Neben dem profunden Werkstoffwissen ist es auch notwendig, dass die Effekte der Tieftemperatur auf das Bauteil genau verstanden werden. Deshalb sollten Kunststoffteile für kritische Kryotechnik-Anwendungen ausschließlich von einem Kryotechnik-Experten und einem Kunststoff-Experten gemeinsam entwickelt werden.

    Hier setzt unser Entwicklungspartneransatz an: Wir verbinden unser Kunststoffwissen mit Ihrem Wissen über das geplante oder vorhandene kryotechnische System, um gemeinsam den passenden Werkstoff und die korrekte Auslegung inklusive Toleranzen festzulegen. Dann fertigen wir einen ersten Prototyp, der bei einer kritischen Anwendung unbedingt auf einem Prüfstand getestet werden muss. Bei erfolgreichen Tests können wir diesen in die Serienfertigung überführen.

    Fertigung von Tieftemperatur Komponenten

    Die Fertigung, Prüfung und das Handling von Tieftemperatur-Dichtungen und Kunststoffteilen ist sehr speziell und unterscheidet sich deutlich zu Komponenten die konventionell eingesetzt werden. Kleinste Kratzer, Maßabweichungen oder Oberflächendefekte, sorgen bei Temperaturen unter – 150 °C bereits für Leckagen und Funktionsausfälle. Hänssler hat jahrzehntelange Erfahrung im Umgang mit diesen hochwertigen Bauteilen und versteht sich als verlässlicher Partner für höchst anspruchsvolle Anwendungen. Drehteile und Frästeile aus Tieftemperaturkunstoffen sind täglich in der hochmodernen Fertigung von Hänssler anzutreffen.

    Unser Angebot:

    Häufig gestellte Fragen zu Kunststoffteilen für kryogene Anwendungen

    Welche Kunststoffe eignen sich für Temperaturen unter −200 °C?

    PTFE, PCTFE, PEEK, Polyimide und UHMW-PE behalten auch bei sehr niedrigen Temperaturen ihre grundlegenden mechanischen Eigenschaften.

    Was ist der Unterschied zwischen PTFE und PCTFE?

    PTFE ist besonders gleitfähig und chemisch beständig, neigt jedoch stärker zum Kaltfließen. PCTFE ist steifer, dimensionsstabiler und weist eine geringere Gaspermeation auf.

    Warum sind Kunststoffe in der Kryotechnik vorteilhaft?

    Sie isolieren thermisch und elektrisch, sind korrosionsfrei und ermöglichen leichte, funktionsintegrierte Bauteile. Darüber hinaus haben Sie sehr gute tribologische Eigenschaften und eignen sich im Vergleich zu metallen als Dichtungswerkstoffe.

    Wer entwickelt kundenspezifische kryogene Kunststoffteile?

    Hänssler Kunststoff- und Dichtungstechnik konstruiert und fertigt maßgeschneiderte Komponenten für kryogene Anwendungen, abgestimmt auf Medium, Temperaturbereich und Belastung. Diese können per E-Mail, Telefon oder Kontaktformular angefragt werden.

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