PA-CF, PPA-CF oder PEEK-CF?

Von links nach rechts: Bauteile in PA-CF, PPA-CF und PEEK-CF, Malping GmbH

Wann welcher carbonfaserverstärkte Kunststoff ins Bauteil gehört

Kurzantwort: PA-CF deckt den Großteil der Funktionsbauteile ab, die bei Temperaturen bis etwa 100 °C eingesetzt werden, und ist die kostengünstigste der drei Varianten. PPA-CF ist dauerhaft bei höheren Temperaturen bis rund 180 °C einsetzbar und damit das Material der Wahl für Motorräume und Antriebssysteme. PEEK-CF beginnt oberhalb davon und reicht bis 260 °C Dauergebrauchstemperatur, dazu kommen Kontakt mit aggressiven Chemikalien und Bauteile unter tribologischer Beanspruchung. Die Wahl des Materials hängt selten von der Zugfestigkeit ab, sondern von Temperatur, Medium und Budget.

PA-CF, PPA-CF oder PEEK-CF in Zahlen

Alle Werte stammen aus unseren Materialdatenblättern, gemessen an gedruckten Prüfkörpern der jeweiligen Filamenthersteller.

Kennwert	PA6-CF15	PPA-CF25	PEEK-CF30
Faseranteil	15 %	25 %	30 %
Dichte (g/cm³)	1,25	1,23	1,41
Zugfestigkeit XY (MPa)	110 (0°)	121	169
E-Modul Zug XY (MPa)	10.500 (0°)	10.220	17.310
Bruchdehnung XY (%)	0,98	1,6	3
Glasübergang Tg (°C)	68	80	143
HDT 1,8 MPa (°C)	120	126 (getempert)	k. A.
HDT 0,45 MPa (°C)	k. A.	199 (getempert)	k. A.
Max. Dauergebrauchstemperatur (°C)	ca. 100	ca. 180	260
Wasseraufnahme (%)	> 0,3 (24 h)	1,09 (ISO 62)	0,50 (ISO 62)
Prüfnorm Zug	ISO 527	ASTM D638	ISO 527

Vorab eine Anmerkung, die einen Teil der Tabelle in den richtigen Kontext rückt: Die Zugfestigkeitswerte für PPA werden nach ASTM D638 ermittelt, während sich die Werte für PA und PEEK an der Norm ISO 527 orientieren. Beide Normen sehen unterschiedliche Prüfkörpergeometrien und Prüfgeschwindigkeiten vor. Ein Vergleich bis auf den letzten Prozentpunkt ist deshalb nicht zulässig. Für die Materialauswahl genügt die Betrachtung der Größenordnung, für die Auslegung sollten Sie den Wert derjenigen Norm heranziehen, nach der die Berechnung erfolgt.

Der zweite Punkt ist der interessantere: Bei Raumtemperatur ist PA6-CF15 mit einem E-Modul von 10.500 MPa praktisch genauso steif wie PPA-CF25 mit 10.220 MPa. Betrachtet man ausschließlich die Steifigkeit, lässt sich der Einsatz des teureren Materials nicht rechtfertigen. Der entscheidende Unterschied liegt im Verhalten bei Temperaturen über 80 °C.

PA-CF: der Allrounder für alles bis 100 °C

PA6-CF15 und PA12-CF15 sind die Arbeitspferde im funktionalen FFF-Druck. Sie zeichnen sich durch hohe Steifigkeit, gute Beständigkeit gegen Öl, Fett und Kraftstoff, minimalen Verzug bei großformatigen Bauteilen sowie moderate Materialkosten aus. Für Vorrichtungen, Lehren, Halterungen, Gehäuse und Funktionsprototypen sind sie in neun von zehn Fällen die richtige Wahl.

Der limitierende Faktor ist die thermische Beständigkeit. Die Glasübergangstemperatur von PA6-CF15 liegt bei 68 °C. Oberhalb dieser Temperatur erweicht die Matrix. Während die Fasern weiterhin für strukturelle Stabilität sorgen, nimmt die Steifigkeit des Bauteils messbar ab. Die Wärmeformbeständigkeit von 120 °C bei 1,8 MPa ist ein Normwert unter definierter Biegebelastung und impliziert keine Eignung für den Dauereinsatz bei 120 °C. Wir sehen die praktische Obergrenze bei etwa 100 °C, bei nennenswerten mechanischen Belastungen darunter.

Innerhalb dieser Kategorie empfiehlt sich PA6-CF15 für Anwendungen, die maximale Steifigkeit erfordern, sowie für flächige Bauteile, die in der Ebene belastet werden. PA12-CF15 eignet sich für Leichtbaustrukturen mit einer Dichte von 1,07 g/cm³, für zähere Bauteile, Clips und Schnappverbindungen sowie für alle Anwendungen, bei denen die Feuchtigkeitsaufnahme die Maßhaltigkeit beeinträchtigt. Ein wichtiger Hinweis zu PA12-CF15: Unsere Daten basieren auf den Referenzwerten des Herstellers und nicht auf gedruckten Prüfkörpern. Die genannten HDT-Werte liegen sehr nah am Schmelzpunkt und sind bei einem gedruckten Bauteil nicht zu erwarten.

Zudem ein Hinweis zur Anisotropie. Diese betrifft alle drei Materialien, tritt hier jedoch besonders deutlich zutage: PA6-CF15 erreicht 110 MPa in Bahnrichtung (0°) und 70 MPa quer dazu. In diesem Fall hat die Bahnorientierung einen größeren Einfluss als die Materialwahl.

PPA-CF: die Automotive-Klasse zwischen 100 und 180 °C

PPA, ein teilaromatisches Polyphthalamid, schließt die Leistungslücke zwischen PA-CF und Werkstoffen wie PPS und PEEK. Zu den typischen Anwendungen im Automobilbereich zählen Motorraumkomponenten, Ladeluft- und Kühlsysteme, Sensor- und Steckverbindergehäuse, Bauteile für den Motorsport sowie Prüfvorrichtungen für temperierte Umgebungen.

PPA-CF25 weist eine Zugfestigkeit von 121 MPa, einen E-Modul von 10.220 MPa und eine Biegefestigkeit von 185 MPa auf. Das Filament besitzt eine Kern-Mantel-Struktur: Die Fasern befinden sich im Kern, während der Mantel aus faserfreiem PPA besteht. Die Wasseraufnahme nach ISO 62 beträgt 1,09 %, ein Wert, der deutlich unter dem liegt, was ein aliphatisches PA 6 bis zur Sättigung aufnimmt. Das ist ein entscheidender Vorteil bei der Fertigung maßhaltiger Bauteile für den Einsatz in feuchten Umgebungen.

Ein wesentliches Detail zu PPA findet sich nicht in der Haupttabelle, sondern in einer Fußnote: Die angegebenen Eigenschaften gelten für getemperte Bauteile. Ungetempert liegt die Wärmeformbeständigkeit von PPA-CF25 bei 97 °C (Prüfspannung 0,45 MPa), getempert steigt dieser Wert auf 199 °C. Das entspricht einem Unterschied von mehr als 100 K am selben Bauteil. Wer PPA ungetempert verbaut, hat die Mehrkosten gegenüber PA-CF bezahlt, ohne den Hochtemperaturwerkstoff zu bekommen. Umgekehrt geht die Temperung zulasten der Zähigkeit: Die Charpy-Schlagzähigkeit sinkt von 13,1 auf 7,3 kJ/m², ein Rückgang um mehr als 40 %.

Ebenso wichtig ist die Belastungshöhe. Der Wert von 199 °C gilt bei einer Prüfspannung von 0,45 MPa, während das Datenblatt für 1,8 MPa einen Wert von 126 °C ausweist. Beide Angaben sind korrekt, wobei der zur jeweiligen Belastung gehörende Wert für die Konstruktion ausschlaggebend ist. Wenn elektrische Isolierung oder eine helle Bauteilfarbe erforderlich sind, ist PPA-GF15 aus derselben Produktfamilie die geeignetere Wahl, da es eine geringere Anisotropie von 1,41 zu 1 aufweist. Für echten ESD-Schutz mit nachgewiesenem Oberflächenwiderstand bieten wir PA612-ESD an, wenngleich dieses die für PA-Werkstoffe typischen Temperaturgrenzen aufweist.

PEEK-CF: High-End, wenn die Anforderung es trägt

PEEK-CF30 weist eine Zugfestigkeit von 169 MPa und einen E-Modul von 17.310 MPa auf. Das entspricht einer Steifigkeit, die etwa 65 bis 70 % über der der beiden anderen Materialien liegt. Die Glasübergangstemperatur beträgt 143 °C, die Dauergebrauchstemperatur 260 °C und der Schmelzpunkt 343 °C. Darüber hinaus bietet das Material eine im Vergleich zu PA und PPA überlegene Chemikalienbeständigkeit, tribologisch optimierte Eigenschaften bei Gleit- und Verschleißanwendungen sowie halbisolierende elektrische Eigenschaften, ein vorteilhaftes Merkmal in ESD-sensiblen Umgebungen. Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen die Luft- und Raumfahrt, die Wehrtechnik, die Chemie- und Prozessindustrie sowie der Prüfstandsbau.

Es sind zwei Einschränkungen zu beachten. Erstens die Anisotropie: Die Werte in der XY-Ebene liegen bei 169 MPa und 17.310 MPa, während sie in Z-Richtung lediglich 71 MPa und 4.165 MPa betragen. Die Fasern verstärken die Bahn, nicht die Grenzfläche zwischen den Schichten. Bei PEEK-CF ist der Abfall der Steifigkeit quer zur Bahn mit einem Faktor von vier am stärksten ausgeprägt. Dadurch wird die Bauteilausrichtung zu einem Aspekt der Konstruktion und nicht bloß zu einer Frage der Fertigung.

Zweitens die Variante: Wenn Biokompatibilität, Konformität für den Lebensmittelkontakt gemäß Verordnung EG 1935/2004 oder maximale Zähigkeit gefordert sind, ist nicht PEEK-CF der richtige Werkstoff, sondern unverstärktes PEEK 450 natur mit einer Bruchdehnung von 19 %. Für Anwendungen, die eine erhöhte Steifigkeit bei elektrischer Isolierung erfordern, ist GF-PEEK die passende Wahl. Innerhalb der PEEK-Produktfamilie ist die Carbonfaser eine Entscheidung für Steifigkeit und Tribologie, nicht automatisch die beste PEEK-Variante.

Was das Budget betrifft: PEEK ist deutlich teurer als PPA, während PPA wiederum deutlich teurer ist als PA-CF. Bei größeren Bauteilen und Kleinserien senken wir die Kosten durch den Einsatz des FGF-Verfahrens (Fused Granulate Fabrication) auf unserem ExAM-510-System. Granulat ist deutlich kostengünstiger als Filament, und das Bauvolumen erreicht bis zu ca. 510 × 510 × 410 mm. Bauteile aus PA-CF und PPA-CF fertigen wir im FFF-Verfahren mit Abmessungen von bis zu 350 × 350 × 450 mm.

Drei Fragen, die jede Datenblattzahl entschlüsseln

1. Getempert oder ungetempert? Bei PPA entscheidet das über rund 100 K Wärmeformbeständigkeit, bei PEEK über Kristallinität, Festigkeit und Maßhaltigkeit im Betrieb.

2. Bei welchem Lastniveau? HDT bei 0,45 MPa und HDT bei 1,8 MPa liegen oft 70 K auseinander. Maßgeblich ist das Niveau, das im Bauteil tatsächlich anliegt.

3. In welcher Richtung? XY-Werte sind Bahnwerte. Die Schichtgrenze in Z trägt bei faserverstärkten Werkstoffen deutlich weniger, bei PEEK-CF nur rund 40 % der Zugfestigkeit.

   
   

Entscheidung in fünf Fragen

Frage	PA-CF	PPA-CF	PEEK-CF
Dauertemperatur im Einsatz	bis ca. 100 °C	100 bis 180 °C	bis 260 °C
Medienkontakt	Öl, Fett, Kraftstoff	zusätzlich Heißluft, Kühlmittel	zusätzlich aggressive Chemie, Dampf
Steifigkeitsbedarf	hoch (10.500 MPa)	hoch (10.220 MPa)	sehr hoch (17.310 MPa)
Gleit- und Verschleißlast	nein	bedingt	ja, tribologisch optimiert
Budgetrahmen	günstigste Klasse	mittlere Klasse	höchste Klasse, FGF entschärft

Als Faustregel gilt: mit PA-CF beginnen und nur dann auf ein höherwertiges Material wechseln, wenn eine konkrete Anforderung es erzwingt. Der häufigste Fehler bei der Materialauswahl besteht nicht darin, ein zu schwaches Material zu wählen, sondern ein zu teures. Ausgelöst wird er meist von Spitzentemperaturen, die nur wenige Minuten im Jahr auftreten, oder von Steifigkeitsanforderungen, die sich ebenso gut durch eine Versteifungsrippe am Bauteil hätten erfüllen lassen.

Was das für Ihre Anfrage bedeutet

Für eine zuverlässige Empfehlung benötigen wir drei Informationen: Dauer- und Spitzentemperaturen sowie deren jeweilige Zeitdauer, Konzentration und Temperatur des Mediums sowie die Richtung der Bauteilbelastung. Anhand dieser Angaben lässt sich die Werkstoffklasse meist schon im Telefongespräch bestimmen, einschließlich der Frage, ob im Rahmen des Fertigungsprozesses eine Temperung erforderlich ist.

Unsere Werkstoffdatenblätter für PA-CF, PPA-CF und PEEK sind auf Anfrage als PDF erhältlich und enthalten sämtliche Prüfnormen sowie Fußnoten. Bitte kontaktieren Sie uns unter info@malping.de.

Häufige Fragen

Was unterscheidet PA-CF, PPA-CF und PEEK-CF?

Alle drei sind carbonfaserverstärkte Thermoplaste für den FFF-Druck, sie unterscheiden sich in der Temperaturbeständigkeit. PA-CF ist bis etwa 100 °C einsetzbar, PPA-CF getempert bis rund 180 °C, PEEK-CF bis 260 °C Dauergebrauchstemperatur. Steifigkeit und Preis steigen in derselben Reihenfolge, der Sprung bei der Steifigkeit liegt allerdings erst zwischen PPA-CF und PEEK-CF.

Bis zu welcher Temperatur kann ich PA-CF einsetzen?

Die praktische Obergrenze für PA6-CF15 liegt bei etwa 100 °C und bei nennenswerter mechanischer Last darunter. Die Glasübergangstemperatur beträgt 68 °C, oberhalb davon erweicht die Matrix. Der Datenblattwert von 120 °C ist eine Wärmeformbeständigkeit nach Norm bei 1,8 MPa und keine Freigabe für den Dauerbetrieb.

Warum ist PPA-CF teurer als PA-CF, wenn die Steifigkeit gleich ist?

Bei Raumtemperatur ist sie das tatsächlich: 10.220 gegenüber 10.500 MPa. Der Unterschied entsteht oberhalb von 80 °C. Getempert hält PPA-CF25 eine Wärmeformbeständigkeit von 199 °C bei 0,45 MPa, PA6-CF15 ist in diesem Bereich bereits weit über seiner Glasübergangstemperatur. Wer nicht über 100 °C geht, braucht PPA nicht.

Muss PPA nach dem Druck getempert werden?

Ja, wenn die Hochtemperatureigenschaften gefordert sind. Ungetempert erreicht PPA-CF25 eine Wärmeformbeständigkeit von 97 °C bei 0,45 MPa, getempert 199 °C. Die Temperung senkt zugleich die Charpy-Schlagzähigkeit von 13,1 auf 7,3 kJ/m².

Wie stark fällt die Festigkeit bei PEEK-CF in Z-Richtung ab?

PEEK-CF30 erreicht in der XY-Ebene 169 MPa Zugfestigkeit und 17.310 MPa E-Modul, in Z-Richtung 71 MPa und 4.165 MPa. Das sind rund 40 % der Festigkeit und etwa ein Viertel der Steifigkeit. Die Bauteilausrichtung gehört deshalb in die Konstruktion und nicht in die Arbeitsvorbereitung.

Welche PEEK-Variante eignet sich für Medizintechnik oder Lebensmittelkontakt?

Unverstärktes PEEK 450 natur. Es ist biokompatibel, für Lebensmittelkontakt nach EG 1935/2004 geeignet und mit 19 % Bruchdehnung die zäheste PEEK-Variante. PEEK-CF ist die Wahl für Steifigkeit und Tribologie, GF-PEEK für elektrische Isolierung bei erhöhter Steifigkeit.

Wie groß dürfen die Bauteile sein?

PA-CF und PPA-CF fertigen wir im FFF-Verfahren bis 350 × 350 × 450 mm. PEEK fertigen wir zusätzlich im FGF-Granulatdruck auf der ExAM 510 bis etwa 510 × 510 × 410 mm, was bei größeren Bauteilen und Kleinserien die Materialkosten deutlich senkt.

Welche Angaben braucht Malping für eine Werkstoffempfehlung?

Dauer- und Spitzentemperatur mit dem jeweiligen Zeitanteil, das Medium mit Konzentration und Temperatur sowie die Lastrichtung im Bauteil. Mit diesen drei Angaben lässt sich die Werkstoffklasse in der Regel in einem Telefonat festlegen.

Autor: Dr.-Ing. Bastian Gaedike Gründer und Geschäftsführender Gesellschafter, Malping GmbH Neuhausen auf den Fildern | malping.de | #MATERIALPINGUIN