Schwer entflammbare Kunststoffe & UL 94 – Norm zur Entflammbarkeit bei der Fertigung von Teilen

Im verarbeitenden Gewerbe, in dem Sicherheit und Innovation an erster Stelle stehen, haben flammhemmende Materialien zunehmend an Bedeutung gewonnen. Diese Materialien wurden in Fertigungsverfahren wie der CNC-Bearbeitung, dem 3D-Druck und dem Spritzguss integriert, und verbesserten damit die Resilienz der eingesetzten Materialien und die Sicherheitsstandards im Baugewerbe, dem Transportgewerbe und der Elektronikbranche. Die aus diesen Materialien gefertigten Teile haben sich als sehr wirksam bei der Reduktion der Entzündungsrisiken, der Verringerung der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit und der Verringerung toxischer Emissionen (im Brandfall) erwiesen.

Was sind schwer entflammbare Materialien?

Flammhemmende (bzw. flammwidrige) Materialien wurden dafür entwickelt, um thermisch stabil zu sein und dabei die Wahrscheinlichkeit einer Entzündung verringern und die Ausbreitung des Brands verlangsamen sollen, wodurch sie essentiell für die Verminderung der Risiken bei Zwischenfällen wie Kurzschlüssen oder versehentlich erzeugten Flammen sind. Damit ein Kunststoff als flammhemmend bezeichnet werden kann, muss er einen Brandtest bestehen (am häufigsten ist dabei die UL 94 – Zertifizierung, siehe unten), bei dem die innerhalb eines bestimmten Zeitraums erlöschen muss, oder nur eine zulässige Menge des Materials verbrannt werden darf.

Was ist Flammhemmung?

Bei Kunststoffen wie ABS oder PA (Nylon) wird Flammhemmung bzw. Flammwidrigkeit durch das Infundieren flammhemmender Chemikalien erreicht. Dieses Verfahren beinhaltet endotherme Reaktionen, die Wärme (wie z.B. einer Feuerzeugflamme) absorbieren und somit die Temperatur des Materials senken, wodurch sich die Entzündung oder die Ausbreitung einer Flamme verzögern. Darüber hinaus fördern sie die Verkohlung, was als Schutzbarriere gegen weiteres Verbrennen wirkt.

Flammhemmung, schwere Entflammbarkeit und Feuerhemmung sind dabei nicht das Gleiche

Die Unterschiede zwischen diesen Begriffen zu kennen ist wirklich entscheidend, denn sie stellen keine Synonyme dar. Deshalb zeigt Ihnen die folgende Tabelle die Unterschiede auf:

Vorschriften und Normen für den Brandschutz

Sowohl in der Fertigung als auch in der Materialwissenschaft gilt die UL 94 – Einstufung als Maßstab für die Beurteilung des Verhaltens von Kunststoffen, die in Geräten und Apparaturen eingesetzt werden, in denen sie kleinen Flammen oder einer Zündquelle ausgesetzt sein können oder direkt ausgesetzt sind. UL 94 ist dabei der global anerkannte Standard für die Prüfung der Entflammbarkeit von Kunststoffen, der von Herstellern von Kunststoffen aus den USA, Europa, Großbritannien und der Türkei übernommen wurde und dabei häufig Parallelen zu anderen Normen wie FAR 25.853 in den USA und der ISO EN 11925-2 in Europa aufweisen, um die Einhaltung der regionalen Sicherheits- und Qualitätsanforderungen zu gewährleisten.

Das UL 94 – System kategorisiert dabei Materialien basierend auf ihrer Leistung bei standardisierten Tests in verschiedenen Entflammbarkeitsstufen. Die entsprechenden Stufen sind:

PA 2241 FR für SLS kann der Flamme eines Feuerzeugs widerstehen, wird aber irgendwann schmelzen

Flammentest mit einem Feuerzeug an einem FDM ULTEM 9085 Teil

Die Teilgröße oder die Größe einzelner Elemente kann die Brennbarkeitsklasse beeinflussen

Die UL 94 – Bewertung wird durch die Dicke des Materials beeinflusst, die sich auf die Klassifizierung einer Komponente auswirkt. So besteht für Teile mit einer Dicke von mehr als 3,0 mm eine höhere Wahrscheinlichkeit eine UL 94 V-0 Klassifizierung zu erhalten, die den höchsten Standard für den Brandschutz bei Kunststoffen darstellt. Umgekehrt haben Teile unter 0,75 mm eher damit zu kämpfen, eine solche Klassifizierung zu erhalten. Hier ein Beispiel, wie die Größe eines Merkmals die UL 94 – Einstufung bei Spritzgussprojekten  mit CX7240 – Harz beeinflussen kann:

Es ist entscheidend, das richtige Material und die Dicke in Verbindung mit den spezifischen Brandschutzbestimmungen für jede Anwendung auszuwählen, und somit die Einhaltung der gewünschten UL 94 – Norm sicherzustellen.

Wo liegt der Unterschied zwischen einer HB und V-0 Brennbarkeitsklasse?

Im Hinblick auf die UL 94 Flammschutzklassen werden üblicherweise die HB und V-0 Einstufung eingesetzt. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Klassen liegt in der Ausrichtung des Tests (horizontal gg. vertikal) sowie dem jeweils erforderlich Flammwiderstand. Die HB – Einstufung betrachtet die Verbrennungsgeschwindigkeit, und ob sie bestimmte Kriterien einhält, kann aber kein selbstständiges Verlöschen beim Entfernen der Flamme garantieren. 

Die meisten Kunststoffe mit einer normalen Dicke können HB ohne besondere Zusatzstoffe erreichen. Im Umkehrschluss weißen aber V-0 eingestufte Kunststoffe überlegene Widerstände gegenüber dem Entflammen auf und verlöschen nach Entfernen einer Flamme oder Zündquelle, erfordern aber besondere Zusätze. So ist zum Beispiel PA 12 (Nylon) für SLS in seinem regulären Zustand HB eingestuft. Die flammhemmende Variante PA 2210 FR, hingegen ist V-0 eingestuft.

Die folgende Tabelle vergleicht die Eigenschaften von UL 94 V-0 und HB Einstufungen:

Flammhemmende Materialien in der CNC-Bearbeitung

Hier finden Sie einige der populärsten flammhemmenden Kunststoffe, die in der CNC-Bearbeitung eingesetzt werden.

Neben den oben genannten Materialien gibt es natürlich auch einige weniger weit verbreitete Varianten von ABS und PVC, wie das FR-ABS und FR-PVC, die speziell für eine Einstufung nach UL 94 V-0 entwickelt wurden, und auch in dieser Materialsparte verbesserten Brandschutz bieten können.

Flammhemmende Materialien im 3D-Druck

Die folgende Tabelle zeigt eine Auswahl der flammhemmenden Materialien auf, die häufig im 3D-Druck eingesetzt werden. Bei der Auswahl eines Materials sollten Sie die erforderliche Flammhemmung ihrer Endanwendung bedenken, da es nicht immer notwendig ist, das am besten flammhemmende Material in Anwendungsbereichen einzusetzen, die ein geringes Brandrisiko aufweisen.

Die Anpassung der Druckparameter wie der Schichthöhe und der Fülldichte kann einen Einfluss auf die endgültigen Eigenschaften eines gedruckten Teils haben. Höhere Fülldichten und kleine Schichthöhen können dabei helfen, den Feuerwiderstand zu verbessern, indem sie die Wahrscheinlichkeit von Lufteinschlüssen verringern und die Adhäsion der Schichten verbessern.

Bei diesem Video handelt es sich nicht speziell um einen Test der Flammhemmung, es werden jedoch verschiedene 3D-gedruckte Teile dem Kontakt mit einer heißen Metallkugel ausgesetzt, um ihre Hitzebeständigkeit zu prüfen.

Flammhemmende Materialien im Spritzguss 

Hier finden Sie einige typische flammhemmende Materialien, die im Spritzguss eingesetzt, und für Sie bei Xometry über die manuelle Angebotserstellung verfügbar sind:

Ist eine Nachbehandlung für die Flammhemmung von Kunststoffen erforderlich?

Die Flammhemmung ist, im Gegensatz zu Eigenschaften wie der Korrosionsbeständigkeit oder der Glattheit der Oberfläche, spezifisch mit dem für die Herstellung verwendeten Material verbunden. Für Kunststoffe ist diese selbstlöschende Eigenschaft ein inhärenter Bestandteil des Materials oder wurde durch Infundieren eines Additivs hinzugefügt, erfordert jedoch keine Nachbehandlung, um „aktiviert“ zu werden.

Industrielle Anwendungen von Flammhemmenden Materialien 

• Automobilindustrie: Flammhemmende Materialien werden häufig in Anwendung in Automobilen verwendet, um die Brandschutzbestimmungen einzuhalten. So werden flammhemmende Kunststoffe wie flammhemmendes ABS für Komponenten des Innenraums wie Armaturenbretter, Polster oder auch in Kabelbäumen und -trägern verwendet, um die Risiken durch Feuer im Fall eines Unfalls oder einer elektrischen Fehlfunktion zu mindern.
• Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten: In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden flammhemmende Materialien in Flugzeuginnenräumen, Kabineneinrichtungen und für elektrische Komponenten verwendet. Viele Hersteller nutzen sehr gern ULTEM 9085 für die Bearbeitung von Kabinenkomponenten aus der CNC-Bearbeitung, da das Material dafür bekannt ist, ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht zu haben, während es gleichzeitig flammhemmend ist, und somit die Anforderungen der Brandschutznorm UL 94 erfüllt. Die Verwendung von ULTEM 9085 senkt somit deutlich die Gefährdung durch Brände während des Flugs und trägt deshalb insgesamt zur Sicherheit des Flugzeugs bei. 
• Elektronikindustrie: Flammhemmende Materialien sind in der Elektronikindustrie essenziell, da einerseits die empfindlichen Elektronikkomponenten schützen, während sie sicherstellen, dass die Produkte die Brandschutznormen erfüllen. So finden sich flammhemmende Kunststoffe in Gehäusen, Leiterplatten und Steckverbindungen, um die Risiken durch brandbedingte Störungen und Fehlfunktionen zu vermeiden.
• Verbrauchsgüter: Flammhemmende Materialien finden sich jedoch nicht nur in elektronischen Produkten, sondern auch anderen Konsumgütern wie Möbeln und Haushaltsgeräten, um dort den Brandschutz zu verbessern. So werden zum Beispiel flammhemmende Bezugsstoffe für Polstermöbel und Bettwäsche verwendet, um die Gefahren durch eine Entzündung zu verringern und im Gefahrfall die Ausbreitung der Flammen zu verhindern oder zumindest zu verlangsamen.

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Bei Xometry verfügen wir über die Kapazitäten, um hochwertige flammhemmende Teile zu produzieren, die darauf zugeschnitten sind, Ihre ganz spezifischen Anforderungen aus Ihrer Branche zu erfüllen. Ganz egal, ob Sie Bauteile brauchen, die durch CNC-Bearbeitung, 3D-Druck oder im Spritzguss gefertigt werden sollen, unsere Plattform bietet Ihnen sofortige als auch manuelle Angebotsabfragen an, damit Sie eine Auswahl aus nach UL 94 – Norm zertifizierten flammhemmenden Materialien treffen können. 

Hegen Sie noch Zweifel am Verfahren oder Material? Schauen Sie sich unsere Materialbibliothek an und nutzen Sie unser Auswahlwerkzeug für 3D-Druckmaterialien. Laden sie danach einfach Ihre CAD-Datei in unsere Instant Quoting Engine hoch und erhalten sie mit wenigen Klicks ein Angebot. 

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