A PEEK fröccsöntést három szám határozza meg, amelyek messze kívül esnek a szokásos műanyagipari gyakorlaton: 343 °C olvadáspont, 0.02% alatti szárazsági követelmény és 170–200 °C-on tartott öntőforma – ami melegebb, mint a legtöbb hagyományos gyanta olvadéka. A PEEK fröccsöntéssel kapcsolatos minden más döntés e háromból következik. Egy olyan prés, amely nem tud 400 °C-ot tartani, egy olyan szárító, amely nem éri el a −40 °C harmatpontot, és egy olyan szerszám, amelyet nem lehet egyenletesen melegíteni, mind olyan hulladékot eredményez a gyantából, amely sokszor annyiba kerül, mint az ABS vagy a polikarbonát.
Ez az útmutató a pellettől az ellenőrzött alkatrészig tartó folyamatot követi nyomon, hogy a mérnökök és termékfejlesztők eldönthessék, hogy egyáltalán fröccsöntenek-e PEEK-et. Lépésről lépésre ismerteti a folyamatot és az egyes szabályozások mögött meghúzódó okokat, azokat a paramétereket, amelyek ténylegesen befolyásolják az alkatrész minőségét, hol nyer a fröccsöntés, és hol kerül csendben többe, mint a megmunkálás, hogyan válasszunk ki egy minőséget a meghibásodásból, amelyet az alkatrésznek túl kell élnie, és mely alkalmazások indokolják a szerszámozást. Az adatok a szabványos PEEK minőségekre vonatkozó publikált anyagadatlapokból és feldolgozási útmutatókból származnak, nem pedig egyetlen vizsgálati programból, és tipikus laboratóriumi körülményeket írnak le, nem pedig egy adott alkatrész garantált értékeit.
Mi a PEEK, és miért öntik és megmunkálják?
A PEEK egy félkristályos poliéter-éter-keton. A standard, töltetlen minőségek publikált adatlapjai 343 °C olvadáspontot, 143 °C üvegesedési hőmérsékletet kezdenek, 150 °C-ot középen, valamint 260 °C relatív hőindexet tüntetnek fel elektromos használatra. A levegőn megengedhető folyamatos üzemi hőmérsékletet általában 250 °C-on adják meg 20 000 órán keresztül, 250–260 °C folyamatos üzemi tartománnyal. Ezek tipikus adatok laboratóriumi mintákból; egy fröccsöntött alkatrész valós tulajdonságai a geometriájától, a szerszámkonfigurációtól és a ténylegesen alkalmazott feldolgozási körülményektől függenek, ezért maguk az adatlapok is azt mondják, hogy az adatok anyag-összehasonlításra szolgálnak.
Ugyanaz a polimer két formában érkezik. A töltetlen PEEK granulátumként kerül forgalomba fröccsöntéshez és extrudáláshoz, ugyanez a kémiai anyag pedig rúd és lemez formájában kapható megmunkáláshoz. A kettő közötti választás térfogat- és geometriabeli döntés, nem anyagbeli – a gőzsterilizálásnak és az agresszív vegyszereknek ellenálló kémiai anyag azonos. Ami változik, az az, hogy mennyi gyantát vásárol, mennyiből lesz forgács, és hogy a forma egyáltalán vágható-e.
Egy különbség már az elején számít. A PEEK-et gyakran nem higroszkóposnak írják le, és ez abban az értelemben igaz, hogy nem oldódik és nem duzzad vízben, mint a nejlon. Ennek ellenére felszívja a nedvességet: a feldolgozási útmutató megjegyzi, hogy a pellet forma jellemzően körülbelül 0.5% (tömeg/tömeg) légköri nedvességet vesz fel, és az adatlapok 0.45%-os telítettségi vízfelvételt tüntetnek fel 23 °C-on. Ez az elnyelt frakció nagyjából huszonötszöröse a frakcionálás előtt beállított 0.02%-os határértéknek, ezért a szárítás nem opcionális még olyan polimerek esetében sem, amelyek ellenállnak a hidrolízisnek üzem közben.
A PEEK Fröccsöntés folyamata, Lépésről lépésre
Az alábbi sorrend a szabványos PEEK-minőségekre vonatkozó bevett feldolgozási útmutatást követi. Minden lépés egy adott meghibásodás miatt létezik, amelyet megelőz.
1. Tárolás és kezelés
A PEEK műanyagot polietilénbe zárva, nagy teherbírású dobozban szállítják, és a feldolgozási útmutató azt javasolja, hogy a szállítás és tárolás során lezárva tartsák, a dobozokat csak tiszta helyen nyissák ki, és a maradékot zárják vissza. Lezárva, száraz helyen, napfénytől védve az anyag több mint tíz évig tárolható. Ennek oka inkább a szennyeződés, mint az eltarthatóság: 380 °C-on néhány másik polimer szemcse vagy egy porszem fekete foltokká vagy gyenge hegesztési vonallá válik, és a gyanta túl drága ahhoz, hogy a háztartási hulladékot selejtezze.
2. Szárítás
A pelleteket egy légkeringetéses kemencébe helyezik 120–150 °C-on 3–5 órán át, majd körülbelül 2.5 cm mély tálcákban szétterítik, amíg a maradék nedvességtartalom 0.02% alá nem csökken (−40 °C harmatpont). A 150 °C-os hőmérséklet 3 órán át vagy a 120 °C-os hőmérséklet 5 órán át elfogadható egyenértékű eljárásként. A szabványos irányelv kifejezetten kimondja, hogy a PEEK nem osztozhat a kemencében más anyagokkal, kivéve, ha megfelelően el van szigetelve. Az olvadékhőmérsékleten lévő nedvesség felületi hibákat és molekulatömeg-veszteséget okoz, így a szárítási lépés mind a megjelenést, mind a mechanikai teljesítményt védi.
3. Takarmánytorok
A tartályt 100 °C alatt tartják – a töltetlen minőségek adatlapjai 100 °C alatti hőmérsékletet írnak elő, míg az extrudálási útmutató a granulátum 140–180 °C-os előmelegítését javasolja ehhez a folyamathoz. A fröccsöntés célja, hogy a pelletek ne tömörödjenek át vagy ne olvadjanak meg részlegesen, mielőtt elérnék a csigát, miközben korlátozzák a nedvesség újbóli felszívódását a bejutás során.
4. Lágyítás
A hengernek szabályozhatóan el kell érnie a 400 °C-ot, nagyjából ±2 °C-on belül, ami kizárja az öntött alumínium fűtőberendezések használatát, és helyette a magas hőmérsékletű ötvözetekből vagy kerámiákból készült fűtőberendezéseket részesíti előnyben. A 18:1 és 24:1 közötti átmérőjű (L/D) csavarok jellemzőek, 2:1 és 3:1 közötti sűrítési aránnyal, és a csavar hegyén egy visszacsapó gyűrű szükséges a befecskendezési nyomás fenntartásához. A tartózkodási időt rövidre kell tartani; az olvadék akár egy órán át is tartható 360 °C-on jelentős romlás nélkül, de ezen túl a henger hőmérsékletének 340 °C-ra kell csökkennie, és három óránál hosszabb késleltetés esetén a henger átfúvatása szükséges.
5. Injekció
Az olvadék hőmérséklete a minőségtől függően nagyjából 355–395 °C között mozog. Töltetlen PEEK esetén a tipikus hátsó/középső/elülső/fúvóka profil 355 / 360–365 / 370 / 375 °C; egy 30%-ban üvegszállal töltött minőség ezt 360 / 370–375 / 380 / 385 °C-ra, egy 30%-ban szénnel töltött minőség pedig 375 / 380–385 / 390 / 395 °C-ra növeli. A stabil üzemi tartományt általában 360–400 °C-nak adják meg. A befecskendezési nyomás ritkán haladja meg a 14 MPa-t, a tartónyomás pedig 10 MPa körüli a természetes PEEK esetében, bár a nagy áramlási/vastagság arányú precíziós alkatrészekhez több mint 200 MPa-ra lehet szükség.
6. A penész hőmérséklete
A szerszámfelületet 170–200 °C-on tartják (a feldolgozási útmutatók gyakran 175–205 °C-ot említenek; az adatlapok 170–200 °C-ot adnak meg töltetlen PEEK esetében). Ez a felületi hőmérséklet, nem a szabályozó alapértéke – olajfűtés esetén az áramlási vezetékben a veszteségek akár 40 °C-ot is elérhetnek, így a 260 °C-os alapértékek jellemzően az acél 170 °C-os hőmérsékletének eléréséhez szükségesek. Ennek oka a kristályosság: a hideg szerszám amorf állapotba edzi a felületet, ami egyenetlen színt, sötét vagy átlátszó éleket, valamint alacsonyabb szilárdságot és kémiai ellenállást eredményez. A szabványos útmutató kimondja, hogy az ajánlott körülmények között fröccsöntött alkatrészeknek névlegesen 30%-ban kristályosaknak kell lenniük.
7. Csomagolás, hűtés és kidobás
A tartónyomás kompenzálja a zsugorodást, miközben az alkatrész a forró szerszámhoz viszonyítva hűl. A hűtési idő skálája a falvastagsággal van összefüggésben; a publikált hűtési idő görbék 180 °C-os szerszámhőmérsékleten azt mutatják, hogy a jobb kidobási kialakítás körülbelül 15%-kal csökkentheti a hűtési időt töltetlen minőségek esetén. Az alkatrészek még elég merevek ahhoz, hogy elkerüljék a deformációt.
8. Lágyítás
Ahol a méretstabilitás vagy a feszültségmentesítés fontos, a fröccsöntött alkatrészek lágyíthatók. Egy tipikus program, amely legfeljebb 20 mm-es szelvényt alkalmaz, legfeljebb 30 °C/h sebességgel 150 °C-ra melegszik fel, 3 órán át tartja a hőmérsékletet, majd ugyanilyen sebességgel 200 °C-ra melegszik fel, 4 órán át tartja a hőmérsékletet, végül legfeljebb 15 °C/h sebességgel hűt. A lágyítás a kristályosodást is befejezi és stabilizálja a zsugorodást.
9. Ellenőrzés
A végső ellenőrzések megerősítik a méreteket, a megjelenést (a sötét szélek és a fekete foltok a klasszikus PEEK hibák), és ahol szükséges, a kristályosságot DSC-vel. Az első cikk jóváhagyása, amely tartalmazza a kristályossági adatokat is, lezárja a kört arról, hogy a szerszám valóban elég forró volt-e.
Az alkatrész minőségét meghatározó feldolgozási paraméterek
Kevesebb paraméter határozza meg, hogy egy PEEK alkatrész megfelel-e a rajznak, mint amit a teljes gépbeállítási lista sugall. Ezek a szárítás, az olvadék hőmérséklete, a forma hőmérséklete, a fröccsöntési nyomás és sebesség, a nyílás és a csatorna mérete, valamint a zsugorodási tűrés. Az alábbi táblázat három standard osztályt hasonlít össze az adatlapjaikból vett értékek alapján, amelyek a leginkább eltérnek közöttük.
| Vizsgált paraméter | 450G (töltetlen) | 450GL30 (30% üveg) | 450CA30 (30% szén) |
| Olvadékviszkozitás 400 °C-on | 350 Pas | 550 Pas | 675 Pas |
| Formázási zsugorodás, áramlási irány | 0.90% | 0.30% | 0.10% |
| Formázási zsugorodás, áramlási keresztben | 1.3% | 0.90% | 0.50% |
| Fúvóka hőmérséklete (tipikus) | 375 ° C | 385 ° C | 395 ° C |
| Forma hőmérséklete (tipikus) | 170-200 ° C | 180-200 ° C | 180-210 ° C |
| Minimális kapu | > 1 mm | > 2 mm | > 2 mm |
| Szárítás | 120–150 °C, 3–5 óra, <0.02% | azonos | azonos |
Három szabványos PEEK minőség formázási zsugorodása az olvadékfolyás iránya mentén és keresztben, ISO 294-4 szabvány szerinti vizsgálati mintákon mérve, minőségspecifikus fúvóka- és szerszámkörülmények között (töltetlen: 375 °C fúvóka, 190 °C szerszám; 30% üveg: 385 °C fúvóka, 190 °C szerszám; 30% szén: 395 °C fúvóka, 200 °C szerszám). Az értékek csak anyag-összehasonlításra szolgálnak – a tényleges zsugorodás az alkatrész geometriájától, a forma konfigurációjától és a feldolgozási körülményektől függ.
A táblázatból három dolog következik. Először is, a töltött minőségek merevebb olvadékok – 550 és 675 Pa·s a 350 Pa·s-szal szemben –, ezért magasabb hengeres alapértékekre és nagyobb zárószelepekre van szükségük ugyanazon fal kitöltéséhez. Másodszor, a zsugorodás az áramlási irányban összeomlik a rosttartalom növekedésével, de az áramlás irányában sokkal kevésbé, ezért ugyanaz az alkatrész eltérően zsugorodik az olvadék útvonalán és azon át. Harmadszor, a zárószelep szabálya nagyjából megduplázódik a kompaundok esetében: a minimum 1 mm a töltetlen PEEK esetében és 2 mm a kompaundok esetében, vagy a falvastagság körülbelül kétharmada vastag alkatrészek esetében, a zárószelepek pedig a fröccsöntési vastagság 1-1.5-szeresei. A fúvókáknak meg kell haladniuk a 3 mm-t a szerszámnál és a fúvókánál, és a 3.5 mm-t a gyűjtőcsőben.
A befecskendezési nyomás és a csigasebesség másodlagos beállítási lehetőségek, miután ezeket beállítottuk. Az általános célú csigák megfelelőek, és az ellennyomás javítja az olvadék homogenitását, míg a tipikus útmutató 5–10 m/perc kerületi csigasebességet javasol töltetlen minőségek esetén, és legfeljebb 6 m/perc-et erősített minőségek esetén, mivel a nagy helyi nyírás túlmelegíti az olvadékot. A 2–8 MPa ellennyomás szokásos, a töltött minőségeknél alacsonyabb, hogy a szálakat kíméletesen kezeljék.
A zsugorodás tekintetében az adatlapszámokat a minőségek összehasonlítására használja, ne az acél vágására. Az adatlapok egyértelműen kimondják, hogy a zsugorodási adatok az anyagok összehasonlítására szolgálnak, és hogy a tényleges értékek nagymértékben függenek az alkatrész geometriájától, a forma konfigurációjától és a feldolgozási körülményektől; a bevett gyakorlat hozzáteszi, hogy a szerszámokat mindig fémbiztos oldalon kell megmunkálni. Az egyetlen megbízható korrekció az, ha az első, saját geometrián mért alkatrészt használ.
A PEEK fröccsöntés előnyei – és mikor érvényesek
A PEEK formázásának előnyei valósak, de mindegyik feltételes, és a feltétel megadása az, ami megkülönbözteti a hasznos állítást az értékesítési szövegtől.
Hálóalakú komplex geometria
A fröccsöntés egyetlen lépésben hoz létre kiemelkedéseket, bordákat, kapcsokat és meneteket, míg a megmunkálás több beállítást igényelne, és esetleg egyáltalán nem érné el a kívánt alakzatot. A feltétel: a szerszámnak megfelelően kell szeleppel és szellőztetéssel rendelkeznie. A hibaelhárítási útmutatók a rövid öntvényeket és hegesztési vonalakat ugyanolyan gyakran a nem megfelelő szellőztetésnek és a szelep kialakításának, mint a gépbeállításoknak tulajdonítják, így a geometriai előny csak annyira jó, mint a mögötte álló szerszámkialakítás.
Nagy volumenű gazdaság
Egy fröccsöntött alkatrész gramm gyantát fogyaszt lövésenként; egy megmunkált alkatrész bugaként indul, és annak nagy részét forgácsként hagyja hátra. A feltétel: a szerszámköltséget amortizálni kell. Ezen mennyiség alatt a szerszámköltség dominál, és a megmunkálás olcsóbb – az átfedések egy későbbi szakasz tárgyát képezik.
Ismételhető tulajdonságok hőmérsékleten
Mivel a forma hőmérséklete határozza meg a kristályosságot, egy jól szabályozott melegen futó szerszám állandó szilárdságot, vegyi ellenállást és méretbeli viselkedést biztosít a teljes gyártási sorozat során. A feltétel: a szerszám felületének ténylegesen el kell érnie a kívánt hőmérsékletet. Egy hidegen futó szerszám olyan alkatrészeket hoz létre, amelyek teljesnek tűnnek, majd olyan terhelések alatt eltörnek, amelyeket egy hagyományos műanyag túlélne.
A másodlagos megmunkálás kiküszöbölése
Azok az alkatrészek, amelyeket egyébként a fröccsöntés után vágnának ki a szerszámból, így időt takarítanak meg, és elkerülhető a megmunkálás okozta felületi zavar. A feltétel: a tűréshatároknak a fröccsöntési képességeken belül kell lenniük. A tipikus tűrések standard fröccsöntési körülmények között körülbelül 0.05%-osak – ez számos alkatrész esetében megfelelő, de nem helyettesíti a megmunkálást, ahol a rajz szigorúbb követelményeket támaszt.
Anyaghatékonyság és tervezési szabadság
A fröccsöntés lehetővé teszi a nehezen vagy egyáltalán nem vágható falvastagság, bordázat és belső jellemzők kidolgozását, és elkerüli a PEEK megmunkálását megdrágító nyersanyag-hulladékot. A feltétel: az alkatrészt fröccsöntésre kell tervezni, egyenletes falakkal és megfelelő huzattal, amelyet a tervezési rész lefed.
Ezen előnyök egyikét sem szabad egy adott alkatrészre vonatkozóan állítani a geometriájának ellenőrzése nélkül. Egy nagy, egyszerű, laza tűréshatárú alakzat esetében ezek egyike sem feltétlenül tapasztalható.
Korlátozások és rejtett költségek
A PEEK fröccsöntőket kezdőként meglepni kívánó költségek ritkán kizárólag a gyanta ára. Ezek a költségek a szerszámban, az energiaszámlában és a selejtarányban rejlenek.
A forró eszköz
A forma 170–200 °C-on tartásához olajfűtésre, elektromos patronos fűtőpatronokra vagy ezek kombinációjára van szükség. Az elektromos fűtés gazdaságos és könnyen szervizelhető, de hajlamos a forró pontok kialakulására, így kis alkatrészekhez a legalkalmasabb; az olajfűtők nehezebben tervezhetők, de képesek hőt elvezetni, ami nagy darabméretek és mély magok esetén fontos. A forma és a nyomólap között erősen ajánlott szigetelőlapok használata, az olajvezetékeknek pedig rövidnek és szigeteltnek kell lenniük, mivel az akár 40 °C-os hőveszteség is gyakori. Mindez tőkét, felmelegedési időt és energiát igényel minden ciklusban.
Ciklusidő
A forró forma lassabban hűti le az alkatrészt, a vastagabb szakaszok pedig tovább meghosszabbítják a hűtési időt. A közzétett hűtési idő becslések a falvastagság függvényében 180 °C-on a szerszám hőmérséklete meredeken emelkedik a vastagsággal. A PEEK alkatrészek ezért nem gyorsan önthetők, ami még alacsony gyantafelhasználás esetén is növeli az alkatrészenkénti költséget.
Szűk feldolgozási ablak
Az olvadék nagyjából 360 és 400 °C között stabil, de ezen a sávon kívül a meghibásodási módok megsokszorozódnak: túl hideg esetén az olvadék megfagy a fúvókánál, vagy rövidre zárt alkatrészek keletkeznek; túl meleg vagy túl sokáig tartva rideg részekre és sötét csíkokra bomlik. Ilyen drága gyanta esetén minden selejtes adag valódi veszteség, és a selejtarány az indítás és a minőségváltások során a legmagasabb.
Újraőrlési korlátok
A PEEK újramunkálható, de a szabványos irányelvek az újraőrlés mértékét töltetlen polimer esetén legfeljebb 30% (tömeg/tömeg) és töltött vegyületek esetén legfeljebb 10% (tömeg/tömeg) arányban korlátozzák, és figyelmeztetnek, hogy már az alacsony mennyiségű idegen anyag is komolyan befolyásolja a fröccsöntési minőséget ezeken a hőmérsékleteken. Ez korlátozza a hordóban keletkező hulladék mennyiségét, különösen a töltött anyagok esetében.
Szennyeződésérzékenység
Erősen ajánlott speciális kanalak, tálcák és szárítóberendezések használata, és a feldolgozási szakirodalom megjegyzi, hogy a természetes minőségű anyagokban található fekete foltok általában keresztszennyeződésre vagy nem megfelelő tisztításra utalnak. Egy olyan üzemben, ahol PEEK-et más polimerekkel együtt használnak, szegregációs fegyelemre van szükség, különben alkatrészek vesztesége következik be a szennyeződés miatt.
Forrócsatornás kompromisszumok
A forrócsatornák anyagot takarítanak meg és szélesítik a feldolgozási ablakot, de magasabb kezdeti tőkeköltséggel, jelentős szennyeződési problémákkal járnak tisztításkor, és összességében nagyobb karbantartási igényt igényelnek, mint a hidegcsatornák. A rendszernek következetesen 450 °C-on kell működnie, külső fűtéssel és belső áramlási korlátozások nélkül, és a fúvókahegyeknek nagynak, nem pedig csaposnak kell lenniük.
Toleranciahatárok
A fröccsöntés nem tudja tartani a legszűkebb tűréshatárokat másodlagos műveletek nélkül. Amennyiben egy rajz a szabványosnál jobb fröccsöntési képességet ír elő, a fröccsöntés utáni megmunkálást kell megtervezni, és azt árazni kell.
A fentiek költségszámai alkatrészenként, mennyiségenként és műhelyenként túlságosan eltérőek ahhoz, hogy itt felelősségteljesen lehessen őket idézni. A helyes megközelítés az, ha irányítottként kezeljük őket: a forró szerszám, a lassú ciklusok és a korlátozott utánköszörülés mind növelik az egységköltséget, és a fröccsöntés és a megmunkálás közötti térfogat ennek megfelelően változik.
PEEK fokozat kiválasztása meghibásodási módhoz
A minőség kiválasztása könnyebb, ha a tulajdonságtáblázat helyett abból a meghibásodásból indulunk ki, amelyet az alkatrésznek túl kell élnie. A három standard Victrex minőség három különböző meghibásodási módhoz tartozik.
Szakítószilárdsági modulus 23 °C-on (ISO 527-1) és szakadási nyúlás 23 °C-on (ISO 527-2) három Victrex PEEK minőség esetében, a beszállítói adatlapok alapján. Az adatlapok értékei laboratóriumi mintákat írnak le az anyag-összehasonlításhoz; egy fröccsöntött alkatrész tulajdonságai a geometriájától, a szerszámkonfigurációtól és a feldolgozási körülményektől függenek.
Töltetlen minőség – a képlékenység és a szívósság szempontjából
Az adatlap 25%-os szakadási nyúlást, 4,000 MPa szakítószilárdsági modulust és törésmentességet ad meg mind a Charpy, mind az Izod bemetszés nélküli ütővizsgálatokon 23 °C-on. A töltetlen PEEK a legnagyobb nyúlást és szívósságot kínálja a családban, amely alkalmas olyan műszer- és tömítésalkatrészekhez, ahol a képlékenység és a tehetetlenség kritikus fontosságú. Válasszon töltetlen anyagot, ha az alkatrésznek hajlékonynak, ütéselnyelőnek vagy repedés nélkül kell tömítődnie az illeszkedő felületen.
Üvegszálas minőség – statikus merevség és alacsony hőtágulás érdekében
A harminc százalékos üvegtartalom 11 500 MPa-ra növeli a szakítószilárdságot, és 1.8 MPa nyomáson 328 °C-os hőhajlítási hőmérsékletet biztosít, az üvegesedési pont alatt 18 ppm/K lineáris hőtágulási együtthatóval az áramlási irányban. Az adatlap az alkalmazását statikus rendszerekben, alacsony hőtágulási együtthatóval rendelkező nagyobb szilárdságként írja le. Akkor érdemes választani, ha az alkatrésznek terhelés alatt, hőmérsékleten is meg kell tartania az alakját, és méretstabilnak kell maradnia – legyen szó szerkezeti konzolról, házról, olyan alkatrészről, amelynek nem szabad szomszédos szerkezetbe nőnie.
Szénnel töltött minőség – kopásállóság és a legnagyobb modulus érdekében
A harminc százalékban szénszálas anyag 28 000 MPa szakítószilárdsági modulust, a családban a legalacsonyabb, 0.10%-os áramlási irányú zsugorodást eredményez, és az adatlap kiváló kopásállóságot és alacsony súrlódási együtthatót ír le statikus vagy dinamikus rendszerekben. Válassza ezt az alkatrészt, ha az csúszik, súrlódik vagy terhelést visel, és a merevség fontosabb, mint a nyúlás.
A kompromisszumok a töltött minőségek esetében egységesek. Jobban koptatják a szerszámokat, ezért ajánlott a kopásvédett csavarok és a bimetál hengerek használata, és ezért duplázódnak meg a tolózárak méretei. Veszítenek a nyúlásuktól – 3.0% egy 30%-os üvegtartalmú minőségnél és 1.7% egy 30%-os széntartalmú minőségnél a 25%-os töltetlen minőségnél –, ezért a hajlítandó alkatrészt nem szabad tölteni. Ezenkívül anizotrop módon zsugorodnak, a keresztáramlási értékük többszöröse az áramlási értéknek, ami bonyolítja a szerszámkorrekciót. Minden igényt a minőség saját adatlapjához kell kötni; az egyik minőségből származó szám nem vihető át a másikba.
Alkalmazások, ahol a PEEK fröccsöntés megfelelő
A PEEK olyan alkalmazásokban nyeri el az árát, ahol a hőmérséklet, a kémiai anyagok vagy a sterilizálás hatástalanná tehetné a hagyományos műszaki műanyagokat. A fröccsöntés pedig ott nyeri el a helyét, ahol ezek az alkalmazások térfogatra, komplex geometriára vagy ismételhetőségre is szükség van.
orvosi
A PEEK ellenáll az ismételt gőzsterilizálásnak, és a publikált orvosi minőségű tesztek arról számolnak be, hogy a mechanikai tulajdonságok nem romlanak jelentősen 1,500 sterilizálási ciklus felett 134 °C-on, tisztítási ciklusok nélküli műanyag mintákon mérve. Tipikusak a sebészeti eszközök, a próbaimplantátumok és a fogászati alkatrészek. A biokompatibilitás nem automatikus a polimerből: az ASTM F2026-23 szabvány követelményeket határoz meg a szűz PEEK-re vonatkozóan sebészeti implantátum alkalmazásokban, és kifejezetten kizárja a töltött, színezett vagy regenerált formákat, az FDA ISO 10993-1 irányelve pedig a biológiai értékelést kockázatkezelési folyamatként határozza meg. A fröccsöntés akkor illik ehhez az ágazathoz, ha a műszerekre vagy egyszer használatos alkatrészekre nagy mennyiségben, egységes geometriával van szükség; a megmunkálás pedig betegspecifikus vagy kis térfogatú implantátumokhoz illik.
Repülési és Autóipari
A PEEK 250 °C körüli folyamatos üzemképességének és hőmérsékleten mutatott szilárdságtartásának köszönhetően a könnyű alkatrészek esetében a fröccsöntés 85 MPa hajlítófeszültséget mutat 125 °C-on és 19 MPa-t 175 °C-on. A fröccsöntés olyan konzolokhoz, perselyekhez és házakhoz illeszkedik, ahol a geometria összetett és a térfogat indokolja a szerszám használatát; a nagy vagy egyszerű alkatrészek gyakran megmunkálva maradnak.
Elektronika és félvezető
A PEEK elektromos tulajdonságai széles hőmérsékleti tartományban megmaradnak, méretstabilitása pedig alkalmas a nagy mennyiségben gyártott kis precíziós alkatrészekhez – ez a klasszikus eset a fröccsöntésnél, ahol egyetlen szerszámról több ezer azonos alkatrész készül.
Energia, olaj és gáz
A savakkal, bázisokkal, szénhidrogénekkel és oldószerekkel szembeni kémiai ellenállás magas hőmérsékleten, valamint a hidrolízisállóság gőzben és tengervízben teszi a PEEK-et tömítések, szelepalkatrészek és fúrólyukak alkatrészeinek jelöltjévé. A fröccsöntés alkalmas ismétlődő kis alkatrészekhez; a nagy vagy egyszeri alkatrészeket általában gyárilag megmunkálják.
Ipari berendezések
A kopóalkatrészek, csapágyak és perselyek a szénnel töltött minőség alacsony súrlódásából és kopásállóságából profitálnak. Amennyiben ezek nagy mennyiségben cserélt alkatrészek, a fröccsöntés gyorsan amortizálódik.
A logika mindkét esetben ugyanaz: a tulajdonság indokolja a PEEK-et, a térfogat vagy a geometria pedig az öntést a megmunkálás helyett.
Mikor Gép PEEK a formázás helyett
A PEEK alkatrészek nagy részénél a megmunkálás továbbra is a helyes megoldás, és ha tudjuk, mikor, az pénzt takarít meg.
Akkor kell megmunkálni, amikor a mennyiség alacsony. A szerszámköltség amortizációjának pontja alatt a szerszámköltség dominál, és a PEEK fröccsöntés a drágább megoldás. A prototípusok, az hídszerszámok és az egyszeri szerelvények marógépre vagy esztergára valók, ahol nem érkezik szerszámszámla, és a tervmódosítások csak programozási időbe kerülnek.
Megmunkálás nagy vagy egyszerű geometriájú anyagok esetén. Egy nagy, tömbös, kevés sajátossággal rendelkező alkatrész kevés hulladékot termel, ha egy tuskóból kivágják, és egy ehhez szükséges szerszám nagy, forró és drága lenne. A PEEK megmunkálását költségessé tevő nyersanyag-hulladék arányos azzal, hogy a tuskó mekkora része válik az alkatrészré; egy egyszerű forma esetében a nagy része igen.
Megmunkálás, ha a tűrések meghaladják a fröccsöntési képességet. A tipikus fröccsöntési tűrések standard körülmények között körülbelül 0.05%. Ahol a rajz szigorúbb követelményeket támaszt, vagy olyan jellemzőket igényel, amelyeket a fröccsöntés nem tud kialakítani, tervezzen megmunkálást – akár az egész alkatrészen, akár egy második műveleten a fröccsöntés után.
A szerszám éves volumene amortizálja a szerszám értékét. A számítás négy változót tartalmaz: a szerszámköltséget, az alkatrész méretét (ami meghatározza a sörét súlyát és a ciklusidőt), a sörétenkénti gyantaköltséget és az elkerült megmunkálási anyageltávolítást. A mennyiség növekedésével a szerszámköltség több alkatrészre és a sörétenkénti gyantamegtakarítási keverékekre oszlik el. Az átfedés minden alkatrészre jellemző; a megtalálásának módja az, hogy árajánlatot kérünk, amely elkülöníti a szerszámköltséget az alkatrész költségétől, és összehasonlítjuk azt egy azonos éves volumenű megmunkálási árajánlattal.
Formázás komplex és hálószerű geometriával. A kiemelkedések, menetek, kapcsok és belső jellemzők jól megtervezett szerszámmal és költségbeállításokkal hozhatók létre a megmunkálás során.
Öntés, amikor a sok alkatrész közötti ismételhetőség számít. Egyetlen szerszámmal sorozatról sorozatra azonos alkatrészeket lehet előállítani; a megmunkálás a beállítás állandóságától függ. Egy gyártási program esetében a öntés ismételhetősége önmagában is minőségi előny.
Az őszinte megközelítés nem ökölszabály, hanem mennyiség-szerszám-amortizációs számítás. Bármilyen konkrét összeget ki lehetne találni; a változók számítanak.
PEEK-re tervezés: Szerszám és a selejtet megakadályozó alkatrész-szabályok
A PEEK hulladékok többsége az acél vágása előtt meghozott tervezési döntésekből ered. Az alábbi szabályok a magas olvadék- és formahőmérséklet miatt vannak érvényben, nem pedig azért, mert a PEEK-et elvileg szokatlanul nehéz lenne megtervezni.
1. Egységes falszakaszok.
A tipikus útmutató szerint a töltetlen PEEK vegyületek minimális falvastagsága körülbelül 1 mm, a töltött vegyületeké pedig 1.5 mm. Az egyenletes falak egyenletesen hűlnek le és zsugorodnak; a vastagból vékonyba való átmenetek bemélyedéseket, üregeket és vetemedést hoznak létre, amelyeket egyetlen gépi beállítás sem tud teljesen kijavítani.
2. Tágas, jól szellőző kapuk.
A szabványos minimum 1 mm-es nyílásvastagság töltetlen anyagoknál és 2 mm-es vegyületeknél, vastag alkatrészeknél pedig a falvastagság körülbelül kétharmada, a beöntőnyílások mérete pedig 1-1.5-szerese a fröccsöntött alkatrész vastagságának. A minimális beöntőnyílások hossza körülbelül 4 mm, bemeneti átmérőjük pedig a legnagyobb alkatrész vastagságának 1.5-szerese. A nagy beöntőnyílások biztosítják az olvadék áramlását, és csökkentik a süllyedési nyomokat és üregeket; a megfelelő szellőzés megakadályozza a rövid lövéseket és az égési nyomokat.
3. 450 °C-ra előírt forrócsatornák.
Forrócsatorna használata esetén külső fűtésre van szükség belső áramlási korlátozás nélkül, 450 °C-on állandó működésre, az alkatrész felületén elhelyezett nagyméretű fúvókavégekre és nagyon jó egyedi hőmérséklet-szabályozásra a szerszám kiegyensúlyozottságának megőrzése érdekében. Csapos szelepvezérlés használata nem ajánlott.
4. Szerszámacélok, amelyek hőmérsékleten megtartják keménységüket.
A Rockwell 52–54 üreg- és magkeménysége PEEK feldolgozási hőmérsékleten a szokásos cél. Gyakori választások azok az acélminőségek, amelyek a hőmérsékleten körülbelül 54–58 HRC-t tartanak meg, beleértve az 1.2343 ESU, 1.2379, 1.2083 és 1.2316 minőségeket. A töltött minőségek abrazívak, ezért a kopásállóság a varratoknál fontos.
5. Anizotróp zsugorodási ráhagyás.
A zsugorodás az áramlás irányában és irányában is eltérő, különösen a töltőanyagok esetében – 0.90% vs. 1.3% a 450G esetében, 0.10% vs. 0.50% a 450CA30 esetében. A szerszámot fémbiztosan kell megmunkálni, és a korrigálást a tényleges geometrián található első cikkméretek alapján kell végezni, ne csak az adatlap szerinti zsugorodás alapján.
6. Folyamatszimuláció acélvágás előtt.
A szimulációt mindig az acél forgácsolása előtt kell elvégezni, hogy a kiegyensúlyozott áramlás érdekében zsilipeket lehessen elhelyezni, minimalizálni a kötési vonalakat és meghatározni lehessen a szellőzés szükséges helyét. Egy 200 °C-os üzemre tervezett szerszámon az acélcsere drága, így a szimuláció olcsó biztosíték.
A PEEK fröccsöntés következtetése
A PEEK fröccsöntés akkor kifizetődő, ha a térfogat és a geometria indokolja a forró szerszám használatát és a fegyelmezett szárítást; e küszöbérték alatt a megmunkálás továbbra is a helyes megoldás. A folyamatlánc rögzített – lezárt tárolás, 0.02% nedvességtartalom alá történő szárítás, 400 °C-ra képes lágyítóegység, 170–200 °C-on tartott szerszám, szabályozott csomagolás és hűtés, szükség esetén lágyítás, valamint a kristályossági vizsgálat. A minőséget meghatározó paraméterek a szárítás, az olvadék hőmérséklete, a forma hőmérséklete, a nyílás és a csatorna mérete, valamint a zsugorodási tűrés, és ezek minőségenként változnak: 350, 550 és 675 Pa·s olvadék viszkozitás, valamint 0.90%, 0.30% és 0.10% áramlási irányú zsugorodás töltetlen, üvegszállal töltött és szénnel töltött PEEK esetén.
A minőség kiválasztása a meghibásodási módot követi: töltetlen a képlékenység és a szívósság miatt, üvegszálas a statikus merevség és az alacsony hőtágulás miatt, szénszálas a kopás és a legnagyobb modulus miatt. Az alkalmazások ugyanazt a logikát követik – az orvosi, repülőgépipari, autóipari, elektronikai, energetikai és ipari alkatrészek mindegyike indokolja a PEEK használatát egy adott tulajdonság, a fröccsöntést pedig egy adott térfogat vagy geometria miatt.
A következő lépés az éves mennyiség, a tűréshatár és a geometria meghatározása, majd egy olyan árajánlat kérése, amely elkülöníti a szerszámköltséget az alkatrész költségétől. Ez az összehasonlítás, egy azonos mennyiségű megmunkálási árajánlattal, az egyetlen megbízható módja annak, hogy eldöntsük, melyik eljárást kell használni az alkatrészhez.
Együttműködés a NOBLE-lal a PEEK fröccsöntési projektjén
A NOBLE egyedi PEEK fröccsöntési szolgáltatásai acél és alumínium szerszámokat, egyfészkes, többfészkes és családi öntőformákat, valamint 50-500 tonnás préseket tartalmaznak, ±0.1 mm-es alkatrészenkénti ismétlési pontossággal és ±0.05 mm-es szerszámüreg-tűréssel. A PEEK a kezelt anyagok között szerepel, és az ellenőrzést házon belül, ZEISS CMM berendezésekkel támogatják. Ezek az adatok a NOBLE általános fröccsöntési képességeit írják le; nem PEEK-specifikus esettanulmányok, és egy PEEK programnak továbbra is meg kell erősítenie a fenti pontokat – hengerhőmérséklet-képesség, szerszámmelegítési módszer, szárítási harmatpont és kristályosság-ellenőrzés – az alkatrészt futtató konkrét préssel és szerszámmal szemben.
Amit elő kell készíteni árajánlatkérés előtt: a 3D-s modell és a tűréshatárokat tartalmazó rajz, az éves és a kibocsátási volumenek, az üzemi környezet (hőmérséklet, vegyszerek, sterilizálási ciklusok), az alkatrész meghibásodási módjának osztálya vagy meghatározása, valamint az alkatrészre vonatkozó szabályozási szabványok. Ezek birtokában egy árajánlat elkülönítheti a szerszámokat az alkatrész költségétől, ami az egyetlen módja annak, hogy őszintén összehasonlítsuk a fröccsöntést a megmunkálással.
A NOBLE által megadott átfutási idők – számos munka esetében 24 órán belüli árajánlatok és 7–10 napon belüli alkatrészek – az általános szolgáltatási ajánlatukra vonatkoznak; a PEEK szerszámozás és a folyamatellenőrzés az alkatrésztől és a minőségtől függően eltérő ütemterv szerint történhet.
GYIK a PEEK fröccsöntéssel kapcsolatban
Miért kell szárítani a PEEK-et, ha nem higroszkópos?
Mivel a „nem higroszkópos” azt jelenti, hogy nem oldódik és nem duzzad vízzel, nem azt, hogy szárazon marad. A pelletek jellemzően körülbelül 0.5% légköri nedvességet szívnak fel, és a formázás előtti határérték 0.02%. A 380 °C-on fellépő nedvesség felületi hibákat és molekulatömeg-vesztést okoz, ezért az anyagot 120–150 °C-on 3-5 órán át szárítják -40 °C harmatpontig.
Miért melegebb a forma, mint a legtöbb gyanta olvadáspontja?
Mivel a forma hőmérséklete szabályozza a kristályosságot. A feldolgozási útmutatók 175–205 °C-os szerszámfelületet javasolnak (az adatlapok 170–200 °C-ot említenek töltetlen PEEK esetén), hogy az alkatrész kialakítsa kristályos szerkezetét; az ajánlott körülmények között fröccsöntött alkatrészeknek névlegesen 30%-ban kristályosaknak kell lenniük. A hideg szerszám amorf állapotba edzi a felületet, sötét vagy átlátszó éleket, valamint alacsonyabb szilárdságot és vegyi ellenállást eredményezve.
Újra lehet csiszolni a PEEK-et, és milyen arányban?
Igen. A szabványos útmutató a töltetlen polimerek esetében maximum 30% t/t újraőrlési arányt, a töltött vegyületek esetében pedig 10% t/t-ot ír elő, és figyelmeztet, hogy még az alacsony mennyiségű idegen anyag is komolyan befolyásolja a minőséget a PEEK feldolgozási hőmérsékletén.
Hogyan viszonyul a fröccsöntés a megmunkáláshoz költség és tűréshatárok tekintetében?
A fröccsöntés költséghatékonyabb, miután a szerszámozás amortizálódik, mivel minden egyes fröccsöntés grammokban tartalmaz gyantát tuskó helyett, és összetett háló alakú geometriát eredményez. A megmunkálás kis volumennél és a legszűkebb tűréshatárok mellett is előnyös; a tipikus fröccsöntési tűrések standard körülmények között körülbelül 0.05%-ot tesznek ki, a szigorúbb követelmények pedig másodlagos megmunkálást igényelnek.
Milyen hőmérséklet szükséges a teljes kristályosodáshoz a formánál?
A Victrex feldolgozási útmutatója 175–205 °C felületi hőmérsékletet javasol, az Evonik pedig 180 °C feletti szerszámhőmérsékletet javasol a magas kristályosodási fok eléréséhez. Mivel az olajjal melegített szerszámok hőt veszítenek az áramlási vezetékeken keresztül, a szabályozó alapértéke gyakran jóval magasabb, mint a ténylegesen elért felületi hőmérséklet.
Futtathatók-e kitöltött és kitöltetlen jegyek ugyanabban az eszközben?
Csak körültekintéssel lehet őket ugyanazzal a szerszámmal önteni. A töltött minőségek nagyobb zsugorodási nyílásokat igényelnek – minimum 2 mm az 1 mm-essel szemben –, eltérően zsugorodnak, és koptatják a szerszámokat, így egy töltetlen PEEK-hez készült nyílással ellátott szerszám esetleg nem töltődik be, vagy üveg- vagy széntöltésű minőséggel gyorsan elkophat. A Victrex irányelve az, hogy a nyílásokat a felhasználható minőséghez kell tervezni, és a töltött vegyületekhez kopásálló acélokat kell használni.
