Alles, was Sie über UHMW wissen müssen: Leitfaden zu Bearbeitungsmaterialien

UHMW (Ultrahochmolekulares Polyethylen) hat in letzter Zeit aufgrund seiner Festigkeit, Haltbarkeit und hohen Leistungsfähigkeit in der Zerspanung große Aufmerksamkeit erlangt. Um den größtmöglichen Nutzen daraus zu ziehen, ist es wichtig, alle wesentlichen Details zur CNC-Bearbeitung, den Einschränkungen und Anwendungen zu kennen. Dieser Artikel gibt Ihnen tiefe und klare Einblicke in die Kerneigenschaften der UHMW-Bearbeitung.

Was ist UHMW (Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht)?

UHMW ist ein synthetisches thermoplastisches Harz. Es besitzt ein sehr hohes Molekulargewicht, das seine Abriebfestigkeit, Selbstschmierung und Schlagfestigkeit erhöht und eine geringe Reibung aufweist. Es ist ein idealer technischer Kunststoff für Maschinenteile, Lebensmittel und medizinische Geräte.

UHMW Erklären

UHMW ist eine Polyethylenart. Es verfügt über lange Molekülketten, die seine mechanischen Eigenschaften und chemische Stabilität im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen wie HDPE verbessern. Seine Antihafteigenschaften sind für viele industrielle Anwendungen wie Fördersysteme und Schneidebretter nützlich.

Wie lautet der gebräuchliche Name für UHMW?

Die gebräuchlichen Namen für UHMW-Kunststoff sind: UHMW (Ultrahochmolekulargewicht-Polyethylen), UHMW-PE (UHMW-Polyethylen-Kunststoffe), U-PE (Kürzere Version des vollständigen Namens)

UHMW und Polyurethan

UHMW und Polyurethan sind zwei verschiedene Polymerklassen. Beide haben unterschiedliche chemische Strukturen und Eigenschaften. Polyurethan entsteht durch die Reaktion von Isocyanaten mit Polyolen.

Was ist UHMW-PE?

UHMW-PE ist ein UHMW-Polyethylen-Kunststoff mit ultrahohem Molekulargewicht. Es zeichnet sich durch geringe Reibung, hohe Verschleißfestigkeit, Schlagfestigkeit und chemische Beständigkeit aus. Es wird in Industrie- und Lebensmittelgeräten, Schutzpanzerungen und für medizinische Geräte verwendet.

Eigenschaften und Leistung des UHMW-Materials

UHMW-Kunststoff verfügt über eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, die seinen industriellen Wert steigern.

Tribologische Eigenschaften

Einige wichtige tribologische Eigenschaften sind:

• Niedriger Reibungskoeffizient: Es weist im Vergleich zu vielen Kunststoffen einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten auf. Der statische Reibungskoeffizient beträgt 0.15–0.20 und der dynamische Reibungskoeffizient 0.10–0.20 gegenüber Stahl.
• Selbstschmierend: Es ist von Natur aus glatt und benötigt keine Schmierung.
• Hohe Abriebfestigkeit: Es ist 15-mal abriebfester als Kohlenstoffstahl.
• Geringerer Verschleiß: Bei Gleitanwendungen gegen Metalle weist es sehr geringe Verschleißraten auf.

Physikalische Eigenschaften

Die Eigenschaften von UHMW-Polyethylen sind:

1. Die Dichte von UHMW beträgt 0.93–0.97 g/cm³
2. Die Farbe von UHMW ist natürlich, die ungefüllte Form ist cremefarben.
3. Der Schmelzpunkt von UHMW liegt bei 135–145 °C.
4. Die Feuchtigkeitsaufnahme von UHMW ist extrem gering und kann in nassen oder unter Wasser liegenden Umgebungen verwendet werden.

Mechanische Eigenschaften

Die Eigenschaften von UHMW-Polyethylen sind:

• Schlagfestigkeit: ist viel höher als bei jedem anderen Thermoplasten.
• Zugfestigkeit: beträgt 7.0 ksi (48 MPa) aufgrund langer Polymerketten.
• Dehnung: ist hoch, bevor es bricht, was auch die Zähigkeit und Duktilität erhöht.
• Druckfestigkeit: ist gut, zeigt aber Kriechen unter Dauerbelastung

Thermische Eigenschaften

Die thermischen Eigenschaften von UHMW sind:

• Maximale Dauerbetriebstemperatur: 80–82 °C (176–180 °F).
• Kryogene Eigenschaften: UHMW funktioniert gut bei extrem niedrigen Temperaturen wie -150 °C.
• Wärmeausdehnung: ist relativ hoch, was zu Maßänderungen führt.

UHMW vs. HDPE: Wann verwenden?

UHMW-Kunststoff eignet sich am besten für industrielle Anwendungen mit hoher Beanspruchung wie hohem Verschleiß, Reibung und Stößen. HDPE ist kostengünstig und kann in allgemeinen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Zähigkeit, Steifigkeit und Formbarkeit im Gleichgewicht sind.

Unterschiede in den Materialeigenschaften

UHMW-Polyethylen-Kunststoffe weisen eine höhere Verschleißfestigkeit und Abriebfestigkeit auf und haben einen extrem niedrigen Reibungskoeffizienten. Sie zeichnen sich außerdem durch hohe Schlagfestigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit aus. Allerdings sind sie teuer und lassen sich nur schwer bearbeiten.

HDPE weist eine mäßige Verschleißfestigkeit, Abriebfestigkeit und Schlagfestigkeit auf. Es ist weniger steif als UHMW, aber kostengünstiger und leichter zu bearbeiten.

Was ist stärker, HDPE oder UHMW?

UHMW weist eine höhere Festigkeit als HDPE auf. Es verfügt außerdem über eine bessere Schlagfestigkeit und selbstschmierende Eigenschaften.

CNC-Bearbeitbarkeit

HDPE lässt sich leichter bearbeiten und weist eine bessere Toleranz auf. Es hat ein geringeres Molekulargewicht und eine geringere Dichte, wodurch bei der Bearbeitung weniger Reibung und Wärme entsteht.

UHMW weist eine höhere Zähigkeit und Verschleißfestigkeit auf und lässt sich nur schwer bearbeiten. Es bildet faserige und gummiartige Späne, die zu Werkzeugverschleiß führen.

Anwendungen für Umwelt und Belastung

UHMW wird aufgrund seiner hohen mechanischen Belastbarkeit und Reibungseigenschaften verwendet. Einige gängige Anwendungen sind:

1. Industrie: Förderbänder, Kettenführungen und Schutzvorrichtungen.
2. Lebensmittelindustrie: Schneidebretter und Teile für Lebensmittelmaschinen.
3. Marine: Dockkomponenten, Schiffspfähle und Schneepflugblätter.

HDPE wird aufgrund seiner hohen chemischen Beständigkeit und Haltbarkeit verwendet. Anwendungsgebiete sind:

1. Umwelt: Chemikalientanks, Wassertanks und Barrieren zum Schutz des Bodens.
2. Landwirtschaft: Bewässerungsrohre, Gewächshausfolien und Lagerbehälter.

Wofür wird UHMW verwendet?

UHMW wird aufgrund seiner Verschleißfestigkeit in Lagern, Kettenrädern und Verpackungskomponenten in der Lebensmittelverarbeitung eingesetzt. Es wird auch in Schutzausrüstungen und Outdoor-Anwendungen wie Docks oder im Himmel verwendet.

Wofür wird HDPE verwendet?

HDPE wird in Tanks und Behältern sowie in Rohrleitungen und Schläuchen in Bewässerungssystemen und Abflussrohren verwendet.

UHMW vs. HDPE: Wer ist günstiger?

HDPE ist im Materialpreis günstiger als UHMW. UHMW benötigt oft längere Vorlaufzeiten und ist schwieriger zu bearbeiten als HDPE. Der Bearbeitungsaufwand ist bei UHMW höher.

UHMW vs. Nylon vs. Acetal (Delrin)

UHMW ist ein Thermoplast, während Nylon zur Familie der synthetischen Polyamide gehört. Acetal ist ein technischer Kunststoff und allgemein unter dem Markennamen Delrin bekannt. Sie sind alle unterschiedlich und verfügen über einzigartige Eigenschaften hinsichtlich der Bearbeitung und mechanischen Festigkeit.

1. Bearbeitbarkeit

Acetal weist von allen drei Werkstoffen die besten Bearbeitungseigenschaften auf. Es bietet Präzision und Genauigkeit bei der Teileherstellung. Nylon ist ebenfalls gut bearbeitbar, neigt aber zum Verziehen. UHMW ist aufgrund seiner hohen natürlichen Zähigkeit sehr schwer zu bearbeiten.

2. Stärke und Steifheit

Nylon hat eine höhere Zugfestigkeit und Steifigkeit als UHMW. Acetal hat eine höhere Steifigkeit und Festigkeit als Nylon. UHMW hat eine höhere Schlagfestigkeit, aber eine geringere Steifigkeit und Festigkeit als Nylon und Acetal.

3. Verschleißfestigkeit und Reibung

UHMW weist eine höhere Verschleißfestigkeit und einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten als Acetal und Nylon auf. Acetal und Nylon weisen ebenfalls eine gute Verschleißfestigkeit auf. Nylon weist jedoch einen höheren Reibungskoeffizienten als Acetal und UHMW auf.

4. Dimensionsstabilität

Acetal weist aufgrund seiner geringen Feuchtigkeitsaufnahme eine höhere Dimensionsstabilität auf. Bei einer Luftfeuchtigkeit von 0.2 % nimmt es im Gleichgewicht nur 50 Gewichtsprozent Feuchtigkeit auf. Nylon ist hygroskopisch und nimmt 8 % mehr Feuchtigkeit auf. UHMW weist wie Acetal eine sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme auf und weist ebenfalls eine gute Dimensionsstabilität auf.

Was sind gängige UHMW-Sorten?

Einige der gängigen UHMW-Sorten sind:

Neuware vs. wiederaufbereitetes UHMW

Virgin UHMW wird aus 100 % reinem und neuem Harz hergestellt. Es ist ungefüllt und weist eine hohe Schlagfestigkeit, Abriebfestigkeit und geringe Reibung auf, ist jedoch teuer.

Wiederaufbereitetes UHMW wird aus einer Mischung aus recycelten und neuen Materialien hergestellt. Es enthält im Vergleich zur neuen Qualität etwas weniger, aber die Schlag- und Abriebfestigkeit ist hoch.

Geschmierte und gefüllte Sorten

Geschmierte und gefüllte UHMW-Typen enthalten Additive, um Eigenschaften wie geringe Reibung, hohe Härte und Tragfähigkeit zu verbessern. PTFE-gefülltes UHMW wird aufgrund seines niedrigeren Reibungskoeffizienten und seiner besseren Gleiteigenschaften verwendet. Eine ölgefüllte Variante ist selbstschmierend und verteilt das Schmiermittel während der Herstellung im gesamten Material. Und glasfaserverstärktes UHMW weist eine höhere Härte und einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf.

Andere UHMW-Sorten

Es gibt auch andere UHMW-Typen, die für spezielle Anwendungen hergestellt werden. Dazu gehören antistatische und leitfähige Typen, UV-stabilisierte Typen, Hochtemperaturtypen sowie metall- und röntgendetektierbare Typen.

Designrichtlinien für UHMW-Teile

Bei der Konstruktion von UHMW-Teilen müssen einige Dinge beachtet werden, wie etwa Materialeigenschaften, Kosteneffizienz, Präzision und Leistung der bearbeiteten Teile.

UHMW-Buchsen

Verwenden Sie bei der Konstruktion von Buchsen Standardwinkel (45°), die mit Kraft für Faseneintritte auf die Gesamtheit erhöht werden. Verwenden Sie für Rundungen Standardradien, um Werkzeugwechsel und Programmierzeit zu reduzieren. Vermeiden Sie komplexe, kleine, tiefe und inkonsistente Merkmale, um Kosten und Schäden bei der Montage zu reduzieren.

UHMW-Kettenführungen/Führungsschienen

Verwenden Sie an allen Ein- und Übergängen Einführschrägen für eine reibungslose Kettenführung. Verschleißflächen sollten glatt sein und kleine Radien anstelle einer echten Rundung in der Profilgeometrie aufweisen. Das Anfasen von Befestigungslöchern und -schlitzen erleichtert die Montage.

UHMW-Verschleißstreifen/Gleitblöcke

Fasen an den Vorderkanten der Gleitleisten sorgen für ein reibungsloses Gleiten der Produkte. Fasen an den Befestigungslöchern erleichtern die Ausrichtung bei der Montage. Mit Kettenführungen können komplexe Profile bearbeitet werden. Strangpressprofile sind eine kostengünstige Option für einfachere Formen.

Tipps zum Design von UHMW-Kunststoff

UHMW-Kunststoffe haben einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und sind mit herkömmlichen Verfahren schwer zu formen. Daher sind einige besondere Designüberlegungen erforderlich.

• Designzwecke:

UHMW weist eine hohe Verschleiß- und Abriebfestigkeit sowie geringe Reibung und Geräuschdämmung auf. Es verfügt über selbstschmierende Eigenschaften und kann daher in Auskleidungen für Rutschen und Trichter, Förderkomponenten, Verschleißstreifen, Lagern, Kettenrädern und Führungen eingesetzt werden. Es ist außerdem sehr schlagfest und übersteht wiederholte Stöße mit hoher Kraft. Es ist nicht für Hochtemperaturanwendungen geeignet.

• Toleranz:

Zu den Eigenschaften von UHMW gehören viskoelastische Eigenschaften und eine hohe Wärmeausdehnung. Enge Toleranzen und eine höhere Wärmeausdehnung sind schwierig einzuhalten. Die Maßstabilität ist bei der Bearbeitung aufgrund der weniger engen Toleranzen geringer. Daher muss eine realistische Bearbeitung berücksichtigt werden, und die Teile müssen zunächst grob bearbeitet und anschließend geglüht werden.

• Funktionsdesign:

Die Konstruktion der Elemente muss den Materialeigenschaften und Fertigungsbeschränkungen entsprechen. Beispielsweise muss die Wandstärke konstant sein, um Verformungen zu vermeiden. Rippen sorgen für Festigkeit und Steifigkeit. Vermeiden Sie scharfe Innenecken, um Spannungskonzentrationen vorzubeugen. Verwenden Sie an vertikalen Wänden Formschrägen (1–3°), um ein reibungsloses Entformen zu gewährleisten.

• Oberflächenfinish:

Die Oberflächengüte hängt von der Anwendung ab und muss kostengünstig sein. Feine Oberflächengüten sind bei UHMW schwierig zu erreichen. Für ein gutes Finish sollten Sie jedoch eine niedrige Schnittgeschwindigkeit und einen hohen Vorschub verwenden. Verwenden Sie harte Werkzeuge wie Wolframkarbid, um ein besseres Finish zu erzielen.

Bearbeitung von UHMW: CNC-Schritte und Tipps

UHMW ist bearbeitbar. Seine thermischen Eigenschaften erfordern jedoch eine sorgfältige Kontrolle, um Verformungen zu vermeiden. CNC-Bearbeitung wie CNC-Drehen und -Fräsen sind gängige und effektive Methoden für die UHMW-Verarbeitung.

Ist UHMW leicht zu bearbeiten?

Ja, UHMW lässt sich leicht bearbeiten. Es bringt jedoch auch einige Herausforderungen mit sich, die eine spezielle Technik erfordern. Beispielsweise führen die hohe Wärmeausdehnung und die geringe Wärmeleitfähigkeit dazu, dass sich das Material ausdehnt und Dimensionsinstabilitäten verursacht. Bei der CNC-Bearbeitung entstehen lange und ununterbrochene Späne, die sich um die Werkzeuge wickeln können.

Wie schneidet man UHMW-Kunststoff?

Um gerade oder gebogene Schnitte in UHMW-Platten zu schneiden, verwenden Sie:

1. Hartmetallblätter mit niedrigem Zahnspanwinkel. Feine Blätter erzeugen glatte Schnitte.
2. Eine Bandsäge ist eine gute Option, um eine kontinuierliche Bewegung des Sägeblatts zu gewährleisten und Wärme abzuleiten.
3. Fräser mit Hartmetallspitze eignen sich gut zum Formen und Trimmen.

Wie wird UHMW-Kunststoff gedreht?

Verwenden Sie zum CNC-Drehen von UHMW-Kunststoff:

1. Form HSS-Werkzeuge mit großem Eckenradius und positivem Spanwinkel
2. niedrige Drehzahl und hoher Vorschub für starke und saubere Späne
3. Vakuum, um die faserigen Späne vom Werkzeug und dem Teil wegzuziehen
4. Grobdurchgang für enge Toleranzen und Stabilisierung des Teils vor der Endbearbeitung

Wie fräst man UHMW-Kunststoff?

Zum Fräsen des UHMW-Kunststoffs verwenden Sie:

1. Scharfer Hartmetall-Schaftfräser, der für Kunststoffe konzipiert ist
2. Gleichlauffrästechnik, bei der sich der Fräser in Vorschubrichtung dreht, um die Gratbildung zu minimieren
3. Hoher Vorschub und niedrige Drehzahl für saubere Späne
4. Kühlmittelsystem zum Abtransport von Spänen und zur Kontrolle der Wärme

Kundenspezifische CNC-Bearbeitungslösungen

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Kann UHMW geschweißt werden?

Ja, UHMW kann geschweißt werden. Allerdings ist die Schmelzviskosität und das Molekulargewicht hoch, was die Schweißbarkeit erschwert.

Wie schweißt man UHMW?

Es gibt viele Möglichkeiten, UHMW zu schweißen. Einige davon sind:

• Reib- und Stumpfschweißen: Zum Verbinden von UHMW-Platten und -Stäben. Die Kanten werden erhitzt und dann mit hohem Druck zusammengepresst, bis das Material abkühlt und eine feste Verbindung bildet.
• Extrusionsschweißen: für große, starke Schweißnähte. Den Schweißbereich mit Heißluft vorwärmen und anschließend eine Schweißdrahtraupe auftragen.
• Heißgasschweißen: Bei kleineren Reparaturen wird mit einem Heißluftgerät sowohl der Schweißdraht als auch das Grundmaterial erhitzt.
• Ultraschallschweißen: Es werden hochfrequente akustische Schwingungen verwendet, um an der Verbindungsstelle lokal Wärme zu erzeugen.

Empfohlene Schweißwerkzeuge

Für das UHMW-Schweißen werden Extrusionsschweißen, Ultraschallschweißen und Heißgasschweißen empfohlen. Die Schweißzeiten können jedoch je nach Anforderungen und Anwendung variieren.

Alternative Materialien zu UHMW

Für CNC-Anwendungen ist HDPE (Polyethylen hoher Dichte) die gängigste und günstigste Alternative zu UHMW.

Was ist eine günstigere Alternative zu UHMW?

HDPE ist eine günstigere Alternative zu UHMW. Im Vergleich zu UHMW bietet es zwar nicht die gleiche Verschleißfestigkeit oder Schlagfestigkeit, stellt aber eine kostengünstige Lösung für weniger anspruchsvolle Anwendungen dar.

Fazit

UHMW ist ein langlebiger Hochleistungskunststoff mit ausgezeichneter Verschleiß- und Abriebfestigkeit. Er lässt sich gut bearbeiten und kann mittels CNC-Drehen, Fräsen und Bohren bearbeitet werden. Für bessere Bearbeitungsergebnisse werden scharfe Werkzeuge und Kühlmittel zur Regulierung von Wärme und Reibung eingesetzt.

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Häufig gestellte Fragen zu UHMW

Ist UHMW dasselbe wie Teflon?

Nein, die Eigenschaften von Telon und UHMW unterscheiden sich. Teflon weist eine hohe Hitze- und Chemikalienbeständigkeit auf, während UHMW eine höhere Verschleißfestigkeit und Zähigkeit aufweist.

Ist UHMW ein harter oder weicher Kunststoff?

UHMW ist ein Hartkunststoff. Er verfügt über eine hohe Schlagfestigkeit, Zähigkeit und Abriebfestigkeit.

Ist UHMW leichter als Aluminium?

Ja, UHMW ist leichter als Aluminium. UHMW hat eine Dichte von 940 kg/m³, während Al eine Dichte von 2,700 kg/m³ hat.

Kann UHMW lackiert oder beschichtet werden?

UHMW lässt sich aufgrund seiner sehr geringen Oberflächenenergie, die keine Haftung gewährleistet, nur schwer lackieren oder beschichten.

Was sind die Temperaturgrenzen von UHMW?

UHMW-Polyethylen-Kunststoffe haben eine Betriebstemperatur von 180 °F (82 °C) und sind unter kryogenen Bedingungen leistungsfähig.