Kriechverhalten und Relaxation bei Kunststoffteilen – was Konstrukteure beachten sollten

Kunststoffteile übernehmen in technischen Baugruppen zahlreiche Funktionen: Sie verbinden, isolieren, positionieren, schützen oder übertragen Kräfte. Dabei sind sie häufig über längere Zeit mechanischen Belastungen ausgesetzt. Anders als bei vielen metallischen Werkstoffen hängt ihr Verformungsverhalten jedoch besonders stark von der Belastungsdauer, Temperatur und dem eingesetzten Kunststoff ab.

Zwei wichtige Begriffe in diesem Zusammenhang sind Kriechverhalten und Spannungsrelaxation bei Kunststoffen. Beide beschreiben zeitabhängige Veränderungen im mechanischen Verhalten von Kunststoffen und sollten insbesondere bei der Konstruktion von Schraubverbindungen, Abstandshaltern und anderen dauerhaft belasteten Bauteilen berücksichtigt werden.

Doch worin unterscheiden sich Kriechen und Relaxation? Welche Kunststoffe sind besonders betroffen und wie lassen sich unerwünschte Verformungen bei der Konstruktion vermeiden?

Was versteht man unter Kriechverhalten bei Kunststoffen?

Unter Kriechen bei Kunststoffen versteht man die zeitabhängige Verformung eines Werkstoffs unter einer über längere Zeit wirkenden, annähernd konstanten mechanischen Spannung.

Wird beispielsweise ein Kunststoffbauteil dauerhaft mit einer Druck- oder Zugkraft belastet, kann sich seine Form im Laufe der Zeit verändern, obwohl die einwirkende Belastung unverändert bleibt.

Das bedeutet nicht zwangsläufig, dass das Bauteil beschädigt wird. Vielmehr handelt es sich um eine typische Eigenschaft viskoelastischer Werkstoffe, zu denen zahlreiche technische Kunststoffe gehören.

Wie stark ein Kunststoff kriecht, hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:

• Werkstoff: Unterschiedliche Kunststoffe besitzen ein unterschiedliches zeitabhängiges Verformungsverhalten

• Temperatur: Höhere Temperaturen können Kriechvorgänge deutlich beschleunigen.

• Mechanische Belastung: Mit zunehmender Spannung steigt häufig auch die Kriechverformung.

• Belastungsdauer: Je länger eine Belastung wirkt, desto größer kann die Verformung ausfallen.

• Umgebungsbedingungen: Feuchtigkeit und chemische Einflüsse können das Werkstoffverhalten verändern.

Insbesondere bei Bauteilen, die über Monate oder Jahre unter Belastung stehen, ist deshalb nicht nur die kurzfristige Festigkeit entscheidend.

Weitere Informationen zu den unterschiedlichen Materialeigenschaften finden Sie in unserem Beitrag Welcher Kunststoff für welche Anwendung? PA, POM, PP, PE, PTFE, PVDF und PEEK im Vergleich.

Was bedeutet Spannungsrelaxation bei Kunststoffen?

Während beim Kriechen die Verformung unter annähernd konstanter Spannung zunimmt, beschreibt die Spannungsrelaxation einen anderen Vorgang.

Bei einer konstant gehaltenen Verformung nimmt die mechanische Spannung im Werkstoff mit der Zeit ab.

Ein typisches Beispiel ist eine verschraubte Verbindung.

Wird eine Kunststoff-Unterlegscheibe zwischen zwei Bauteilen zusammengedrückt, entsteht zunächst eine bestimmte mechanische Spannung im Kunststoff. Bleibt die Verformung weitgehend konstant, kann diese Spannung mit zunehmender Zeit abnehmen.

Dadurch kann sich auch die aufrechterhaltene Vorspannkraft der Verbindung verändern.

In realen Schraubverbindungen treten Kriechverhalten und Relaxation häufig gemeinsam auf. Das tatsächliche Verhalten hängt dabei von der Steifigkeit aller beteiligten Bauteile, der Verbindungskonstruktion und den Betriebsbedingungen ab.

Kriechen und Relaxation im direkten Vergleich

Beide Effekte gehören zum Langzeitverhalten von Kunststoffen und müssen bei anspruchsvollen technischen Anwendungen berücksichtigt werden.

Welche Auswirkungen haben Kriechen und Relaxation auf Kunststoff-Verbindungselemente?

Kriechverhalten und Spannungsrelaxation sind insbesondere dort relevant, wo Kunststoffteile dauerhaft Kräfte aufnehmen oder definierte Abstände und Klemmkräfte gewährleisten müssen.

Kunststoffschrauben und Kunststoffmuttern

Bei Kunststoffschrauben und Kunststoffmuttern können zeitabhängige Verformungen unter anderem im Gewindebereich und an den Auflageflächen auftreten.

Eine dauerhaft hohe Vorspannung kann dazu führen, dass sich die mechanischen Spannungen innerhalb der Verbindung verändern. Besonders bei erhöhten Temperaturen oder wechselnden Betriebsbedingungen muss deshalb geprüft werden, ob die erforderliche Klemmkraft langfristig erhalten bleibt.

Für die Konstruktion sind unter anderem folgende Punkte wichtig:

• Geeignete Werkstoffauswahl entsprechend der mechanischen und thermischen Anforderungen

• Angepasste Montagekräfte und Anziehdrehmomente

• Ausreichende Auflageflächen zur Verteilung der Belastung

• Berücksichtigung der langfristigen Beanspruchung

Kunststoffschrauben sind besonders interessant, wenn neben der Befestigung auch Eigenschaften wie elektrische Isolation, Korrosionsbeständigkeit oder ein geringes Gewicht benötigt werden. 

Welche Schraubenformen für unterschiedliche Anwendungen infrage kommen, erläutern wir in unserem Ratgeber Kunststoffschrauben richtig auswählen – Werkstoffe, Kopfformen und Anwendungen. 

Kunststoff-Unterlegscheiben 

Kunststoff-Unterlegscheiben werden häufig eingesetzt, um Bauteile voneinander zu trennen, Oberflächen zu schützen, elektrische Kontakte zu vermeiden oder Kräfte zu verteilen. 

Stehen sie dauerhaft unter Druckbelastung, kann sich ihre Dicke im Laufe der Zeit verändern. Gleichzeitig kann die anfänglich vorhandene Druckspannung abnehmen. 

Bei Schraubverbindungen ist deshalb entscheidend, welche Funktion die Unterlegscheibe erfüllen soll. 

Dient sie hauptsächlich dem Oberflächenschutz oder der elektrischen Trennung, können andere Anforderungen gelten als bei einer Verbindung, in der eine bestimmte Vorspannkraft langfristig aufrechterhalten werden muss.

Auch die Scheibengeometrie spielt eine Rolle. Eine größere wirksame Auflagefläche kann bei gleicher Kraft die Flächenpressung reduzieren und damit die mechanische Beanspruchung des Kunststoffs verringern. 

Bei der Auswahl sollten daher nicht nur Innen- und Außendurchmesser, sondern auch Materialstärke, Werkstoff und dauerhafte Druckbelastung berücksichtigt werden. 

Abstandshalter und Distanzstücke aus Kunststoff 

Bei Abstandshaltern und Distanzstücken aus Kunststoff steht häufig die Einhaltung eines definierten Abstandes zwischen zwei Bauteilen im Vordergrund. 

Werden solche Distanzstücke dauerhaft axial belastet, können zeitabhängige Druckverformungen die ursprüngliche Länge verändern. 

Dies kann beispielsweise bei folgenden Anwendungen relevant sein: 

• Positionierung von Leiterplatten und elektronischen Baugruppen 

• Abstandshaltung zwischen Gehäusekomponenten 

• Verschraubte Baugruppen im Maschinen- und Gerätebau 

• Dauerhaft vorgespannte Montageverbindungen

Neben dem Werkstoff müssen deshalb auch Wandstärke, Auflagefläche, Länge und Druckbelastung berücksichtigt werden. 

Insbesondere bei dünnwandigen oder langen Distanzstücken sollte zusätzlich die Stabilität gegenüber Knicken oder seitlicher Verformung geprüft werden. 

Gerade bei maßkritischen Bauteilen lohnt sich außerdem ein Blick auf unseren Fachbeitrag Toleranzen bei Kunststoffteilen – warum Kunststoff nicht wie Metall toleriert werden kann. 

Welche Kunststoffe eignen sich für dauerhaft belastete Bauteile? 

Das Kriechverhalten technischer Kunststoffe unterscheidet sich je nach Material erheblich. Eine pauschale Aussage, welcher Werkstoff grundsätzlich am besten geeignet ist, lässt sich deshalb nicht treffen.

Entscheidend sind die konkreten Einsatzbedingungen. 

Polyamid (PA) 

Polyamid (PA) wird häufig für Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben und Abstandshalter verwendet. 

Der Werkstoff bietet eine interessante Kombination aus mechanischen Eigenschaften, Zähigkeit und Wirtschaftlichkeit. Allerdings beeinflusst die Feuchtigkeitsaufnahme sowohl die Abmessungen als auch das mechanische Verhalten. 

Bei dauerhaft belasteten Bauteilen aus PA sollten deshalb die zu erwartenden Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen berücksichtigt werden.

Polyoxymethylen (POM) 

Polyoxymethylen (POM) zeichnet sich durch gute Steifigkeit, geringe Feuchtigkeitsaufnahme und günstige Gleiteigenschaften aus. 

Der Werkstoff kann für maßhaltige technische Bauteile interessant sein, bei denen eine vergleichsweise geringe Veränderung der Abmessungen durch Feuchtigkeit gewünscht wird. 

Auch POM zeigt jedoch zeitabhängige Verformungen unter mechanischer Belastung. 

Polytetrafluorethylen (PTFE) 

Polytetrafluorethylen (PTFE) wird insbesondere wegen seiner chemischen Beständigkeit, seiner geringen Reibung und seiner elektrischen Eigenschaften eingesetzt. 

Bei dauerhaft mechanisch belasteten Bauteilen ist allerdings Vorsicht geboten: Ungefülltes PTFE besitzt ein vergleichsweise ausgeprägtes Kriechverhalten und kann unter Druckbelastung zu Kaltfluss neigen. 

Je nach Anwendung können modifizierte oder gefüllte PTFE-Werkstoffe geeigneter sein. 

Polyetheretherketon (PEEK) 

Polyetheretherketon (PEEK) gehört zu den Hochleistungskunststoffen und bietet auch bei erhöhten Temperaturen gute mechanische Eigenschaften. 

Der Werkstoff kann für anspruchsvolle Anwendungen interessant sein, in denen herkömmliche technische Kunststoffe an ihre Grenzen gelangen. 

Die höheren Materialkosten müssen dabei gegen die tatsächlichen Anforderungen abgewogen werden. 

Wichtig: Die Eigenschaften unterscheiden sich auch innerhalb einer Werkstofffamilie. Beispielsweise können Faserverstärkungen, Füllstoffe und unterschiedliche Materialtypen das Kriechverhalten erheblich beeinflussen.

Warum spielt die Temperatur beim Kriechverhalten eine so wichtige Rolle? 

Temperatur und Kriechverhalten von Kunststoffen stehen in einem engen Zusammenhang. 

Kunststoffe reagieren auf Temperaturänderungen anders als viele metallische Werkstoffe. Mit steigender Temperatur nimmt bei zahlreichen Thermoplasten die Steifigkeit ab, während zeitabhängige Verformungen stärker ausgeprägt sein können. 

Ein Bauteil, das bei Raumtemperatur über längere Zeit ausreichend formstabil bleibt, kann sich bei einer dauerhaft erhöhten Betriebstemperatur deutlich anders verhalten. 

Deshalb sollten Konstrukteure zwischen der kurzfristig zulässigen Einsatztemperatur eines Kunststoffs und seiner langfristigen mechanischen Belastbarkeit unterscheiden. 

Eine hohe angegebene Temperaturbeständigkeit bedeutet nicht automatisch, dass ein Bauteil bei dieser Temperatur dauerhaft hohe mechanische Kräfte aufnehmen kann. 

Gerade bei Kunststoffschrauben, Unterlegscheiben und Abstandshaltern, die innerhalb warmer Maschinengehäuse oder elektrischer Anlagen eingesetzt werden, ist dieser Zusammenhang von Bedeutung. 

Wie lässt sich das Kriechverhalten bei der Konstruktion berücksichtigen? 

Das zeitabhängige Verformungsverhalten lässt sich nicht vollständig vermeiden. Durch eine kunststoffgerechte Konstruktion können die Auswirkungen jedoch häufig reduziert werden. 

1. Mechanische Spannungen begrenzen 

Eine möglichst gleichmäßige Kraftverteilung und ausreichend dimensionierte Auflageflächen können lokale Spannungsspitzen reduzieren. 

Bei Unterlegscheiben und Distanzstücken sind deshalb nicht nur die Außenabmessungen, sondern auch die tatsächlich belasteten Kontaktflächen entscheidend. 

2. Den richtigen Kunststoff auswählen 

Werkstoffe sollten nicht ausschließlich anhand ihrer kurzfristigen Zugfestigkeit oder Druckfestigkeit verglichen werden. 

Für dauerhaft belastete Bauteile sind insbesondere zeitabhängige Werkstoffkennwerte unter den vorgesehenen Einsatzbedingungen relevant. 

3. Temperatur und Feuchtigkeit berücksichtigen 

Die tatsächlichen Betriebsbedingungen müssen möglichst früh in die Werkstoffauswahl einfließen. 

Gerade bei Polyamid können veränderte Feuchtigkeitsbedingungen erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften haben. 

4. Montage und Vorspannung anpassen 

Bei verschraubten Kunststoffbauteilen ist eine geeignete Montage besonders wichtig. 

Überhöhte Anziehdrehmomente können zu hohen lokalen Belastungen führen. Umgekehrt muss die Verbindung ausreichend sicher ausgelegt sein. 

Bei besonders anspruchsvollen Anwendungen können konstruktive Lösungen sinnvoll sein, die die erforderliche Klemmkraft unabhängig von stark belasteten Kunststoffbereichen aufrechterhalten. 

5. Langzeitverhalten prüfen 

Bei sicherheitsrelevanten oder dauerhaft hoch belasteten Bauteilen sollten geeignete Langzeitkennwerte, beispielsweise Kriechkurven oder Kriechmodul-Daten, herangezogen werden. 

Wo diese nicht ausreichen, können anwendungsbezogene Versuche unter realistischen Betriebsbedingungen erforderlich sein. 

Welche Rolle spielen Kriechen und Relaxation bei Kunststoffteilen nach Zeichnung? 

Bei kundenspezifischen Kunststoffteilen nach Zeichnung lassen sich die Anforderungen an die langfristige Belastbarkeit bereits während der Entwicklung berücksichtigen. 

Dabei geht es nicht nur um die Materialauswahl, sondern auch um die Bauteilgeometrie und das Fertigungsverfahren. 

Je nach Anwendung können beispielsweise folgende Aspekte relevant sein: 

• Anpassung der Wandstärken und Auflageflächen 

• Auswahl geeigneter technischer oder hochleistungsfähiger Kunststoffe 

• Berücksichtigung von Maßänderungen und Toleranzen 

• Optimierung der Geometrie zur Reduzierung lokaler Belastungen 

• Prüfung wirtschaftlicher Fertigungsverfahren 

Insbesondere bei größeren Serien oder dauerhaft eingesetzten Bauteilen kann eine frühzeitige technische Abstimmung helfen, spätere Anpassungen zu vermeiden. 

Auch bei der Entscheidung zwischen einem vorhandenen Standardartikel und einer individuellen Fertigung sollten die späteren Einsatzbedingungen berücksichtigt werden. 

Häufige Fragen zu Kriechverhalten und Relaxation bei Kunststoffen (FAQ) 

Was bedeutet Kriechverhalten bei Kunststoff? 

Unter Kriechverhalten versteht man die zeitabhängige Verformung eines Kunststoffs unter einer länger anhaltenden, annähernd konstanten mechanischen Spannung. Die Verformung kann mit der Zeit zunehmen, obwohl die Belastung unverändert bleibt. 

Was ist der Unterschied zwischen Kriechen und Relaxation? 

Beim Kriechen nimmt die Verformung unter annähernd konstanter Spannung zu. Bei der Spannungsrelaxation nimmt dagegen die Spannung bei annähernd konstant gehaltener Verformung ab. 

Welche Kunststoffe haben ein geringes Kriechverhalten? 

Das hängt von der jeweiligen Belastung, Temperatur und Werkstoffvariante ab. Hochleistungskunststoffe wie PEEK können bei anspruchsvollen Bedingungen Vorteile bieten. Auch verstärkte Kunststoffe können ein günstigeres Kriechverhalten aufweisen als entsprechende unverstärkte Varianten. 

Warum können Kunststoffschrauben ihre Vorspannkraft verlieren? 

Durch zeitabhängige Verformungen und Spannungsrelaxation kann sich die Klemmkraft einer Schraubverbindung verändern. Wie stark dieser Effekt auftritt, hängt unter anderem vom Werkstoff, der Montage, der Temperatur und der Konstruktion ab. 

Können Kunststoff-Unterlegscheiben dauerhaft unter Druck eingesetzt werden? 

Ja, sofern Werkstoff, Geometrie und Belastung entsprechend ausgelegt sind. Bei Anwendungen mit dauerhaft hohen Druckspannungen sollte das Langzeitverhalten der Kunststoff-Unterlegscheibe berücksichtigt werden.

Beeinflusst die Temperatur das Kriechverhalten? 

Ja. Bei vielen thermoplastischen Kunststoffen können höhere Temperaturen die zeitabhängige Verformung deutlich verstärken. Deshalb sollten für die Werkstoffauswahl möglichst Kennwerte unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen verwendet werden.

Fazit: Kriechverhalten und Relaxation frühzeitig berücksichtigen 

Kriechverhalten und Spannungsrelaxation gehören zu den grundlegenden mechanischen Eigenschaften vieler Kunststoffe. 

Während das Kriechen eine zeitabhängige Verformung unter annähernd konstanter Spannung beschreibt, führt Relaxation zu einem Spannungsabbau bei annähernd konstanter Verformung. 

Für Kunststoffschrauben, Kunststoffmuttern, Unterlegscheiben, Abstandshalter und andere technische Kunststoffteile können beide Effekte die langfristige Funktion beeinflussen. 

Entscheidend sind eine geeignete Werkstoffauswahl, eine anwendungsgerechte Konstruktion und die Berücksichtigung der tatsächlichen Betriebsbedingungen. 

Die Kufast GmbH unterstützt Unternehmen bei der Auswahl geeigneter Kunststoff-Verbindungselemente sowie bei der Beschaffung kundenspezifischer Kunststoffteile. Ob Standardartikel oder Zeichnungsteil – sprechen Sie uns gerne an, wenn Sie eine technische Anwendung oder einen konkreten Bedarf besprechen möchten.