PP, PA, PBT oder PPS? Die Entscheidung fällt selten an der Zugfestigkeit. Sie fällt am Temperaturprofil, am Medienkontakt und an der Maßhaltigkeit über die Lebensdauer. Dieser Vergleich ordnet die vier Werkstoffklassen ein und nennt die Angaben, die ein Verarbeiter für eine belastbare Empfehlung braucht.

Ein Halteclip aus PP, der nach zwei Sommern im Motorraum bricht. Ein Sensorgehäuse aus PA6-GF30, das nach der Klimalagerung die Passung verliert. Beide Bauteile hatten korrekte Datenblattwerte und trotzdem den falschen Werkstoff. Bei der Werkstoffwahl für Automotive-Kunststoffteile entscheiden vier Größen über Erfolg oder Feldausfall: das Temperaturprofil über die Lebensdauer, der Medienkontakt, die geforderte Maßhaltigkeit und die Verarbeitbarkeit im Werkzeug. Die Kurzzeitfestigkeit aus dem Zugversuch steht selten im Weg.

Werkstoffwahl für Automotive-Kunststoffteile: drei Klassen, ein Auswahlraster

In der Praxis hilft eine einfache Hierarchie. Standardthermoplaste wie PP und PE decken einfache bis mittlere Anforderungen ab. Technische Thermoplaste wie PA, PBT, POM und PC übernehmen, wenn die Anforderungen an Festigkeit und Temperatur steigen und das Maß über Jahre halten muss. Hochleistungsthermoplaste wie PPS und PEEK bleiben den extremen Einsatzbedingungen vorbehalten.

Wo genau diese Klassen ihre Temperaturgrenzen haben, zieht die Literatur unterschiedlich. Für Standardkunststoffe finden Sie Angaben von 90 bis 100 °C, für technische Kunststoffe 90 bis 150 °C, für Hochleistungskunststoffe über 150 °C bis 260 °C. Andere Einteilungen setzen die Grenze bei 100 °C und ordnen PBT, PSU und PPS gemeinsam in das Fenster 100 bis 200 °C ein. PPS taucht einmal als technischer Kunststoff in diesem Fenster auf, an anderer Stelle unter den Werkstoffen für dauerhaft über 200 °C.

Dieser Widerspruch ist kein Schlampigkeitsfehler. Er entsteht, weil verschiedene Kennwerte dasselbe Wort benutzen. Hinter der Temperaturbeständigkeit stecken zwei ganz unterschiedliche Prüfungen. Wärmeformbeständigkeit nach ISO 75 misst, bei welcher Temperatur ein Biegestab unter definierter Last eine bestimmte Durchbiegung erreicht: eine Kurzzeitprüfung an einem Normstab. Der Langzeit-Temperaturindex nach UL 746B beschreibt dagegen, bei welcher Temperatur ein Werkstoff über Jahre die Hälfte einer Ausgangseigenschaft behält. Zwischen beiden Zahlen liegen bei manchen Werkstoffen 40 Kelvin.

Konsequenz für die Auslegung: Fragen Sie nicht nach „der“ Temperaturbeständigkeit, sondern nach dem Kennwert samt Prüfnorm. Und legen Sie Ihr eigenes Profil daneben: Dauertemperatur, Spitzentemperatur, Dauer der Spitze, Anzahl der Zyklen.

PP: der Mengenwerkstoff mit klarer Grenze

PP ist der am häufigsten verbaute Kunststoff im Fahrzeug. Wie groß sein Anteil genau ist, hängt von der Zählweise ab: mal mehr als 50 Prozent Gewichtsanteil an allen Kunststoffen pro Auto, mal rund ein Drittel. Rechnet man Polyurethan, PVC und Polyamide dazu, decken vier Polymere etwa 70 Prozent der in Automobilanwendungen eingesetzten Polymere ab.

Warum PP dominiert, ist schnell erzählt. Es ist günstig und fließt gut. Mit Talkum, Glasfaser oder Elastomer lässt es sich auf fast jedes Anforderungsprofil einstellen. Feuchtigkeit nimmt es praktisch nicht auf, gegen wässrige Medien und viele Reiniger ist es beständig. Typische Bauteile sind Luftführungen, Abdeckungen, Verkleidungen, Halterungen und Clips im nicht temperaturkritischen Bereich.

Seine Grenze liegt bei der Dauertemperatur und beim Kriechen. Wer einen Clip aus PP in die Nähe eines Wärmetauschers setzt und dort dauerhaft über 100 °C fährt, bekommt Relaxation: Die Rastnase verliert ihre Vorspannung, und der Clip hält irgendwann nicht mehr. Es geht ihm wie einem Gummiband, das jahrelang gespannt in der Schublade liegt. Es reißt nicht, aber es zieht auch nicht mehr. Das passiert ohne Bruch, ohne sichtbaren Schaden, oft erst nach Monaten.

Ein zweiter Punkt gewinnt gerade an Gewicht. Kommende Rezyklateinsatzquoten treffen alle Fahrzeugsegmente; mindestens 20 Prozent sollen aus Altfahrzeugen stammen. Eine Untersuchung im Auftrag der BKV GmbH zeigt, dass die verfügbaren Mengen an Rezyklat in der geforderten Qualität in der EU dafür nicht ausreichen. Selbst unter optimistischen Annahmen bleibt eine Lücke. PP-Rezyklate sind dabei deutlich leichter verfügbar als technische Thermoplaste. Wer bei einem unkritischen Bauteil zwischen PP und PA schwankt, sollte diesen Punkt mitrechnen.

PA: hohe Festigkeit, aber die Feuchte rechnet mit

Glasfaserverstärktes Polyamid ist der Arbeitswerkstoff für Strukturteile im Motorraum. PA66 hat gegenüber PA6 die höhere Dauergebrauchstemperatur und die bessere Hydrolysebeständigkeit, PA6 die bessere Fließfähigkeit und die niedrigeren Materialkosten. Eine wärmealterungsbeständige PA66-GF30-Type wird vom Hersteller ausdrücklich für Gehäuse mit hoher Steifigkeit und Maßhaltigkeit, für Lüfter und für Bauteile im Kfz-Motorraum empfohlen. Bei Batterie-Kühlsystemen setzt sich PA66-GF durch, weil dort Festigkeit und Dimensionsstabilität mit der Beständigkeit gegen Kühlmittel zusammenkommen.

Seine Schwachstelle steht im Datenblatt und wird routinemäßig überlesen. Für eine flammgeschützte PA6-GF30-Type sind zwei Werte angegeben: Wasseraufnahme 5,6 Prozent und Feuchtigkeitsaufnahme 1,75 Prozent. Der erste Wert gilt für Sättigung in Wasser, der zweite für Normklima. Beides sind keine Nebengrößen. Polyamid quillt mit der Feuchte, und zwar in alle Richtungen. Ein Gehäuse verhält sich darin wie eine Holztür: Im nassen November klemmt sie im Rahmen, im trockenen Februar hat sie Luft.

Rechnen Sie das an Ihrem Bauteil durch, bevor Sie eine Passung vergeben. Ein Gehäuse, das trocken gespritzt und trocken gemessen wurde, sitzt nach der Konditionierung anders. Genau dafür existiert die beschleunigte Konditionierung nach ISO 1110 bei 70 °C und 62 Prozent relativer Feuchte: Bemusterung und Feldzustand werden damit vergleichbar. Wer bei PA auf die Konditionierung verzichtet, misst einen Zustand, den das Bauteil im Fahrzeug nie wieder erreicht.

Ein dritter Punkt betrifft die Verarbeitung: Für eine PA66-GF30-Type liegt der maximal zulässige Wassergehalt vor der Verarbeitung bei 0,15 Prozent. Wird feucht verarbeitet, baut die Schmelze ab. Sie sehen das nicht am Teil, sondern erst im Zugversuch oder im Feld.

PBT: Maßhaltigkeit und Flammschutz für die Elektrik

PBT verbindet hohe mechanische Festigkeit mit chemischer Beständigkeit und thermischer Stabilität. Im Spritzguss für Automobil- und Elektronikanwendungen ist es deshalb gesetzt. Bei Steckverbindern und flammgeschützten Bauteilen dominieren PBT-GF mit UL-94-Klasse V-0 und PA66-GF V-0.

Sein Vorteil gegenüber PA liegt in der geringen Feuchteaufnahme und der daraus folgenden Maßkonstanz. Wo eine Steckergeometrie über Jahre ihre Kontaktkräfte halten muss, ist das entscheidend. PBT kristallisiert außerdem schnell, was kurze Zykluszeiten erlaubt.

Der Nachteil: PBT ist hydrolyseempfindlich. Dauerhafter Kontakt mit heißem Wasser oder Wasser-Glykol-Gemischen baut die Molekülketten ab. Für Bauteile im Kühlkreislauf ist deshalb im Regelfall PA66-GF die bessere Wahl, für trockene Elektrikumgebungen PBT-GF.

PPS: wenn 180 °C dauerhaft anliegen

PPS hält hohe Temperaturen aus, widersteht Chemikalien, nimmt kaum Feuchtigkeit auf und ist von Haus aus flammhemmend. Bei Elektromotoren und Leistungselektronik ist eine Isolierung bis 180 °C gefordert; hier kommt unter anderem PPS-GF zum Einsatz.

Damit verschiebt die Elektrifizierung das Anforderungsprofil deutlich. Nicht mehr der Verbrennungsmotor setzt die Temperaturgrenze, sondern Leistungselektronik und E-Motor. Wo früher PA66-GF ausreichte, steht heute die Frage nach PPS-GF oder einem Polyphthalamid, das die Lücke zwischen beiden schließt und zur Metallsubstitution eingesetzt wird.

Der Preis für PPS steht nicht allein auf der Granulatrechnung. Glasfaserverstärktes PPS ist abrasiv: Die Schmelze wirkt im Anguss wie eine dünne Schleifpaste. Werkzeugstähle verschleißen schneller, ebenso Angusssysteme und Heißkanaldüsen. Die Werkzeugtemperaturen liegen hoch, und die Auslegung der Temperierung wird zum eigenen Thema. Wer von PBT auf PPS wechselt, tauscht mehr als das Granulat. Er kalkuliert ein anderes Werkzeug. Dieselbe Logik gilt für PEEK und PSU: Beide sind in Sonderfällen richtig, ziehen aber beim Material ebenso wie beim Werkzeug und im Prozess Kosten nach sich, die eine ehrliche Gegenrechnung verdienen.

Die vier Werkstoffe nebeneinander

Orientierung zur Werkstoffwahl für Automotive-Funktionsteile

Werkstoff	Temperatureinordnung	Typische Bauteile	Grenzen
PP	Standardkunststoff, je nach Quelle 90 bis 100 °C	Luftführungen, Abdeckungen, Halterungen, Clips im kühlen Bereich	Kriechen unter Dauerlast, begrenzte Steifigkeit, Temperaturgrenze
PA6 / PA66, glasfaserverstärkt	technischer Kunststoff, Bereich 90 bis 150 °C	Gehäuse hoher Steifigkeit, Lüfter, Motorraumbauteile, Batterie-Kühlsysteme	Feuchteaufnahme und Maßänderung; Trocknung vor Verarbeitung zwingend
PBT, glasfaserverstärkt	technischer Kunststoff, in einer Quelle im Fenster 100 bis 200 °C geführt	Steckverbinder und flammgeschützte Bauteile in UL 94 V-0	Hydrolyse bei heißem Wasser und Glykolgemischen
PPS, glasfaserverstärkt	je nach Quelle 100 bis 200 °C oder dauerhaft über 200 °C	Isolierteile für E-Motor und Leistungselektronik bis 180 °C	abrasiv, hohe Werkzeugtemperaturen, Material- und Werkzeugkosten

Quelle: Werkstoffklassen und Temperaturangaben nach den in den Quellen genannten Übersichten; Anwendungszuordnungen nach Angaben aus Werkstoffdatenblättern und Fachbeiträgen.

Warum das Datenblatt nicht das Bauteil beschreibt

Alle Kennwerte in den Datenblättern stammen von Normprobekörpern nach dem Katalog der ISO 10350. Ihr Bauteil ist kein Normstab. Bei glasfaserverstärkten Typen richten sich die Fasern in Fließrichtung aus. Längs zur Fließrichtung ist das Teil steifer und schwindet weniger als quer dazu. Das Bauteil bekommt damit eine Maserung wie ein Brett: längs tragfähig, quer nachgiebig. Daraus entsteht Verzug, nicht als Fehler, sondern als physikalische Folge der Faserorientierung.

An Bindenähten treffen zwei Schmelzefronten aufeinander, und die Fasern liegen dort quer zur Zugrichtung. Gegenüber dem Datenblattwert fällt die Festigkeit deutlich ab. Wenn die Bindenaht zufällig in der Rastnase eines Clips oder in der Dichtlinie eines Gehäuses landet, haben Sie eine Sollbruchstelle konstruiert, ohne es zu wollen.

Deshalb gehört die Füllsimulation vor die Werkzeugfreigabe, nicht danach. Sie zeigt, wo die Nähte liegen, wie die Fasern orientiert sind und wo der Verzug entsteht. Am Bildschirm verschieben Sie die Anbindungslage mit ein paar Mausklicks. Im gehärteten Werkzeug kostet dieselbe Änderung Wochen. Wie das bei JüWe von der Konstruktion über die Simulation bis in den eigenen Werkzeugbau zusammenläuft, lässt sich für das konkrete Bauteil durchsprechen.

Was ein Verarbeiter für eine belastbare Empfehlung braucht

Eine Werkstoffempfehlung ohne Randbedingungen ist geraten. Diese Angaben sollten in der Anfrage stehen:

• Temperaturprofil: Dauertemperatur, Spitzentemperatur, Dauer und Häufigkeit der Spitzen
• Medienkontakt: Kühlmittel, Öl, Kraftstoff, Reiniger, Kondensat, jeweils mit Temperatur und Kontaktdauer
• Geforderte Lebensdauer und Belastungsart: Dauerlast oder Wechsellast, dazu einmalige Montagekräfte
• Funktionskritische Maße mit Toleranz und Bezugssystem, nicht nur eine Allgemeintoleranz
• Brandschutz- und Elektroanforderungen: UL-94-Klasse und Kriechstromfestigkeit, halogenfrei ja oder nein
• Sichtflächen, Farbe, Oberfläche und Kennzeichnungsanforderung
• Stückzahl pro Jahr und geplante Laufzeit; davon hängt ab, ob ein Aluminium- oder ein Stahlwerkzeug sinnvoll ist
• Vorgaben zu Rezyklatanteil und zur Werkstofffreigabe des Kunden

 

Fehlt die Hälfte davon, beginnt jede Empfehlung mit einer Annahme. Annahmen halten bis zur Erprobung.

Der Punkt, der vor dem Werkzeugbau geklärt gehört

Legen Sie das Temperatur- und Medienprofil fest, bevor Sie den Werkstoff wählen, und den Werkstoff, bevor Sie das Werkzeug konstruieren. Ein Wechsel von PA auf PPS nach der Werkzeugfreigabe ist selten ein Granulatwechsel. Er betrifft Schwindung, Temperierung, Stahlauswahl und Bemusterung gleichzeitig. Wer diese Reihenfolge einhält, spart sich die teuerste Schleife im Projekt.

JüWe verarbeitet PP, PA, PBT und PPS ebenso wie glasfaserverstärkte Typen und Hochtemperatur-Kunststoffe, von Halteclips und Luftführungsteilen über Sensor- und Elektronikgehäuse bis zu montierten Baugruppen. Wenn Sie ein konkretes Bauteil auf dem Tisch haben und die Werkstofffrage noch offen ist, sprechen Sie uns an, am besten mit Temperaturprofil und Zeichnung.

Häufige Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Dauergebrauchstemperatur und HDT?

Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur HDT nach ISO 75 ist eine Kurzzeitprüfung: Ein Biegestab wird unter definierter Last erwärmt, bis er eine festgelegte Durchbiegung erreicht. Die Dauergebrauchstemperatur beschreibt dagegen, welche Temperatur der Werkstoff über Jahre erträgt, ohne wesentliche Eigenschaften zu verlieren. Beide Werte können weit auseinanderliegen, deshalb sollten Sie in Lastenheft und Anfrage immer den Kennwert samt Prüfnorm nennen.

Wann reicht PA6 und wann brauche ich PA66?

PA66 hat die höhere Dauergebrauchstemperatur und die bessere Hydrolysebeständigkeit, PA6 fließt besser und ist günstiger. Für Bauteile im warmen Motorraum, für Lüfter und für Komponenten mit dauerhaftem Kontakt zu heißen wässrigen Medien ist PA66 die sicherere Wahl. Bei dünnwandigen, geometrisch anspruchsvollen Teilen mit moderater Temperaturbelastung kann PA6 die bessere Verarbeitbarkeit ausspielen.

Muss ich Polyamid-Bauteile vor der Maßprüfung konditionieren?

Ja, sonst messen Sie einen Zustand, den das Bauteil im Feld nie wieder hat. Polyamid nimmt Feuchtigkeit auf und quillt dabei. Die beschleunigte Konditionierung nach ISO 1110 bei 70 °C und 62 Prozent relativer Feuchte stellt einen praxisnahen Gleichgewichtszustand her, sodass Erstbemusterung und späterer Feldzustand vergleichbar werden.

Kann ich am bestehenden Werkzeug einfach den Werkstoff wechseln?

In der Regel nicht ohne Prüfung. Unterschiedliche Werkstoffe haben unterschiedliche Schwindung, andere Werkzeug- und Massetemperaturen und unterschiedliches Fließverhalten. Bei einem Wechsel auf glasfaserverstärkte oder Hochtemperaturtypen kommen Abrasivität und Anforderungen an Stahlauswahl und Temperierung hinzu. Planen Sie den Wechsel wie eine Änderung mit anschließender Neubemusterung, nicht wie einen Materialtausch.

Welche Rolle spielen Rezyklate bei der Werkstoffwahl?

Kommende Einsatzquoten sehen vor, dass ein Teil der verbauten Kunststoffe aus Altfahrzeugen stammt. Eine Untersuchung im Auftrag der BKV GmbH kommt zu dem Ergebnis, dass die verfügbaren Mengen an Rezyklat in der geforderten Qualität in der EU dafür nicht ausreichen. Da PP-Rezyklate leichter verfügbar sind als technische Thermoplaste, kann das bei unkritischen Bauteilen für PP sprechen. Den aktuellen Rechtsstand sollten Sie für Ihr Projekt gesondert prüfen.