ULTEM (PEI) in der Luft- und Raumfahrt: Additive Fertigung, Anwendungen & Vorteile

Einführung in ULTEM-Kunststoffe

Hochleistungskunststoffe lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Duroplaste und Thermoplaste. Duroplaste härten durch chemische Vernetzung irreversibel aus und schmelzen selbst bei extremen Temperaturen nicht wieder auf.

ULTEM®, der Markenname für Polyetherimid (PEI), zählt zu den wenigen kommerziell verfügbaren amorphen Thermoplasten, die ihre mechanische Integrität auch bei hohen Temperaturen bewahren. Bereits Anfang der 1980er-Jahre von der General Electric Plastics Division (heute SABIC) entwickelt, hat sich ULTEM seit über 35 Jahren als unverzichtbarer Werkstoff in der Fertigungsindustrie etabliert. Das Material überzeugt durch hohe Festigkeit, chemische Beständigkeit, Flammwidrigkeit, einfache Verarbeitbarkeit und die Fähigkeit, extrem hohe Temperaturen zu widerstehen, während es stabile elektrische Eigenschaften beibehält.

Typische Anwendungsbereiche umfassen Leiterplatten, Brillengestelle, Lebensmittelverarbeitungs- und Sterilisationsgeräte sowie – besonders hervorzuheben – Flugzeugkomponenten, wo ULTEM für seine Festigkeit und Langlebigkeit geschätzt wird.

Verarbeitung von ULTEM im 3D-Druck

ULTEM lässt sich hervorragend thermoformen und eignet sich für das Fused Deposition Modeling (FDM). Dabei extrudiert eine beheizte Düse das Material schichtweise entlang eines vorgegebenen Werkzeugpfads, bis das Bauteil vollständig aufgebaut ist.

Eine weitere wirtschaftliche Option für die Serienfertigung ist das Spritzgießen. Thermoplastische Pellets werden in die Schnecke des Spritzgießautomaten gefördert, geschmolzen, in die Form eingespritzt, abgekühlt und ausgehärtet, woraufhin das fertige Bauteil über den Auswerferstift entnommen wird. Dieses Verfahren eignet sich ideal für die Herstellung einheitlicher Teile in großen Stückzahlen, beispielsweise Einbrennfassungen.

Mechanische Kenndaten

ULTEM hebt sich von anderen Hochleistungspolymeren durch seine einzigartige Fähigkeit ab, unter extremen Bedingungen mechanisch stabil zu bleiben. Das Material widersteht Temperaturen von über 217 °C über längere Zeiträume und bleibt auch bei Temperaturschwankungen dimensionsstabil. Es ist inhärent flammwidrig und entwickelt bei Brand minimalen Rauch, dessen Toxizität der von brennendem Holz nicht übersteigt.

Während amorphe Thermoplaste generell zu Spannungsrissen neigen, wenn sie mit Fetten, Ölen, Alkoholen, Säuren, Kfz- und Flugzeugbetriebsflüssigkeiten oder anderen wässrigen Lösungen in Kontakt kommen, widersteht ULTEM dieser Spannungsrissbildung. Zudem zeigt es Beständigkeit gegen UV-Strahlung und Gammastrahlung.

Wesentliche mechanische Kenndaten von Standard-ULTEM:

• Zugfestigkeit bei Bruch (23 °C): 105 MPa (15.200 psi)
• Biegefestigkeit (23 °C): 152 MPa (22.000 psi)
• Dehnung bei Bruch (23 °C): 60 %
• Schubfestigkeit: 103 MPa (15.000 psi)
• Schmelzpunkt: 219 °C (426 °F)
• Brennbarkeit: UL 94 V-0
• Dielektrische Festigkeit in Luft: 830 V/mil

Hinweis: Diese Werte gelten für Standard-ULTEM. Bei glasfaserverstärkten Varianten (10 %, 20 %, 30 %) weichen die Kenndaten ab.

ULTEM in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Luft- und Raumfahrtbranche unterliegt strengen mechanischen Standards und Qualitätsvorschriften. Um die Qualifikations- und Äquivalenzstandards der Federal Aviation Administration (FAA) zu erfüllen, müssen neue Bauteile lange, aufwendige und kostspielige Test- und Zulassungsprozesse durchlaufen.

Diese langwierigen Verfahren stehen jedoch im Widerspruch zur steigenden Nachfrage nach schnellerer, kostengünstigerer Flugzeugproduktion. Branchenführer wie Boeing und Airbus müssen Fertigungszeiten verkürzen und Kosten senken. Immer mehr Akteure der kommerziellen Luftfahrt begegnen dieser Herausforderung mit additiver Fertigung – und ULTEM spielt dabei eine Schlüsselrolle.

ULTEM gehört zu den wenigen Harzen, die für den kommerziellen Luftfahrtsektor zugelassen sind. Gegenüber vergleichbaren Thermoplasten bietet es überlegene Kriechbeständigkeit – also Widerstand gegen Verformung und Degradation unter zyklischer mechanischer Belastung. Zudem hält es verschiedenen Kraftstoffen, Kühlmitteln und Schmierstoffen stand. Seine Flammwidrigkeit erfüllt die FAA-Vorschrift 25.853. Tatsächlich hat sich ULTEM bereits als vielversprechender Werkstoff für Brandschutzbarrieren und Flugzeugsitzbezüge bewährt.

Ein weiterer entscheidender Vorteil: ULTEM ermöglicht signifikante Gewichtsreduktionen. So entwickelten LSG Sky Chefs und Norduyn ultraleichte Bordwagen aus ULTEM. Ein voll beladener Boeing 747 mit diesen Wagen wäre 748 kg (1.650 lbs) leichter als mit Standardwagen – eine Gewichtsersparnis, die jährliche Treibstoffeinsparungen von rund 60.000 € (ca. 65.000 $) generieren kann. Mit ULTEM müssen Hersteller nicht zwischen Festigkeit und Leichtbau wählen – sie erhalten beides.

Warum ULTEM?

Für Hersteller, die ein Material suchen, das stark, stabil, leicht, flamm- und chemikalienbeständig, gut verarbeitbar und mit vielseitigen mechanischen Eigenschaften ausgestattet ist, erfüllt ULTEM alle Anforderungen. Dieser Hochleistungspolymer eignet sich für ein breites Anwendungsspektrum – von einfachen Schaltern bis hin zu komplexen Flugzeugkomponenten.

ULTEM + Fast Radius

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