UV-Beständigkeit von Kunststoffen: Die Besten Materialien für den 3D-Druck, die CNC-Bearbeitung und den Spritzguss

Beim Entwurf von Produkten, die den unerbittlichen UV-Strahlen der Sonne ausgesetzt werden, kann sich die Auswahl des richtigen Materials wie ein Weg durch ein Labyrinth anfühlen. Angefangen bei Rohren in der Landwirtschaft, die unter Druck brechen, bis hin zu verblichenen Gartenmöbeln haben wir schon alles gesehen, was die UV-Strahlung anrichten kann. Aber machen Sie sich keine Sorgen – dieser Leitfaden soll die Wissenschaft für Sie vereinfachen und Ihnen praktische Tipps geben, wie Sie Ihre Kunststoffe haltbar und langlebig gestalten können. Als Ingenieur oder Hersteller ist es das Meistern der UV-Beständigkeit, das Ihre Projekte vor dem frühzeitigen Scheitern bewahren kann.

Ultraviolette (UV) Strahlung kann Kunsstoffe in einem erheblichen Maß abbauen, und somit sowohl ihr Aussehen als auch ihre strukturelle Integrität beeinträchtigen. Auf molekularer Ebene brechen UV-Strahlen die Bindungen im Inneren des Kunststoffes auf und führen somit zur Entfärbung, Versprödung und einem Verkreiden der Oberflächen. So führte Xometry zum Beispiel ein Experiment durch, bei dem ein weißes Teil aus der Stereolitographie (SLA) für sechs Monate den Bedingungen im Freien ausgesetzt wurde, was dazu führte, dass das Teil vergilbte und extrem brüchig wurde.

UV-beständige Kunststoffe werden dafür entwickelt, einem solchen Abbau zu widerstehen, und ihre Eigenschaften auch unter längerer UV-Einwirkung zu behalten. Die dafür üblichen Prüfnormen für UV-Beständigkeit sind ASTM G154 mit floureszierenden UV-Lampen und ISO 4892-2 mit Xenonbogenlampen zur Simulation des natürlichen Sonnenlichts.

Schauen Sie zu, wie UV-beständige Kunststoffe der ultimativen Prüfung in der Xometry ‚Will It Fade‘ UV-Strahlungschallenge unterzogen werden.

Umfassendes Referenzhandbuch für die Auswahl UV-beständiger Materialien

Verständnis des UV-Lichts und seiner Auswirkungen

UV-Strahlung ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrum mit Wellenlängen zwischen denen des sichtbaren Lichts und der Röntgenstrahlungen, und sie wird in drei Wellenlängenbereiche eingeteilt:

Natürliche gg. Künstliche UV-Quellen

Natürliche Quellen: Die Sonne ist die Hauptquelle natürlich auftretender UV-Strahlung. Obwohl UVC zum Großteil von der Atmosphäre ausgefiltert wird, erreichen UVA und UVB-Strahlung die Erdoberfläche und sind die Hauptursache für den Abbau von exponierten Materialien. 

Künstliche Quellen: In industrieller und medizinischer Umgebung können UV-Quellen im Einsatz sein. Schwarzlichlampen, Lichtbögen vom Schweißen oder UV-Lampen für die Sterilisierung emittieren alle UV-Strahlungen, dabei primäe UVA und UVC, die den Abbau von Materialien in geschlossenen oder stark exponierten Umgebungen beschleunigen können.

UV-beständige Materialien für den 3D-Druck

UV-beständige Materialien sind für den 3D-Druck nicht so weit verbreitet, wie sie es für traditionellere Methoden wie dem Spritzguss sind. Dennoch bringt der 3D-Druck einige aufregende Vorteile mit sich. Mit Optionen wie ASA, Polycarbonat, EPDM und Silikonkautschuk ist es ideal dafür geeignet kundenspezifische, leichtgewichtige und komplexe UV-beständige Teile in geringen Stückzahlen zu produzieren. Ganz egal ob es sich um Verschlüsse, Dichtungen oder architektonische Bauteile handelt, der 3D-Druck erlaunt es Ihnen, einzigartige Entwürfe zum Leben zu erwecken, und das ohne die hohen Kosten der traditionellen Fertigung.

Formgebende Fertigung von UV-beständigen Materialien

Formgebende Fertigungsverfahren wie der Spritzguss, das Extrudieren und das Blasformen bieten die breiteste Palette an UV-beständigen Materialoptionen, die sie zur ersten Wahl für die Produktion im großen Maßstab machen. 

Diese Verfahren sind ideal für Teile wie Gartenmöbel, Automobilteile oder Rohrleitungen für Chemikalien bei denen eine längere UV-Exposition zu erwarten ist. Während diese traditionellen Methoden im Vergleich zum 3D-Druck ein wenig die Freiheit fehlt, sind sie umso besser daran konsistente Qualität und Haltbarkeit für großvolumige Anwendungen zu liefern.

UV-beständige Materialien für die CNC-Bearbeitung

Die CNC-Bearbeitung bietet die höchste Auswahl an UV-beständigen Materialien, die es zu einer beliebten Wahl für Hochleistungsanwendungen macht. Im Gegensatz zu anderen Verfahren erlaubt die CNC-Bearbeitung enge Toleranzen und komplexe Geometrien bei der Arbeit mit Materialien wie Polycarbonat, PTFE und UV-beständigen Elastomeren. Es ist somit ideal für die produktion haltbarer Bauteile wie chemischen Dichtungen, Hochleistungsisolatoren oder Automobilverkleidungen, die alle starker UV- Belastung standhalten sollen.

Praxisleitfaden zum UV-Schutz von Kunststoffen in der Fertigung: Wählen Sie die richtige Lösung

Der UV-Schutz von Kunststoffteilen, die durch 3D-Druck, CNC-Bearbeitung oder Spritzguss gefertigt werden basiert auf verschiedenen Ansätzen wie Additiven, Stabilisatoren, Oberflächenbeschichtungen und strategischen Designentscheidungen. Die beste Methode hängt dabei von den Eigenschaften des Teils, der Umgebungsbelastung und den Leistungsanforderungen ab. Bei Automobilbauteilen nutzt man zum Beispiel PVD- oder UV-stabilisierte Beschichtungen für die Ästhetik als auch die Witterungsbeständigkeit, während Baumaterialien von coextrudierten Schichten oder pigmentrierten Lösungen für ihre Haltbarkeit profitieren. 

Um zu verhindern, dass Ihre SLA-Druck nach einer UV-Exposition spröde werden, ist das Auftragen von Lacken eine großartige Lösung. Es schützt nicht nur die Oberfläche gegen gefährliche UV-Strahlung, sondern erhöht zugleich die Haltbarkeitund gibt Ihren Teilen ein wertiges und professionelles Aussehen. Es ist eine einfache aber effektive Möglichkeit um die Lebensdauer Ihrer Drucke zu verlängern und gleichzeitig die Qualität über die Zeit hinweg beizubehalten.

Im Folgenden skizzieren wir gängige Anwendungsfälle und entsprechende Lösungen, um Ihnen bei der Auswahl geeigneter UV-Beständigkeitsstrategien für Ihre Kunststoffteile zu helfen.

1. Ist Ihr Kunststoffteil dick?
   Dicke Bauteile riskieren, dass UV-Strahlung bis in die Tiefe eindringt, und dort im Laufe der Zeit einen Abbau des Materials bewirkt. Nutzen Sie UV-Absorber wie Benzotriazole oder Rußpigmente um die UV-Strahlung effektiv zu absorbieren bzw. zu blockieren.
2. Haben Ihre Kunststoffbauteile dünne Wände?
   Dünnwandige Teile sind grundsätzlich empfindlicher gegenüber UV-Strahlung, da sie einen kleinen Querschnitt aufweisen. Der Einsatz von Aminlichtstabilisatoren (Hindered Amine Light Stabilizers – HALS) oder der Einsatz von Coextrusionsverfahren verbessert die Haltbarkeit.
3. Wird Ihr Teil den Bedingungen im Außenbereich ausgesetzt?
   Außenanwendungen sind konstant dem Sonnenlicht und der Witterung ausgesetzt, was zu Ver- und Entfärbungen sowie Sprödigkeit führen kann. Setzen Sie Rußpigmente oder traditionelle UV-beständige Beschichtungen mit wetterfesten Eigenschaften für einen langanhaltenden Schutz ein.
4. Ist ein ästhetisches Erscheinungsbild Ihre Priorität?
   Die Erhaltung einer ansprechenden Optik während es gleichzeitig vor UV-Schäden geschützt wird, ist für dekorative Teile von entscheidender Bedeutung. Nutzen Sie Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) für ein glattes Finish oder verwenden Sie traditionelle UV-beständige Beschichtungen bei transparenten oder pigmentierten Varianten.
5. Muss Ihr Bauteil klar oder transparent bleiben?
   Transparente Teile müssen ihre optische Klarheit bewahren, während Sie dem UV-Abbau widerstehen. Der Einsatz von UV-beständigen klaren Beschichtungen  oder  die Verwendung von UV-Absorbern für transparente Polymere  erhalten sowohl Funktion als auch Ästhetik aufrecht.
6. Muss Ihr Teil extremen Umweltbedingungen standhalten?
   Die Exposition gegenüber rauem Klima, hohen Temperaturen oder Feuchtigkeit können UV-bedingte Schäden beschleunigen. Nutzen Sie HALS oder Coextrusionsverfahren zur Sicherstellung konsistenter Leistung.
7. Braucht Ihr Teil Schutz über den UV-Schutz hinaus?
   Wenn zusätzliche Eigenschaften wie Kratz-, Abrieb- oder Chemikalienbeständigkeit erforderlich sind, wählen Sie multifunktionale Lösungen. Entscheiden Sie sich für Hybridbeschichtungen, die UV-Stabilisatoren mit verbesserter Haltbarkeit kombinieren.

Umweltfaktoren wie die geographische Lage, saisonale Temperaturschwankungen, atmosphärische Exposition sowie mechanischer Stress beeinflussen signifikent die richtige Auswahl von Schutzmethoden. Hersteller müssen diese Variablen zur Sicherstellung langfristig hoher Leistung in Betracht ziehen.

Gemeinsame Normen für Bewitterungs- und UV-Beständigkeitsprüfungen

Die Hersteller wählen UV-stabile Poylmere aus, die die Anwendungsanforderungen erfüllen, indem sie reale Bedingungen mit beschleunigten Alterungstechnichen wie Xenon-Bogenlampen und Floureszenz UV-Strahlern nachbilden. Diese Prüfungen führen zu entscheidenden Einsichten wie jene Materialien zu identifizieren, die unter den Bedingungen der echten Welt fehleranfällig werden, wodurch es möglich wird die Lebensdauer an bestimmten Orten vorherzusagen, und damit die Kosten-Nutzen-Analye für die verschiedenen UV-Schutzstrategien zu unterstützen. Durch die Einhaltung der standardisierten Methoden können Hersteller eine zuverlässige Leistung gewährleisten, die durch prüfbare Daten für Garantie- und Leistungsansprüche gestützt wird.

Entscheidene UV-Prüfparameter

Die Prüfparamether werden so kalibriert, dass den Bedingungen in der echten Welt entsprechen, und bieten somit einen wertvollen Einblick in die Leistung und Lebensdauer eines Materials:

• UV-Intensität: Angepasst an geografische UV-Strahlungswerte, um sicherzustellen, dass Materialien den örtlichen Bedingungen standhalten, insbesondere in Regionen mit hoher UV-Belastung. 
• Temperatur: Höhere Temperaturen können den Abbau vieler starrer und flexibler Polymere beschleunigen, was die Temperaturkontrolle entscheidend macht.
• Feuchtigkeitszyklen: Abwechselnde Nass- und Trockenzyklen bilden natürliche Witterungsmuster nach und bewerten die Beständigkeit von Materialien gegen kombinierte UV- und Feuchtigkeitsbelastungen. 
• Expositionszeitraum: Hell- und Dunkelzyklen simulieren die Tag-Nacht-Zyklen und zeigen, ob Materialien sich zwischen der Exposition erholen oder einem kummulativen Abbau unterliegen.
• Probenausrichtung und -rotation: Rotierende Proben gewährleisten eine gleichmäßige Bestrahlung mit UV-Licht, da sich unterschiedliche Winkel unterschiedlich auf die Verschleißraten auswirken.

Abschließende Überlegungen bezüglich UV-beständiger Kunststoffe

Im Rahmen von Außenanwendungen ist die UV-Beständigkeit nicht nur „nice to have“ – sie ist ein entscheidener Bestandteil des Designprozesses. Es kann sich jedoch als schwierig erweisen die entstehenden Kosten und die Leistung in Einklang zu bringen. Wenn Sie Optionen abwägen müssen, konzentrieren Sie sich auf das, was Ihr Projekt wirklich benötigt. Muss etwas für Jahrzehnte unter härtesten Bedingungen bestehen, oder ist eine kurzzeitige Lösung ausreichend?

Ganz egal ob Ihr Projekt 3D-Druck, Spritzguss oder die CNC-Bearbeitung beinhaltet, erkunden Sie die Xometry Instant Quoting Engine ^® und unseren 3D-Druck-Wizard um das richtige Material für eine Anwendung zu finden, die verschiedene Stufen der UV-Exposition mit sich bringt. Besuchen Sie unsere Website um mehr darüber zu erfahren, oder fragen Sie direkt ein Angebot an.

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