Vstřikování plastů PEEK je definováno třemi čísly, která se vymykají běžné praxi v oblasti plastik: bod tání 343 °C, požadavek na suchost pod 0.02 % vlhkosti a forma udržovaná na teplotě 170–200 °C – což je teplota vyšší než tavenina většiny komerčně dostupných pryskyřic. Všechna další rozhodnutí při vstřikování plastů PEEK vyplývají z těchto tří faktorů. Lis, který neudrží 400 °C, sušička, která nedosáhne rosného bodu -40 °C, a nástroj, který nelze rovnoměrně zahřát, budou produkovat odpad z pryskyřice, který stojí mnohonásobně více než ABS nebo polykarbonát.
Tato příručka sleduje proces od pelety až po kontrolovaný díl, aby pomohla inženýrům a vývojářům produktů rozhodovat, zda vůbec PEEK formovat. Zahrnuje krok za krokem proces a důvody jednotlivých kontrol, parametry, které skutečně ovlivňují kvalitu dílu, kde vítězí formování a kde je tiše dražší než obrábění, jak vybrat jakost z poruchy, kterou musí díl přežít, a které aplikace ospravedlňují použití nástrojů. Údaje pocházejí z publikovaných materiálových listů a průvodců zpracováním standardních jakostí PEEK, nikoli z jediného testovacího programu, a popisují typické laboratorní podmínky, nikoli zaručené hodnoty pro konkrétní díl.
Co je PEEK a proč se lisuje a obrábí
PEEK je semikrystalický polyetheretherketon. Publikované datové listy pro standardní neplněné druhy uvádějí teplotu tání 343 °C, začátek skelného přechodu 143 °C a střední bod 150 °C a relativní tepelný index pro elektrické použití 260 °C. Trvalá přípustná provozní teplota na vzduchu se běžně uvádí na 250 °C po dobu 20 000 hodin s rozsahem trvalého provozu 250–260 °C. To jsou typické hodnoty z laboratorních vzorků; skutečné vlastnosti výlisku závisí na jeho geometrii, konfiguraci nástroje a skutečně použitých podmínkách zpracování, a proto samotné datové listy uvádějí, že údaje slouží pro srovnání materiálů.
Stejný polymer se dodává ve dvou formách. Neplněný PEEK se dodává jako granule pro vstřikování a extruzi a stejné chemické složení je k dispozici jako tyč a deska pro obrábění. Výběr mezi nimi je rozhodnutí o objemu a geometrii, nikoli rozhodnutí o materiálu – chemické složení, které odolává sterilizaci párou a agresivním chemikáliím, je stejné. Změnou je množství pryskyřice, které si koupíte, z čeho se stane tříska a zda lze daný tvar vůbec řezat.
Jeden rozdíl je důležitý hned na začátku. PEEK je často popisován jako nehygroskopický, a to v tom smyslu, že se nerozpouští ani nebobtná ve vodě jako nylon. Přesto absorbuje vlhkost: návod k zpracování uvádí, že peletovaná forma obvykle absorbuje asi 0.5 % hmotn./hmotn. atmosférické vlhkosti a datové listy uvádějí absorpci vody při nasycení 0.45 % při 23 °C. Tato absorbovaná frakce je zhruba pětadvacetinásobkem limitu 0.02 % stanoveného před lisováním, a proto sušení není volitelné ani u polymeru, který je v provozu odolný hydrolýze.
PEEK (peek) Proces vstřikováníKrok za krokem
Níže uvedená sekvence se řídí zavedenými pokyny pro zpracování standardních jakostí PEEK. Každý krok existuje kvůli specifickému selhání, kterému zabraňuje.
1. Skladování a manipulace
PEEK se dodává uzavřený v polyethylenu uvnitř odolné krabice a pokyny pro zpracování doporučují udržovat jej uzavřený během přepravy a skladování, otevírat krabice pouze v čistém prostředí a znovu uzavírat zbytky. Uzavřený, suchý a chráněný před slunečním zářením může být materiál skladován déle než deset let. Důvodem je spíše kontaminace než trvanlivost: při 380 °C se z několika zrn jiného polymeru nebo smítka prachu stanou černé skvrny nebo slabý svar a pryskyřice je příliš drahá na to, aby se sešrotovala kvůli údržbě.
2. Sušení
Pelety se umisťují do pece s cirkulací vzduchu při teplotě 120–150 °C po dobu 3–5 hodin, rozprostřené na plechy o hloubce asi 2.5 cm, dokud zbytková vlhkost neklesne pod 0.02 % (rosný bod -40 °C). Jako ekvivalentní postup se akceptuje buď 150 °C po dobu 3 hodin, nebo 120 °C po dobu 5 hodin. Standardní pokyny výslovně uvádějí, že PEEK nesmí sdílet pec s jinými materiály, pokud nejsou řádně izolovány. Vlhkost při teplotě taveniny způsobuje povrchové vady a ztrátu molekulové hmotnosti, takže krok sušení chrání jak vzhled, tak mechanické vlastnosti.
3. Krmné hrdlo
Teplota v násypce se udržuje pod 100 °C – datové listy pro neplněné druhy uvádějí teplotu pod 100 °C, zatímco pokyny pro extruzi doporučují předehřátí granulátu v rozmezí 140–180 °C. Cílem lisování je zabránit vzniku můstků nebo částečnému roztavení pelet před dosažením šneku a zároveň omezit zpětnou absorpci vlhkosti cestou dovnitř.
4. Plastifikace
Válec musí kontrolovatelně dosáhnout teploty 400 °C s přesností zhruba ±2 °C, což vylučuje lité hliníkové ohřívače ve prospěch vysokoteplotních slitin nebo keramických typů. Typické jsou šneky s poměrem L/D 18:1 až 24:1 a kompresním poměrem 2:1 až 3:1 a pro udržení vstřikovacího tlaku je na špičce šneku nutný zpětný kroužek. Doba zdržení by měla být krátká; tavenina může být udržována při 360 °C až hodinu bez znatelné degradace, ale po uplynutí této doby by teplota válce měla klesnout na 340 °C a zpoždění delší než tři hodiny vyžaduje propláchnutí válce.
5. Injekce
Teploty taveniny se pohybují zhruba v rozmezí 355–395 °C v závislosti na druhu materiálu. U neplněného PEEK je typický profil zadní/střední/přední/trysky 355 / 360–365 / 370 / 375 °C; u druhu plněného 30 % skla je to 360 / 370–375 / 380 / 385 °C a u druhu plněného 30 % uhlíkem 375 / 380–385 / 390 / 395 °C. Stabilní pracovní rozsah se obecně udává na 360–400 °C. Vstřikovací tlaky zřídka překračují přibližně 14 MPa s udržovacím tlakem kolem 10 MPa pro přírodní PEEK, ačkoli přesné díly s dlouhým poměrem tekutosti k tloušťce mohou potřebovat více než 200 MPa.
6. Teplota formy
Povrch nástroje se udržuje na teplotě 170–200 °C (průvodci zpracováním často uvádějí 175–205 °C; datové listy uvádějí 170–200 °C pro neplněný PEEK). Jedná se o povrchovou teplotu, nikoli o požadovanou hodnotu regulátoru – při ohřevu olejem jsou běžné ztráty v proudovém potrubí až 40 °C, takže pro dosažení 170 °C u oceli jsou typické požadovanou hodnotu 260 °C. Důvodem je krystalinita: studený nástroj kalí povrch do amorfního stavu, což vede k nejednotné barvě, tmavým nebo průhledným okrajům a nižší pevnosti a chemické odolnosti. Standardní pokyny uvádějí, že díly lisované za doporučených podmínek by měly být nominálně z 30 % krystalické.
7. Balení, chlazení a vyhazování
Přídržný tlak kompenzuje smrštění, když se součást ochlazuje vůči horkému nástroji. Doba chlazení se změní s tloušťkou stěny; publikované křivky doby chlazení při teplotě nástroje 180 °C ukazují, že lepší konstrukce vyhazování může zkrátit dobu chlazení u neplněných jakostí přibližně o 15 %. Součásti jsou vyhazovány, i když jsou stále dostatečně tuhé, aby se zabránilo deformaci.
8. Žíhání
V případech, kdy je důležitá rozměrová stabilita nebo úleva od pnutí, lze lisované díly žíhat. Typický program pro průřez do 20 mm zahrnuje nárůst teploty na 150 °C rychlostí maximálně 30 °C/h, výdrž 3 hodiny, nárůst teploty na 200 °C stejnou rychlostí, výdrž 4 hodiny a následné ochlazování rychlostí maximálně 15 °C/h. Žíhání také dokončí krystalizaci a stabilizuje smrštění.
9. Inspekce
Závěrečné kontroly potvrzují rozměry, vzhled (tmavé okraje a černé skvrny jsou klasickými vadami PEEK) a tam, kde je specifikována, i krystalinitu pomocí DSC. Schválení prvního výrobku, které zahrnuje data o krystalinitě, uzavírá smyčku, zda se nástroj skutečně dostatečně zahřál.
Parametry zpracování, které určují kvalitu dílu
Parametrů, které rozhodují o tom, zda díl z PEEK splňuje svůj výkres, je méně, než naznačuje úplný seznam nastavení stroje. Jsou to sušení, teplota taveniny, teplota formy, vstřikovací tlak a rychlost, velikost vtoku a žlabu a přídavek na smrštění. Níže uvedená tabulka porovnává tři standardní třídy na základě hodnot, které se mezi nimi nejvíce liší, a to na základě jejich datových listů.
| Parametr | 450 g (neplněné) | 450GL30 (30 % skla) | 450CA30 (30 % uhlíku) |
| Viskozita taveniny při 400 °C | 350 Pa·s | 550 Pa·s | 675 Pa·s |
| Smrštění při formování, směr toku | 0.90% | 0.30% | 0.10% |
| Smrštění formy, napříč prouděním | 1.3% | 0.90% | 0.50% |
| Teplota trysky (typická) | 375 °C | 385 °C | 395 °C |
| Teplota formy (typická) | 170-200 ° C | 180-200 ° C | 180-210 ° C |
| Minimální brána | > 1 mm | > 2 mm | > 2 mm |
| Sušení | 120–150 °C, 3–5 hodin, <0.02 % | stejný | stejný |
Smrštění při vstřikování tří standardních jakostí PEEK podél a napříč směrem toku taveniny, měřeno na zkušebních vzorcích dle ISO 294-4 za specifických podmínek trysky a nástroje pro danou jakost (neplněný materiál: tryska 375 °C, nástroj 190 °C; 30 % skla: tryska 385 °C, nástroj 190 °C; 30 % uhlíku: tryska 395 °C, nástroj 200 °C). Hodnoty slouží pouze pro srovnání materiálů – skutečné smrštění závisí na geometrii dílu, konfiguraci formy a podmínkách zpracování.
Z tabulky vyplývá trojí množství. Zaprvé, plněné druhy tavenin mají tužší taveninu – 550 a 675 Pa·s oproti 350 Pa·s – takže potřebují vyšší nastavené hodnoty válce a větší vtokové otvory pro vyplnění stejné stěny. Zadruhé, smrštění se ve směru proudění snižuje s rostoucím obsahem vláken, ale mnohem méně napříč prouděním, a proto se stejný díl smršťuje různě podél a napříč dráhou taveniny. Zatřetí, pravidlo smrštění vtokových otvorů se u kompozitních materiálů zhruba zdvojnásobuje: minimum je 1 mm pro neplněný PEEK a 2 mm pro kompozitní materiály, neboli asi dvě třetiny tloušťky stěny u silných dílů, přičemž vtokové otvory jsou 1 až 1.5násobek tloušťky vstřikovacího lisu. Vtokové otvory by měly u formy a trysky přesáhnout 3 mm a v rozdělovači 3.5 mm.
Vstřikovací tlak a rychlost šneku jsou druhotné úpravy po jejich nastavení. Vhodné jsou univerzální šneky a protitlak zlepšuje homogenitu taveniny, zatímco typické pokyny doporučují obvodové rychlosti šneků 5–10 m/min pro neplněné druhy a ne více než 6 m/min pro vyztužené druhy, protože vysoké lokální smykové síly přehřívají taveninu. Obvyklé jsou protitlaky 2–8 MPa, u plněných druhů nižší, aby se s vlákny zacházelo šetrně.
Pokud jde o smrštění, používejte čísla z datových listů k porovnání jakostí, nikoli k řezání oceli. Datové listy jasně uvádějí, že údaje o smrštění slouží pro porovnání materiálů a že skutečné hodnoty silně závisí na geometrii dílu, konfiguraci formy a podmínkách zpracování; standardní praxe dodává, že nástroje by měly být vždy řezány s ohledem na kov. Jedinou spolehlivou korekcí je první měření na vaší vlastní geometrii.
Výhody vstřikování PEEK – a kdy každá z nich platí
Výhody lisování PEEK jsou skutečné, ale každá z nich je podmíněná a uvedení podmínky je to, co odlišuje užitečné tvrzení od prodejní argumentace.
Komplexní geometrie síťového tvaru
Lisování vytváří výstupky, žebra, svorky a závity v jednom záběru, zatímco obrábění by vyžadovalo více nastavení a nemuselo by vůbec dosáhnout požadovaného prvku. Podmínka: nástroj musí být správně uzavřen a odvětráván. Průvodci řešením problémů připisují krátké výlisky a svarové linie nedostatečnému odvětrávání a konstrukci otvorů stejně často jako nastavení stroje, takže geometrická výhoda je jen tak dobrá, jako konstrukce nástroje, která za ní stojí.
Ekonomie s vysokým objemem
Lisovaný díl spotřebuje na jeden vstřik gramů pryskyřice; obráběný díl začíná jako polotovar a většinu z něj zanechává ve formě třísek. Podmínka: nástroje se musí amortizovat. Pod tímto objemem dominují náklady na nástroje a obrábění je levnější – tato problematika je předmětem pozdější části.
Opakovatelné vlastnosti při dané teplotě
Protože teplota formy ovlivňuje krystalinitu, dobře řízený horký nástroj poskytuje konzistentní pevnost, chemickou odolnost a rozměrové vlastnosti v celé výrobní sérii. Podmínka: povrch nástroje musí skutečně dosáhnout požadované teploty. Nástroj, který běží za studena, vyrábí díly, které vypadají jako celistvé, ale poté selhávají při zatížení, které by běžně dostupný plast vydržel.
Eliminace sekundárního obrábění
Prvky, které by jinak byly po lisování vyříznuty, se vyjmou z nástroje, čímž se ušetří nastavení a zabrání se narušení povrchu způsobenému obráběním. Podmínka: Požadované tolerance musí být v rámci možností lisování. Typické tolerance se za standardních podmínek lisování pohybují přibližně kolem 0.05 % – což je pro mnoho prvků v pořádku, ale nenahrazuje obrábění tam, kde výkres vyžaduje přesnější tolerance.
Materiálová efektivita a designová svoboda
Formování umožňuje dosáhnout tloušťky stěn, žebrování a vnitřních prvků, které by bylo obtížné nebo nemožné řezat, a zároveň zabraňuje vzniku odpadu z polotovarů, který prodražuje obrábění PEEK. Podmínka: díl musí být navržen pro formování, s jednotnými stěnami a dostatečným úkosem, což zahrnuje i konstrukční část.
Žádná z těchto výhod by neměla být u konkrétního dílu uplatňována bez kontroly jeho geometrie. Velký, jednoduchý tvar s volnou tolerancí by je nemusel mít.
Omezení a skryté náklady
Náklady, které překvapí začínající výrobce PEEK nástrojů, zřídkakdy představují pouze cenu pryskyřice. Patří mezi ně nástroj, náklady na energii a míra zmetkovitosti.
Horký nástroj
Udržování formy na teplotě 170–200 °C vyžaduje ohřev olejem, elektrické ohřívače patron nebo jejich kombinaci. Elektrický ohřev je ekonomický a snadno se udržuje, ale je náchylný k tvorbě horkých míst, což je nejvhodnější pro malé součásti; olejové ohřívače se hůře konstruují, ale dokáží odvádět teplo, což je důležité pro velké dávky a hluboká jádra. Důrazně se doporučují izolační desky mezi formou a deskou a olejové potrubí by mělo být krátké a izolované, protože běžné jsou tepelné ztráty až 40 °C. To vše zvyšuje kapitál, dobu ohřevu a energii v každém cyklu.
Čas cyklu
Horká forma ochlazuje díl pomaleji a tlusté profily ochlazují díl dále. Publikované odhady doby ochlazování v závislosti na tloušťce stěny při teplotě nástroje 180 °C prudce rostou s tloušťkou. Díly z PEEK se proto neformují rychle, což zvyšuje náklady na díl, i když je použití pryskyřice nízké.
Úzké okno zpracování
Tavenina je stabilní mezi zhruba 360 a 400 °C, ale mimo toto pásmo se způsoby selhání násobí: příliš chladno a tavenina zamrzne u trysky nebo při krátkých dávkách; příliš horko nebo příliš dlouho držené tavenina degraduje na křehké části a tmavé pruhy. U tak drahé pryskyřice je každá zmetková dávka skutečnou ztrátou a míra zmetkovitosti je nejvyšší při spouštění a změnách jakosti.
Limity pro přebroušení
PEEK lze přepracovat, ale standardní pokyny omezují přemletí na maximálně 30 % hmotn./hmotn. pro neplněný polymer a 10 % hmotn./hmotn. pro plněné směsi a varují, že i nízké hladiny cizích materiálů vážně ovlivňují kvalitu vstřikování při těchto teplotách. To omezuje, kolik odpadu z vtoku lze získat zpět, zejména u plněných jakostí.
Citlivost na kontaminaci
Důrazně se doporučuje používat speciální naběračky, tácy a sušicí zařízení a v literatuře o zpracování se uvádí, že černé skvrny v přírodních typech obvykle vyplývají z křížové kontaminace nebo nedostatečného proplachování. Dílna, která používá PEEK spolu s dalšími polymery, vyžaduje disciplínu v segregaci, jinak dojde ke ztrátě dílů v důsledku kontaminace.
Kompromisy horkých vtoků
Horké vtoky šetří materiál a rozšiřují časové okno zpracování, ale s sebou nesou vyšší počáteční kapitálové náklady, větší problémy s kontaminací při proplachování a celkovou náročnější údržbu než studené vtoky. Systém musí pracovat konzistentně při 450 °C, s externím ohřevem a bez vnitřních omezení průtoku, a trysky by měly být spíše velkorysé než kolíkové.
Toleranční limity
Formování nemůže splňovat nejmenší tolerance bez sekundárních operací. Pokud výkres vyžaduje lepší než standardní lisovací schopnost, naplánujte obrábění po vstřikování a zahrňte ho do ceny.
Údaje o nákladech na všechny výše uvedené položky se příliš liší v závislosti na dílu, objemu a dílně, než aby se zde daly zodpovědně uvádět. Správným přístupem je považovat je za směrodatné: horký nástroj, pomalé cykly a omezené broušení zvyšují náklady na jednotku a objem, při kterém se provádí obrábění, se odpovídajícím způsobem mění.
Výběr stupně PEEK pro způsob selhání
Výběr třídy je snazší, pokud začnete s poruchou, kterou musí součást přežít, spíše než s tabulkou vlastností. Tři standardní třídy Victrex odpovídají třem různým režimům poruchy.
Modul pružnosti v tahu při 23 °C (ISO 527-1) a mezní napětí při 23 °C (ISO 527-2) pro tři druhy PEEK Victrex z datových listů dodavatele. Hodnoty v datových listech popisují laboratorní vzorky pro srovnání materiálů; vlastnosti výlisku závisí na jeho geometrii, konfiguraci nástroje a podmínkách zpracování.
Neplněná jakost – pro tažnost a houževnatost
Datový list uvádí 25% mezní napětí, modul pružnosti v tahu 4 000 MPa a žádné přetržení při rázových zkouškách Charpyho i Izoda bez vrubu při 23 °C. Neplněný PEEK nabízí nejvyšší prodloužení a houževnatost v celé řadě materiálů, což je vhodné pro přístrojové a těsnicí součásti, kde je tažnost a inertnost kritická. Neplněný PEEK zvolte, pokud se součást musí ohýbat, absorbovat náraz nebo utěsnit proti dosedacímu povrchu bez praskání.
Skelná plněná třída – pro statickou tuhost a nízkou tepelnou roztažnost
Třicetiprocentní složení skla zvyšuje modul pevnosti v tahu na 11 500 MPa a poskytuje teplotu tepelné deformace 328 °C při 1.8 MPa, s koeficientem směru proudění lineární tepelné roztažnosti 18 ppm/K pod bodem skelného přechodu. V datovém listu je popsáno jeho použití jako vyšší pevnost ve statickém systému s nízkým koeficientem tepelné roztažnosti. Zvolte jej, když si součástka musí udržet tvar pod zatížením při dané teplotě a zůstat rozměrově stabilní – konstrukční konzola, pouzdro, součástka, která nesmí přerůst do sousední.
Uhlíkem plněná třída – pro odolnost proti opotřebení a nejvyšší modul
Třicetiprocentní podíl uhlíkových vláken poskytuje modul pružnosti v tahu 28 000 MPa, nejnižší smrštění ve směru proudění v celé řadě s 0.10 % a v datovém listu je popsána vynikající odolnost proti opotřebení a nízký koeficient tření ve statických i dynamických systémech. Zvolte ji, když se součást posouvá, tře nebo nese zatížení a tuhost je důležitější než prodloužení.
Kompromisy jsou u všech plněných jakostí stejné. Jsou abrazivnější vůči nástrojům, a proto se doporučují šrouby a bimetalové válce chráněné proti opotřebení a proto se velikosti vtoků zdvojnásobují. Ztrácejí prodloužení – 3.0 % u jakosti s 30% obsahem skla a 1.7 % u jakosti s 30% obsahem uhlíku oproti 25% obsahu neplněné oceli – takže by se díl, který se musí ohýbat, neměl vyplňovat. Anizotropně se smršťují, přičemž hodnota průtoku je několikanásobně vyšší než hodnota průtoku, což komplikuje korekci nástroje. Každé tvrzení musí být vázáno na datový list dané jakosti; číslo z jedné jakosti se nepřenáší na jinou.
Aplikace, pro které je vhodné vstřikování PEEK
PEEK si vydobyje svou cenu v aplikacích, kde by teplota, chemie nebo sterilizace překonaly běžné technické plasty. Lisování si vydobyje své místo tam, kde tyto aplikace vyžadují také objem, složitou geometrii nebo opakovatelnost.
Zdravotnictví
PEEK odolává opakované sterilizaci párou a publikované testy lékařské kvality neuvádějí žádnou významnou ztrátu mechanických vlastností po více než 1 500 sterilizačních cyklech při 134 °C, měřeno na plastových vzorcích bez čisticích cyklů. Typickými materiály jsou chirurgické nástroje, zkušební implantáty a zubní komponenty. Biokompatibilita polymeru není automatická: norma ASTM F2026-23 stanoví požadavky na panenský PEEK v aplikacích chirurgických implantátů a výslovně vylučuje plněné, barvené nebo regenerované formy a pokyny FDA ISO 10993-1 rámují biologické hodnocení jako proces řízení rizik. Vstřikování je pro tento sektor vhodné, když jsou potřeba nástroje nebo jednorázové komponenty v objemu s konzistentní geometrií; obrábění je vhodné pro implantáty specifické pro pacienta nebo nízkoobjemové implantáty.
Letectví a kosmonautika Automobilový průmysl
Lehké díly, které musí odolat vysokým teplotám pod kapotou nebo v draku letadla, těží z nepřetržité provozní schopnosti PEEK kolem 250 °C a z jeho zachování pevnosti při dané teplotě – datový list 450G uvádí ohybové napětí 85 MPa při 125 °C a 19 MPa při 175 °C. Výlisky pasují na konzoly, pouzdra a pouzdra tam, kde je geometrie složitá a objem odůvodňuje použití nástroje; velké nebo jednoduché díly často zůstávají obráběny.
Elektronika a polovodiče
Elektrické vlastnosti PEEKu si zachovávají široký teplotní rozsah a jeho rozměrová stabilita je vhodná pro malé přesné součástky vyráběné ve velkém množství – klasický případ pro lisování, kde z jednoho nástroje vycházejí tisíce identických dílů.
Energie a ropa a plyn
Chemická odolnost vůči kyselinám, zásadám, uhlovodíkům a rozpouštědlům při zvýšené teplotě a odolnost vůči hydrolýze v páře a mořské vodě činí z PEEKu kandidáta pro těsnění, součásti ventilů a díly do vrtů. Vstřikování je vhodné pro opakovatelné malé díly; velké nebo jednorázové součásti se obvykle vyrábějí ze sériových tvarů.
Průmyslové vybavení
Opotřebitelné díly, ložiska a pouzdra těží z nízkého tření a odolnosti proti opotřebení u uhlíkem plněné třídy. Pokud se jedná o spotřební materiál vyměňovaný ve velkém množství, investice do vstřikování se rychle amortizují.
V obou případech je logika stejná: vlastnost ospravedlňuje PEEK a objem nebo geometrie ospravedlňuje spíše lisování než obrábění.
Kdy Stroj PEEK místo formování
Obrábění zůstává správným řešením pro velkou část dílů z PEEK a znalost toho, kdy to udělat, šetří peníze.
Stroj, když je objem nízký. Pod bodem, kde se nástroje amortizují, dominují náklady na nástroje a vstřikování PEEK je dražší cestou. Prototypy, můstkové nástroje a jednorázové přípravky patří na frézku nebo soustruh, kde se neúčtují žádné náklady na nástroje a změny designu stojí pouze programovací čas.
Obrábějte, když je geometrie velká nebo jednoduchá. Velký, blokový díl s malým počtem prvků má při řezání z ingotu malý odpad a forma pro něj by byla velká, horká a drahá. Odpad z polotovaru, který činí obráběný PEEK drahým, je úměrný tomu, jak velká část ingotu se stane součástí; u jednoduchého tvaru se jí zbaví většina.
Obrábějte, když tolerance překračují možnosti lisování. Typické tolerance lisování se za standardních podmínek pohybují kolem 0.05 %. Pokud výkres vyžaduje přesnější rozměry nebo prvky, které lisování nedokáže vytvořit, naplánujte obrábění – buď celý díl, nebo sekundární operaci po lisování.
Forma, kdy roční objem amortizuje nástroj. Výpočet má čtyři proměnné: cenu nástroje, velikost dílu (která určuje hmotnost dávky a dobu cyklu), cenu pryskyřice na dávku a zabráněný úběr materiálu při obrábění. S rostoucím objemem se cena nástroje rozkládá na více dílů a na množství pryskyřice šetřící směsi na dávku. Křížení je specifické pro každý díl; způsob, jak ho zjistit, je vyžádat si cenovou nabídku, která odděluje náklady na nástroje od nákladů na díl, a porovnat ji s cenovou nabídkou na obrábění při stejném ročním objemu.
Forma, když je geometrie složitá a má síťový tvar. Nálitky, závity, svorky a vnitřní prvky jsou při obrábění bez nutnosti dobře navrženého nástroje a nákladů na nastavení.
Forma, kde záleží na opakovatelnosti u mnoha dílů. Jeden nástroj vyrábí identické díly dávku za dávkou; obrábění závisí na konzistenci nastavení. Pro výrobní program je opakovatelnost formy sama o sobě kvalitativní výhodou.
Poctivý rámování je výpočet objemu versus amortizace nástrojů, nikoli pravidlo. Vymyslela by se jakákoli konkrétní částka v dolarech; důležité jsou proměnné.
Navrhování pro PEEK: Nástroje a pravidla pro díly, která zabraňují zmetkovitosti
Většina odpadu z PEEK je důsledkem několika konstrukčních rozhodnutí učiněných před řezáním oceli. Níže uvedená pravidla existují kvůli vysokým teplotám taveniny a formy, nikoli proto, že by bylo v principu neobvykle obtížné navrhnout PEEK.
1. Jednotné stěnové úseky.
Typické doporučení uvádí minimální tloušťku stěny asi 1 mm pro neplněné PEEK směsi a 1.5 mm pro plněné. Rovnoměrné stěny se rovnoměrně ochlazují a rovnoměrně smršťují; přechody z tlusté do tenké vrstvy vytvářejí propadliny, dutiny a deformace, které žádné nastavení stroje nedokáže plně opravit.
2. Velkorysé, dobře větrané brány.
Standardní je minimální tloušťka vtokového kanálu 1 mm pro neplněné díly a 2 mm pro kompozitní materiály, nebo asi dvě třetiny tloušťky stěny pro tlusté díly, přičemž vtokové kanály mají 1 až 1.5násobek tloušťky vstřikovaného materiálu. Minimální tloušťka vtokových kanálů je asi 4 mm se vstupním průměrem 1.5násobkem největší tloušťky dílu. Velké kanály udržují tok taveniny a snižují stopy po propadu a dutiny; dostatečné odvětrávání zabraňuje krátkým výstřelům a stopám po spálení.
3. Horké vtoky určené pro 450 °C.
Pokud se používá horký vtok, vyžaduje se vnější ohřev bez vnitřních omezení průtoku, konzistentní provoz při 450 °C, trysky s velkým rozptylem umístěné na povrchu součásti a velmi dobrá individuální regulace teploty pro udržení vyvážení nástroje. Použití kolíkového vtoku se nedoporučuje.
4. Nástrojové oceli, které si udržují tvrdost při dané teplotě.
Obvyklým cílem je tvrdost v dutině a jádru Rockwell 52–54 při teplotách zpracování PEEK. Běžnou volbou jsou oceli s tvrdostí přibližně 54–58 HRC při dané teplotě, včetně 1.2343 ESU, 1.2379, 1.2083 a 1.2316. Plněné oceli jsou abrazivní, takže je důležitá odolnost proti opotřebení na vtoku.
5. Příspěvek na anizotropní smrštění.
Smrštění se liší podél a napříč toku, a u plniv ještě více – 0.90 % oproti 1.3 % u 450G, 0.10 % oproti 0.50 % u 450CA30. Řezte nástroj bezpečně a správně z hlediska kovu na základě měření prvního výrobku na skutečné geometrii, spíše než pouze na základě smrštění podle datového listu.
6. Simulace procesu před řezáním oceli.
Simulace by měla vždy proběhnout před řezáním oceli, aby se umístily vtokové otvory pro vyvážený tok, minimalizovaly se pletené linie a určilo se, kde je potřeba odvětrání. U nástroje vyrobeného pro provoz při 200 °C je výměna oceli drahá, takže simulace je levná pojistka.
Závěr o vstřikování plastů PEEK
Vstřikování PEEK se vyplatí, když objem a geometrie ospravedlňují použití horkého nástroje a disciplinované sušení; pod touto hranicí zůstává obrábění správným řešením. Procesní řetězec je pevný – uzavřené skladování, sušení na vlhkost pod 0.02 %, plastifikační jednotka schopná sušení do 400 °C, nástroj udržovaný na 170–200 °C, řízené plnění a chlazení, žíhání v případě potřeby a kontrola zahrnující krystalinitu. Parametry, které určují kvalitu, jsou sušení, teplota taveniny, teplota formy, velikost vtoku a žlabu a přípustné smrštění, které se mění podle třídy: viskozita taveniny 350, 550 a 675 Pa·s a smrštění ve směru proudění 0.90 %, 0.30 % a 0.10 % pro neplněný, sklem plněný a uhlíkem plněný PEEK.
Výběr jakosti se řídí způsobem selhání: neplněný pro tažnost a houževnatost, plněný skelnými vlákny pro statickou tuhost a nízkou tepelnou roztažnost, plněný uhlíkem pro opotřebení a nejvyšší modul. Aplikace se řídí stejnou logikou – lékařské, letecké, automobilové, elektronické, energetické a průmyslové díly ospravedlňují použití PEEK pro specifickou vlastnost a lisování pro specifický objem nebo geometrii.
Dalším krokem je definovat roční objem, toleranci a geometrii a poté si vyžádat cenovou nabídku, která oddělí náklady na nástroje od nákladů na díl. Toto srovnání s cenovou nabídkou na obrábění ve stejném objemu je jediným spolehlivým způsobem, jak rozhodnout, který proces by měl být pro díl použit.
Spolupráce s NOBLE na vašem projektu vstřikování plastů PEEK
Zakázkové služby vstřikování plastů PEEK od společnosti NOBLE zahrnují ocelové a hliníkové nástroje, jednodutinové, vícedutinové a rodinné formy a lisy od 50 do 500 tun, s opakovatelností díl od dílu ±0.1 mm a tolerancemi dutiny formy ±0.05 mm. PEEK je uveden mezi zpracovávanými materiály a kontrola je podporována interně pomocí souřadnicových měřicích strojů ZEISS. Tyto údaje popisují obecné schopnosti společnosti NOBLE v oblasti vstřikování; nejedná se o konkrétní případovou studii PEEK a program PEEK by měl i tak potvrdit výše uvedené body – teplotní odolnost válce, způsob ohřevu nástroje, rosný bod sušení a kontrolu krystalinity – v porovnání s konkrétním lisem a nástrojem, který bude díl obrábět.
Co si připravit před vyžádáním cenové nabídky: 3D model a výkres s uvedenými tolerancemi, roční a zaváděné objemy, provozní prostředí (teplota, chemikálie, sterilizační cykly), stupeň nebo popis režimu selhání, který musí součástka vydržet, a případné regulační normy, které musí součástka splňovat. S těmito informacemi může cenová nabídka oddělit náklady na nástroje od ceny součástky, což je jediný způsob, jak poctivě porovnat lisování s obráběním.
Dodací lhůty uvedené společností NOBLE – cenové nabídky do 24 hodin a díly do 7–10 dnů u mnoha zakázek – platí pro její nabídku všeobecných služeb; nástroje z PEEK a validace procesů mohou probíhat podle jiného harmonogramu v závislosti na dílu a třídě.
Často kladené otázky o vstřikování plastů PEEK
Proč se musí PEEK sušit, když není hygroskopický?
Protože „není hygroskopický“ znamená, že se nerozpouští ani nebobtná ve vodě, ne že zůstává suchý. Pelety obvykle absorbují asi 0.5 % atmosférické vlhkosti a limit před tvarováním je 0.02 %. Vlhkost při 380 °C způsobuje povrchové vady a ztrátu molekulové hmotnosti, takže se materiál suší při 120–150 °C po dobu 3–5 hodin do rosného bodu -40 °C.
Proč je forma teplejší než teplota tání většiny pryskyřic?
Protože teplota formy řídí krystalinitu. Průvodci zpracováním doporučují povrch nástroje o teplotě 175–205 °C (datové listy uvádějí 170–200 °C pro neplněný PEEK), aby se díl rozvinul o krystalické struktuře; díly lisované za doporučených podmínek by měly být nominálně z 30 % krystalické. Studený nástroj kalil povrch do amorfního stavu, což vytvářelo tmavé nebo průhledné okraje a nižší pevnost a chemickou odolnost.
Lze PEEK přebrousit a v jakém poměru?
Ano. Standardní pokyny stanoví maximálně 30 % hmotnostních drti pro neplněný polymer a 10 % hmotnostních pro plněné směsi a varují, že i nízké hladiny cizích materiálů vážně ovlivňují kvalitu při teplotách zpracování PEEK.
Jak si stojí lisování v porovnání s obráběním z hlediska nákladů a tolerancí?
Formování vítězí z hlediska nákladů, jakmile se nástrojová investice amortizuje, protože každý vstřik spotřebuje gramy pryskyřice místo sochoru a dosahuje komplexní geometrie čistého tvaru. Obrábění vítězí při nízkých objemech a s nejmenšími tolerancemi; typické tolerance formování se za standardních podmínek pohybují kolem 0.05 % a přísnější požadavky vyžadují sekundární obrábění.
Jaká teplota formy je potřebná pro dosažení plné krystalinity?
Průvodce zpracováním od společnosti Victrex doporučuje povrchovou teplotu 175–205 °C a společnost Evonik doporučuje teploty nástrojů nad 180 °C pro dosažení vysokého stupně krystalizace. Protože nástroje ohřívané olejem ztrácejí teplo průtokovými potrubími, je požadovaná hodnota regulátoru často mnohem vyšší než skutečně dosažená povrchová teplota.
Mohou být vyplněné stupně zpracovány ve stejném nástroji jako nevyplněné?
Lze je formovat ve stejném nástroji pouze s opatrností. Plněné druhy oceli potřebují větší otvory – minimálně 2 mm oproti 1 mm – smršťují se jinak a jsou abrazivní vůči nástrojům, takže nástroj s otvory pro neplněný PEEK se nemusí vyplnit nebo se může rychle opotřebovat u jakosti plněné sklem nebo uhlíkem. Pokyny společnosti Victrex jsou navrhnout otvory pro jakost, která bude fungovat, a pro plněné směsi používat otěruvzdorné oceli.
