PPS erreicht 80 % der Leistung bei einem Fünftel der Kosten von PEEK
Polyphenylensulfid (PPS) ist ein hoch angesehener technischer Hochleistungskunststoff, der in kritischen Komponenten wie Verbindungssteckern, Übertragungsbaugruppen und elektrischen Isolierungen eine wichtige, aber unauffällige Rolle spielt. Es bietet Robotern eine leichte, hochfeste und äußerst zuverlässige strukturelle Unterstützung.
Leistung und Preis-Leistungs-Verhältnis
Das Polyphenylensulfid-Molekülgerüst enthält starre Benzolringe und stabile Sulfidbindungen.
Hitzebeständig:
Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur übersteigt 260 °C und ermöglicht einen langzeitstabilen Betrieb bei erhöhten Temperaturen von bis zu 220 °C, wobei die thermische Stabilität die von typischen technischen Kunststoffen bei weitem übertrifft. Im Gegensatz zu Materialien wie PC/ABS, die nur Temperaturen um 100 °C standhalten, bleibt PPS auch in der Nähe von Motoren oder Leistungsbauteilen resistent gegen Erweichung und Ausfälle.
Flammhemmende Isolierung:
PPS ist von Natur aus flammhemmend und weist einen Sauerstoffindex von über 44 % auf. Es erreicht die Klassifizierung UL94 V-0 ohne Zusatz von Flammschutzmitteln, weist hervorragende selbstverlöschende Eigenschaften auf und erzeugt bei der Verbrennung keine geschmolzenen Tröpfchen.
PPS-Komponenten zeigen eine ununterbrochene Verbrennung, selbst wenn sie elektrischen Funken oder Überhitzung in elektrischen Systemen ausgesetzt sind, was die Eigensicherheit von Robotersystemen erheblich erhöht. Ihr Oberflächen- und Volumenwiderstand bleibt unter wechselnden Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen stabil, was sie zu einem hervorragenden elektrischen Isoliermaterial macht. Selbst in Hochfrequenz- und Hochspannungsumgebungen bietet PPS einen zuverlässigen Isolationsschutz und ist resistent gegen elektrische Kriechströme und Kriechströme.
Chemische Beständigkeit:
PPS weist eine außergewöhnliche Beständigkeit gegenüber Säuren, Laugen, Salzlösungen und den meisten organischen Lösungsmitteln auf. Auch beim Einsatz in komplexen Umgebungen wie feuchten, staubigen oder chemisch korrosiven Werkshallen behalten PPS-Komponenten ihre Stabilität.
Formstabil:
PPS weist außergewöhnlich niedrige Feuchtigkeitsaufnahme- und Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, mit einer 24-Stunden-Wasseraufnahmerate von lediglich 0,02 % bis 0,05 %. Aufgrund der nahezu Null-Wasseraufnahme quellen PPS-Komponenten nicht auf, verformen sich nicht und erleiden auch keinen Festigkeitsverlust, wenn sie während der Regenzeit im Süden Chinas oder in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit im Gegensatz zu PA-Nylon mit Feuchtigkeit gesättigt sind. Selbst nach Temperaturwechseln behalten PPS-Teile ihre Dimensionsstabilität und präzise Passform bei und erfüllen die strengen Toleranzanforderungen für Roboter-Präzisionskomponenten.
Hohe mechanische Festigkeit:
Reines PPS weist Zugfestigkeiten von 70–80 MPa auf, wobei durch Faserverstärkung erhebliche Verbesserungen der Festigkeit und Steifigkeit erzielt werden. Glasfaserverstärktes PPS erreicht bei einem Anteil von 30 % einen Biegemodul von 12–15 GPa und weist unter Last eine Verformung von weniger als 0,1 % auf – ausreichend für anspruchsvolle Präzisionsstützstrukturen. Während seine absolute Festigkeit gegenüber starren Aluminiumlegierungen geringfügig unterlegen ist, bietet seine spezifische Festigkeit einen deutlichen Vorteil.
Verschleißfeste Schmierung:
Die molekulare Struktur von PPS weist eine hohe Steifigkeit und inhärente selbstschmierende Eigenschaften auf, wobei der Reibungskoeffizient durch Mischen mit Schmiermitteln weiter reduziert werden kann. Seine Verschleißfestigkeit ist besonders bei der Einarbeitung von Festschmierstoffen wie PTFE außergewöhnlich, was zu einem deutlich reduzierten Reibungskoeffizienten führt. Für Komponenten, die längere, sich wiederholende Bewegungen erfordern – wie Gelenkgetriebe und Buchsen – sorgt PPS für einen reibungslosen Betrieb über mehrere zehn Millionen Zyklen hinweg mit minimalem Verschleiß. Bei Robotergelenkanwendungen sorgt es für eine längere wartungsfreie Lebensdauer sowie eine leisere und gleichmäßigere Übertragungsleistung.
Die umfassenden Leistungsmerkmale von PPS erfüllen praktisch alle anspruchsvollen Materialanforderungen für kritische Roboterkomponenten. Darüber hinaus vereint es hohe Leistung mit einem konkurrenzlosen Kostenvorteil.
Vorteile des Leichtbaus:
Im Vergleich zu herkömmlichen Metallen können mit PPS-Verbundwerkstoffen Gewichtseinsparungen von bis zu 60 % erzielt werden. Der Ersatz von Metall durch PPS in Roboterstrukturkomponenten reduziert das Gewicht auf weniger als die Hälfte bei gleichbleibender Festigkeit. Dieses geringere Eigengewicht ermöglicht die Konstruktion kleinerer Antriebsmotoren oder den Einsatz kompakterer Batterien, wodurch die Bewegungseffizienz verbessert, die Betriebsdauer verlängert und negative Auswirkungen auf die Gehstabilität abgemildert werden.
Kosten deutlich niedriger als PEEK:
Der Preis pro Tonne PPS beträgt lediglich ein Fünftel oder sogar ein Zehntel des Preises von PEEK, dennoch erreicht die Leistung 80 % bis 90 % der Leistungsfähigkeit von PEEK. Unter zahlreichen nicht extremen Betriebsbedingungen erfüllt PPS die Anforderungen, die zuvor an PEEK gestellt wurden, angemessen und ermöglicht so eine Massenanwendung bei deutlich reduzierten Kosten. Für humanoide Roboter, die eine Massenproduktion anstreben, macht dieses optimale Verhältnis von Leistung und Kosten PPS zu einem idealen Material, um bestimmte Metall- und PEEK-Anwendungen zu ersetzen.
Herstellung und Wartung:
PPS kann mit herkömmlichen thermoplastischen Formtechniken verarbeitet werden und ermöglicht so die Massenproduktion komplexer Komponenten mit überragender Maßhaltigkeit und kurzen Zykluszeiten. Im Gegensatz dazu müssen Metallteile häufig bearbeitet oder gegossen werden, was zu höheren Kosten und einem höheren Verarbeitungsaufwand führt. PPS-Komponenten machen Korrosionsschutzbeschichtungen überflüssig und verfügen über selbstschmierende und vibrationsdämpfende Eigenschaften, wodurch die Wartungskosten gesenkt werden.
Beim Vergleich von PPS mit anderen gängigen Materialien kommen seine Vorteile noch deutlicher zum Vorschein.
Im Vergleich zu technischen Kunststoffen wie PA und PBT bieten Materialien der PA-Familie eine gute Zähigkeit, weisen jedoch eine hohe Wasseraufnahme und eine schlechte Dimensionsstabilität auf, was zu erheblichen Leistungsschwankungen bei wechselnder Umgebungsfeuchtigkeit führt. PBT verfügt über eine durchschnittliche Hitze- und Korrosionsbeständigkeit und ist daher für Roboteranwendungen mit hohen Temperaturen oder chemischer Einwirkung schlecht geeignet. Im Gegensatz dazu absorbiert PPS praktisch kein Wasser, widersteht längerer Einwirkung von Temperaturen bis zu 200 °C und ist beständig gegen chemische Korrosion, was eine weitaus höhere Zuverlässigkeit als herkömmliche technische Kunststoffe bietet.
Im Vergleich zu High-End-Kunststoffen wie LCP: LCP zeichnet sich durch ultradünne Präzisionskomponenten aus, weist jedoch eine hohe Sprödigkeit und geringe Schlagfestigkeit auf, was es für tragende Strukturteile ungeeignet und unerschwinglich teuer macht. Im Gegensatz dazu bietet PPS eine überlegene Zähigkeit und breitere Anwendbarkeit, erfüllt gleichzeitig die Anforderungen an Isolierung und Hitzebeständigkeit und trägt gleichzeitig strukturelle Belastungen.
Im Vergleich zu metallischen Werkstoffen: Metalle besitzen eine hohe Steifigkeit, weisen jedoch eine hohe Dichte, Korrosionsanfälligkeit und mangelnde elektrische Isolierung auf. Der Einsatz von PPS als Ersatz für Stahl in der Robotik reduziert das Gewicht erheblich und beseitigt gleichzeitig Bedenken hinsichtlich Rost und elektrischer Isolierung. PPS-Komponenten beeinträchtigen die drahtlose Kommunikation oder Sensorsignale nicht.
Man kann sagen, dass bei erfüllter Funktionalität Probleme, die mit Kunststoffen gelöst werden können, nicht mit Metallen angegangen werden müssen, und PPS gilt als eines der optimalen Materialien, das genau solche Lösungen bietet.
Modifizierte Erweiterung: Erweiterung der Leistung von PPS
Natürliches PPS ist nicht ohne Schwächen.
Es weist eine relativ geringe Zähigkeit und eine geringe Kerbschlagzähigkeit auf, was möglicherweise zu Sprödbrüchen bei Stoßbelastungen oder an Strukturecken führt. Darüber hinaus weist glasfaserverstärktes PPS eine gewisse Anisotropie auf, wodurch große flache Bauteile beim Formen anfällig für Verformungen sind. Längerer Kontakt mit extremen Temperaturen kann ebenfalls zu oxidativem Abbau und damit zu Leistungseinbußen führen.
Diese Probleme können durch Modifikationstechniken wirksam überwunden werden.
Glas-/Kohlefaserverstärkung:
Der Einsatz von Kurzglasfasern oder Kohlenstofffasern stellt die am weitesten verbreitete Verstärkungsmethode für PPS dar.
Durch die Zugabe von Fasern wird die Steifigkeit und Festigkeit des Materials exponentiell erhöht, die Wärmeausdehnung deutlich reduziert und eine Dimensionsstabilität erreicht, die der von Metallen nahekommt.
Bei großen Strukturbauteilen wie Roboter-Stützrahmen und -Skeletten gewährleistet glasfaserverstärktes PPS Maßgenauigkeit unter Belastung und thermischen Schwankungen und verhindert Ungenauigkeiten aufgrund von Kriechen oder thermischer Ausdehnung/Kontraktion.
Durch die Kohlefaserverstärkung wird das Gewicht weiter reduziert und die elektrische/thermische Leitfähigkeit verbessert, allerdings mit entsprechend höheren Kosten.
Mittlerweile sind fortschrittlichere endlosfaserverstärkte PPS-Verbundwerkstoffe auf den Markt gekommen.
Durch die Kombination von Endlos-Carbonfasergeweben mit PPS-Harz entstehen neuartige Leichtbaumaterialien mit einer Zugfestigkeit von über 1500 MPa. Diese metallkonkurrierenden Verbundwerkstoffe auf PPS-Basis weisen ein enormes Potenzial für Roboterarme, Torsogehäuse und ähnliche Anwendungen auf. Sie bieten nicht nur eine hohe Festigkeit und hervorragende Ermüdungseigenschaften, sondern ermöglichen auch die effiziente Herstellung komplexer Komponenten durch Heißpressen. Darüber hinaus ist das Material recycelbar und vereint Leistungsvorteile mit ökologischer Nachhaltigkeit.
Zähigkeitsmodifikation:
Zähigkeitsmodifikationen werden durch Methoden wie das Mischen von Elastomeren und das Einarbeiten von Gummipartikeln erreicht. Die Kerbschlagzähigkeit von gehärtetem PPS kann im Vergleich zu reinem PPS um ein Vielfaches gesteigert werden und weist eine geringere Rissanfälligkeit bei Schlag- oder Vibrationsbedingungen bei niedrigen Temperaturen auf. Für Roboterkomponenten, die wiederholten Stößen ausgesetzt sind – wie Fußpolsterstrukturen und Gelenkdämpfungsabstandshalter – bieten hochfeste PPS-Materialien eine hervorragende Schlagfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit und sorgen für einen längeren Betrieb ohne Brüche.
Legierungsmodifikation:
Das Mischen von PPS mit anderen Harzen durch „Legieren“ vereint die Vorteile mehrerer Materialien.
Die PPS+PA66-Legierung nutzt die Zähigkeit von PA66, um die Sprödigkeit von PPS auszugleichen, während PPS der Legierung eine hervorragende Hitze- und Chemikalienbeständigkeit verleiht.
Dieses Material vereint Festigkeit und Zähigkeit und eignet sich daher besser für Komponenten, die sowohl ein gewisses Maß an Duktilität als auch eine hohe Temperaturbeständigkeit erfordern. Ebenso weisen PPS+PPO-Legierungen eine geringere Dichte auf, was eine weitere Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig guter mechanischer Festigkeit und Dimensionsstabilität ermöglicht.
Funktionelle Füllungsmodifikation:
Durch den Einbau spezieller Füllstoffe kann PPS auch funktionelle Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Verschleißfestigkeit und Selbstschmierung erlangen und sich so von einem Strukturwerkstoff in einen Funktionswerkstoff wandeln.
Durch die Einarbeitung von leitfähigem Ruß oder metallischen Fasern kann leitfähiges/antistatisches PPS hergestellt werden. Dieses Material eignet sich zum Einschließen elektronischer Roboterkomponenten, die eine elektromagnetische Abschirmung oder elektrostatische Ableitung erfordern, und ermöglicht einen integrierten EMV-Schutz, ohne dass eine zusätzliche Metallbeschichtung erforderlich ist.
Durch den Einbau von wärmeleitenden isolierenden Füllstoffen wie Bornitrid können wärmeleitende isolierende PPS entwickelt werden. Dieses Material dient als Wärmeableitungslösung in den Spulenhalterungen oder Steuermodulen von Hochleistungsmotoren in Roboteranwendungen. Es leitet die Wärme schnell ab, ohne Strom zu leiten, und unterstützt so die Kühlung der Komponenten.
Durch die Einarbeitung des Festschmierstoffs PTFE und verschleißfester Fasern entsteht ein äußerst verschleißfester PPS-Werkstoff mit deutlich reduziertem Reibungskoeffizienten. Dadurch eignet es sich für Komponenten, die eine längere Reibungsbewegung ohne häufige Schmierung erfordern, wie z. B. Zahnräder, Schneckengetriebe und Gleitlagerbuchsen.
