PEEK und PTFE zerspanen: Leitfaden zum Drehen von technischen Hochleistungskunststoffen

PEEK und PTFE sind beide technische Hochleistungspolymere, verhalten sich unter dem Werkzeug jedoch nahezu gegensätzlich. Ein Einrichter, der Metalldreh-Parameter — oder schlimmer, die eines anderen Kunststoffs — anwendet, erhält entweder gerissene Teile oder fadenförmige Grate, die sich in der Serienfertigung nicht sauber entfernen lassen. In einem nach drehteile iso 13485 zertifizierten medizinischen Drehbetrieb stecken hinter diesen beiden Werkstoffen oft die am wenigsten verstandenen Nichtkonformitäten.

Dieser Artikel behandelt das mechanische und thermische Verhalten von PEEK (Referenzqualität Ketron 1000 / Tecapeek) und reinem PTFE, die Mechanismen der Wärmeausdehnung und Toleranzen sowie die Schnittparameter und Werkzeuggeometrie, die eine saubere, gratfreie Oberfläche ermöglichen.

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1. PEEK vs. Teflon: Zwei gegensätzliche Verhaltensweisen an der CNC-Drehbank

1.1 PEEK — steif, aber empfindlich gegenüber inneren Spannungen

Polyetheretherketon (PEEK) ist ein teilkristalliner Thermoplast. Für die ungefüllte extrudierte Qualität Ketron 1000 (Mitsubishi Chemical Advanced Materials) nennt das ASTM-Datenblatt:

• Zugfestigkeit Rm = 110 MPa, Bruchdehnung 40 %, Zug-E-Modul 4,34 GPa (ASTM D638)
• Biegefestigkeit 172 MPa, Biege-E-Modul 4,14 GPa (ASTM D790)
• Härte Rockwell M100 / R126, Shore D 85 (ASTM D785 / D2240)
• Kristalliner Schmelzpunkt 340 °C, Dauergebrauchstemperatur an Luft 249 °C, HDT bei 1,8 MPa = 160 °C (ASTM D648)
• Dynamischer Reibungskoeffizient trocken gegen Stahl: 0,32

Diese Steifigkeit (Zug-E-Modul nahe 4,3 GPa — etwa halb so hoch wie Aluminium, aber weit über anderen technischen Polymeren) macht PEEK autoklavierbar bei 134 °C ohne bleibende Verformung — daher der breite Einsatz in Instrumenten und Implantaten unter präzisionsteile iso 13485-Anforderungen. Doch genau diese Steifigkeit, kombiniert mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit (siehe Abschnitt 2), bedeutet: Die beim Schneiden erzeugte Wärme verteilt sich nicht im Werkstoff — sie konzentriert sich lokal und baut innere Restspannungen auf. An asymmetrischen Geometrien — Absatz, tiefe Nut, starker Querschnittswechsel — können sich diese Spannungen nach der Bearbeitung als verzögerte Rissbildung lösen, manchmal Stunden nach der Maschinenausgabe. Dies ist das Hauptrisiko bei PEEK in der Drehbearbeitung — deutlich kritischer als Werkzeugverschleiß.

1.2 PTFE — duktil, gleitfähig, der Werkstoff weicht dem Werkzeug aus

Reines Polytetrafluorethylen (PTFE) gehört einer mechanisch grundlegend anderen Familie an. Ein typisches Datenblatt (Werte gemäß ASTM D638 / D785 / D2240) zeigt:

• Zugfestigkeit (Höchstwert) 10–43 MPa (typisch 20–35 MPa für reines extrudiertes PTFE) — bis zu 10-mal niedriger als PEEK
• Bruchdehnung 50–650 % — gegenüber 40 % bei PEEK
• Zug-E-Modul 0,4–1,8 GPa — 2,4- bis 10-mal weniger steif als PEEK (4,34 GPa)
• Härte Shore D 50–59, Rockwell R58 (deutlich unter PEEKs Shore D 85)
• Dynamischer Reibungskoeffizient 0,06–0,10 — der niedrigste aller bekannten Festkörper, gegenüber 0,32 bei PEEK

Diese Kombination — sehr niedriger Zug-E-Modul und sehr hohe Bruchdehnung — erklärt das charakteristische Verhalten von PTFE an der Drehbank: Statt sauber vor der Schneide zu scheren wie ein Metall oder PEEK, verformt sich der Werkstoff unter dem Werkzeugdruck elastisch und plastisch, bevor er nachgibt. Praktisch "weicht" PTFE der Schneide aus, statt geschnitten zu werden — eine direkte Folge seiner geringen Steifigkeit und hohen Duktilität. Dieses Verhalten erfordert eine spezifische Werkzeuggeometrie (Abschnitt 3.2) und erklärt, warum PTFE trotz seines Rufs als "einfacher" Werkstoff in einem unvorbereiteten Betrieb tatsächlich mehr Maßausschuss verursacht als PEEK.

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2. Wärmeausdehnung und Toleranzen bei Polymeren beherrschen

2.1 Warum die Wärme im Werkstück bleibt

Bei Metall entweicht der Großteil der Schnittwärme im Span. Bei Kunststoff funktioniert dieser Mechanismus kaum: Die Wärmeleitfähigkeit von PEEK (λ = 0,252 W/m·K, Ketron 1000) und PTFE (λ = 0,24–0,35 W/m·K) ist 20- bis 25-mal niedriger als die von Titan TA6V (λ = 6,7 W/m·K) — einem Metall, das bereits als thermisch "katastrophal" bezeichnet wird — siehe unser Artikel zur Titan TA6V Zerspanung.

Werkstoff	λ (W/m·K)	Wohin die Schnittwärme geht
Baustahl C45	50	Überwiegend in den Span
Edelstahl 316L	16	Span + Werkstück
Titan TA6V	6,7	~80 % bleiben an der Schneide
PEEK (Ketron 1000)	0,252	Bleibt im Werkstück konzentriert
Reines PTFE	0,24–0,35	Bleibt im Werkstück konzentriert

Ohne Abfuhr durch den Span oder das umgebende Material sammelt sich die durch Werkzeug-Werkstoff-Reibung erzeugte Wärme lokal an der Schnittstelle. Oberhalb der Formbeständigkeitstemperatur (PEEK HDT = 160 °C bei 1,8 MPa) erweicht die Oberfläche, klebt am Werkzeug und verliert ihre Geometrie; oberhalb des Schmelzpunkts (340 °C PEEK, 330 °C PTFE) schmilzt sie lokal. Daher die Pflicht zu reichlicher Kühlmittelzufuhr — kein leichter Luftstrahl wie bei leichtem Schruppen, sondern ein kräftiger wasserlöslicher Kühlmittelfluss, der die Wärme direkt am Schnittpunkt durch Konvektion abführt, da auf die innere Wärmeleitung des Werkstoffs nicht gebaut werden kann.

2.2 Wärmeausdehnung: Die PEEK/PTFE-Lücke, die enge Toleranzen zur Falle macht

Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) von PEEK beträgt 46,8 µm/m·°C (gemessen zwischen −40 und 149 °C, ASTM E831). Bei PTFE reicht er von 79 bis 150 µm/m·°C bei 20 °C und steigt auf 170–220 µm/m·°C bei 250 °C — bis zum 4,7-Fachen des PEEK-Wertes. Diese Nichtlinearität ist keine Nebensache: PTFE durchläuft kristalline Phasenübergänge bei etwa 19 °C und 30 °C, die abrupte Maßsprünge verursachen — unabhängig von jeglichem bearbeitungsbedingten Wärmeeffekt.

In der Praxis erzeugt bei einem Ø20-mm-Teil bereits eine Differenz von 10 °C zwischen Schnitt- und Prüftemperatur:

• ≈ 9,4 µm radiale Abweichung bei PEEK (20 mm × 46,8×10⁻⁶ × 10 °C)
• ≈ 20 µm radiale Abweichung bei PTFE (20 mm × 100×10⁻⁶ × 10 °C, Medianwert)

Bei IT7-Toleranzen oder enger verbraucht diese Differenz allein einen erheblichen Teil des Toleranzfelds. Die praktische Konsequenz: Jedes für eine Maßprüfung vorgesehene PEEK- oder PTFE-Teil muss vor der Messung auf Raumtemperatur (20 ± 1 °C — dieselbe Logik wie bei der medizinische Präzisionsdreherei) stabilisiert werden — niemals noch warm von der Maschine geprüft werden. Bei asymmetrischen PEEK-Geometrien oder Teilen mit starker Querschnittsänderung empfiehlt sich ein zwischengeschalteter Wärmestabilisierungsschritt zwischen Schruppen und Schlichten, um innere Spannungen vor dem maßgebenden Schlichtschnitt abzubauen.

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3. Schnittparameter und Werkzeuggeometrie für eine gratfreie Oberfläche

3.1 Vergleichstabelle der Drehparameter

Die von Michaud-Chailly (Katalog Plastiques Techniques, Drehtabellen) und Experta (technisches Datenblatt "Zerspanung technischer Kunststoffe") veröffentlichten Schnittdaten stimmen in folgenden Drehbereichen überein:

Parameter	PEEK	Reines PTFE
Schnittgeschwindigkeit Vc	200–400 m/min (bis 500 m/min beim leichten Schlichten)	100–300 m/min (bis 500 m/min beim leichten Schlichten)
Vorschub f	0,05–0,5 mm/U	0,05–0,3 mm/U
Freiwinkel α	5–15°	10–15°
Spanwinkel γ	0–10° (nahezu neutral)	15–20° (stark positiv)
Eckenradius	0,5–1 mm	0,5–1 mm

Quellen: Michaud-Chailly, technischer Katalog Plastiques Techniques (Drehtabellen); Experta, technisches Datenblatt "Zerspanung technischer Kunststoffe".

3.2 Warum PTFE einen zwei- bis dreimal stärker positiven Spanwinkel als PEEK erfordert

Die Differenz im Spanwinkel (γ 0–10° bei PEEK gegenüber 15–20° bei PTFE) ist keine willkürliche Einstellung: Sie ist die direkte Übersetzung des in Abschnitt 1 gemessenen Steifigkeitsunterschieds (Zug-E-Modul 4,34 GPa gegenüber 0,4–1,8 GPa) in die Werkzeuggeometrie. Bei einem so nachgiebigen Werkstoff wie PTFE drückt ein zu neutraler Spanwinkel das Material, statt es zu scheren — die Schneide "quetscht" das Polymer lokal, das sich elastisch verformt und nach dem Werkzeugdurchgang leicht zurückfedert, was zu lokalem Übermaß und einer unregelmäßigen Oberfläche führt. Ein stark positiver Spanwinkel (15–20°) reduziert den Druckanteil der Schnittkraft und begünstigt das Scheren — das Werkzeug schneidet den Werkstoff, statt ihn wegzudrücken.

In beiden Fällen müssen die Wendeschneidplatten aus unbeschichtetem Hartmetall bestehen, mit gehonter und polierter Schneide (keine PVD/CVD-Beschichtung, deren Oberflächenrauheit — selbst minimal — das lokale Anhaften geschmolzenen Polymers am Werkzeug begünstigt — der für Kunststoffe typische "Build-up"-Effekt). Eine stumpfe Schneide schneidet PTFE nicht mehr: Sie schleift es ab, was lokale Erwärmung und Kaltfluss erzeugt, der die Maßgenauigkeit noch lange nach der Bearbeitung beeinträchtigt.

3.3 Entgraten: Warum die Schnittrichtung bei PTFE den entscheidenden Unterschied macht

PTFE bricht nicht sauber wie ein spröder Kunststoff — seine hohe Duktilität (Bruchdehnung bis 650 %) erzeugt lange, fadenförmige Grate, die sich um das Werkstück oder das Werkzeug wickeln, statt als kurzer Span abzubrechen. Die Abhilfe beginnt bereits im Programm:

• Immer von außen nach innen zerspanen: Plan- und Fasenschnitte so sequenzieren, dass der letzte Schnitt Material von der bereits freigelegten Seite in Richtung des noch gehaltenen Materials (Spannbacken, Stangenmaterial) abträgt — nie umgekehrt. So wird der duktile Grat in die abgeführte Spanzone gedrückt, statt an die fertige Kante des Teils "gezogen" zu werden.
• Jeden Durchmesserübergang mit einem Fasenschnitt bei reduziertem Vorschub abschließen, der den Grat schert statt ihn abzureißen.
• Für Lose mit zusätzlichem Entgratungsbedarf ist das kryogene Entgraten (Eintauchen oder Beblasen bei −70/−100 °C, flüssigem Stickstoff oder CO₂) die zuverlässigste Methode bei PTFE: Bei dieser Temperatur verliert das Polymer seine Duktilität und wird spröde, sodass sich fadenförmige Grate sauber abbrechen lassen — statt sie bei Raumtemperatur abzureißen, wo sie sich unter der geringsten Belastung erneut verformen.

PEEK erzeugt als steiferer Werkstoff deutlich kürzere, sprödere Grate, die mit konventionellem manuellem Entgraten oder Vibrationstrommeln beherrschbar sind — die Schwierigkeit liegt bei diesem Werkstoff vorgelagert, bei der Beherrschung innerer Spannungen (Abschnitt 1.1), nicht beim Grat selbst.

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Fazit — Zwei Werkstoffe, zwei Zerspanungslogiken

PEEK und PTFE mit denselben Einstellungen zu behandeln, ist der häufigste Fehler in einem Kunststoff-Drehbetrieb: PEEK verlangt Aufmerksamkeit für innere Spannungen und Wärmestabilisierung, PTFE verlangt eine stark positive Werkzeuggeometrie und eine dedizierte Entgratungsstrategie. Anwendungsseitig ersetzt PEEK zunehmend Titan bei bestimmten Implantaten — insbesondere Wirbelsäulen-Cages — wegen seiner Röntgentransparenz und seines dem kortikalen Knochen näherkommenden Elastizitätsmoduls; für Leser, die zwischen beiden Lösungen abwägen, behandelt unser Artikel zur Titan TA6V CNC-Drehen die Logik auf der Metallseite.

Unser Betrieb verfügt über qualifizierte Parameter für PEEK und PTFE in der Serienfertigung, auch unter ISO 13485 Medizintechnik Zerspanung-Anforderungen. Siehe auch unsere Seite PEEK CNC-Drehen Zerspanung für Details zu unseren Fähigkeiten.