PEEK-Verbindungen meistern: Ein Leitfaden für Ingenieure zum Schweißen von Hochleistungspolymeren

Polyetheretherketon (PEEK) gilt weithin als Spitzenprodukt unter den Thermoplasten. In der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizintechnik wird es aufgrund seiner außergewöhnlichen mechanischen Festigkeit und chemischen Beständigkeit geschätzt und genießt hohes Ansehen – und einen entsprechend hohen Preis. Doch gerade die Eigenschaften, die PEEK so begehrenswert machen, wie sein hoher Schmelzpunkt und seine teilkristalline Struktur, stellen das Schweißen vor eine große Herausforderung.

Für Fertigungsingenieure ist das Fügen von PEEK mehr als nur Wärmezufuhr; es erfordert präzises Wärmemanagement. Dieser Leitfaden geht über die Datenblätter hinaus und beleuchtet die praktischen Aspekte des Schweißens dieses Hochleistungspolymers.

Das Ritual vor dem Schweißen: Trocken oder Misserfolg

Schon bevor man überhaupt mit dem Schweißen beginnt, entscheidet sich oft schon im Ofen die Entscheidung. PEEK ist hygroskopisch. Obwohl das Ausgangsmaterial aufgrund der Eigenschaften von PEEK die Notwendigkeit spezieller Techniken verdeutlicht, zeigt die praktische Erfahrung, dass Feuchtigkeit ist der stille Killer.. Beim Verschweißen von ungetrocknetem PEEK kommt es an der Grenzfläche zu einer Dampfausdehnung, wodurch Hohlräume entstehen, die die hermetische Abdichtung und die strukturelle Integrität beeinträchtigen.

• Profi-Tipp: Ein obligatorischer Trocknungszyklus (typischerweise 150 °C für 3–4 Stunden) ist nicht optional; er ist Voraussetzung für jede strukturelle Bindung.

Die richtige Waffe auswählen: Ein Prozessvergleich

Obwohl es vier Hauptkategorien von Erwärmungsmethoden gibt, hängt die Wahl in der Regel von der Bauteilgeometrie und dem Produktionsvolumen ab.

1. Ultraschallschweißen: Geschwindigkeit trifft auf Präzision

Für kleine Bauteile in großen Stückzahlen ist Ultraschallschweißen der Industriestandard. Das Verfahren nutzt hochfrequente Vibrationen (20–120 kHz), um Reibungswärme zu erzeugen.

PEEK verhält sich jedoch anders als amorphe Kunststoffe wie ABS. Aufgrund seines hohen Schmelzpunktes benötigt PEEK einen höheren Energieaufwand.

• Die Designfalle: Standardmäßige dreieckige Energieleiter versagen oft, weil sie vor dem Schmelzen zerdrückt werden.
• Die Lösung: Bei teilkristallinen Materialien wie PEEK, Scherfuge Das Design ist überlegen. Es nutzt Interferenz zur Wärmeerzeugung und ermöglicht so einen kontrollierten Schmelzfluss.
• Nahfeldregel: Bei PEEK ist der Energieverlust erheblich. Daher sollte die Schweißnaht stets im Nahfeld ausgelegt sein, wobei der Abstand des Schweißhorns zur Fügefläche weniger als 6 mm betragen sollte.

2. Laser-Durchstrahlungsschweißen: Der sauberste Schnitt

Wenn die Anwendung eine partikelfreie Entstehung erfordert – wie beispielsweise in der Mikrofluidik oder bei implantierbaren medizinischen Geräten – ist Laserschweißen die Methode der Wahl.

Dieses Verfahren basiert auf einer “Licht-auf-Dunkel”-Anordnung: Ein laserdurchlässiger oberer Teil lässt den Strahl hindurch und erhitzt einen absorbierenden unteren Teil (der oft Ruß enthält).

• Die Herausforderung: Die natürliche Kristallinität von PEEK kann Laserlicht streuen und dadurch die Lichtdurchlässigkeit verringern.
• Kritischer Erfolgsfaktor: Im Gegensatz zu anderen Verfahren erfordert das Laserschweißen Nullspalt-Befestigung. Bei einem Luftspalt kann die Wärme nicht von der absorbierenden Schicht zur durchlässigen Schicht abgeleitet werden, was zu einer Oberflächenbeeinträchtigung anstatt zu einer Verbindung führt.

3. Reibung und Vibration: Die Schwerlastheber

Bei großen Strukturbauteilen wie Krümmern in der Automobilindustrie ist das Linearvibrationsschweißen das Standardverfahren. Durch das Aneinanderreiben der Teile bei niedrigen Frequenzen (100–500 Hz) unter hohem Druck wird Wärme über große Oberflächen erzeugt.

• Der Kompromiss: Das Verfahren ist zwar effektiv, erzeugt aber einen deutlichen Blitz und eine breite Wärmeeinflusszone. Es ist robust, aber nicht ansehnlich.

4. Thermische und elektromagnetische: Die Spezialwerkzeuge

• Heißplattenschweißen: Die altbewährte Methode. Sie zeichnet sich durch ihre Anpassungsfähigkeit aus, ist aber langsam. Bei PEEK sind PTFE-beschichtete Platten unerlässlich, um ein Anhaften des geschmolzenen Materials zu verhindern.
• Induktion und Widerstand: Diese Methoden nutzen implantierte leitfähige Materialien zur Wärmeerzeugung. Obwohl sie komplexe geometrische Probleme lösen, wirkt das verbleibende Implantat als Fremdkörper, was für bestimmte medizinische Anwendungen oder Anwendungen mit hohen Reinheitsgraden ein Ausschlusskriterium sein kann.

5. Heißgasschweißen: Die manuelle Kunst

Diese Technik, die häufig für Prototypen oder Reparaturen eingesetzt wird, verwendet einen Heißluftstrom und einen Schweißdraht.

• Das entscheidende Detail: Die schematische Darstellung zeigt zwar “Heißluft”, aber die Verwendung von normaler Luft oxidiert PEEK, wodurch es braun und spröde wird. Stickstoffgas Es wird dringend empfohlen, das Schmelzbad abzuschirmen und die Materialeigenschaften zu erhalten.

Der letzte Schritt: Glühen

Das erfolgreiche Verschmelzen der Teile ist nur die halbe Miete. Aufgrund seiner teilkristallinen Struktur kann schnelles Abkühlen zu Eigenspannungen führen und eine amorphe, schwächere Verbindung zur Folge haben.

Um sicherzustellen, dass das Bauteil die im Datenblatt versprochene chemische Beständigkeit und Festigkeit aufweist, wird nach dem Schweißen eine Nachschweißung durchgeführt. Glühprozess ist von entscheidender Bedeutung. Dadurch wird die Kristallinität wiederhergestellt und innere Spannungen abgebaut, wodurch sichergestellt wird, dass das Bauteil unter Last funktioniert.

Abschluss

Beim Schweißen von PEEK geht es weniger darum, eine Methode zu finden, die einfach “funktioniert”, sondern vielmehr darum, einen kontrollierbaren Prozess zu entwickeln. Ob man sich für die Geschwindigkeit des Ultraschalls oder die Präzision des Lasers entscheidet – der Erfolg liegt im Detail: Das Material muss trocken sein, die korrekte Nahtgeometrie muss gestaltet und die thermische Vorgeschichte des Polymers berücksichtigt werden.