Литье под давлением PEEK определяется тремя параметрами, которые выходят далеко за рамки обычной практики работы с пластмассами: температура плавления 343 °C, требование к сухости ниже 0.02% влажности и температура пресс-формы 170–200 °C — выше, чем температура плавления большинства стандартных полимерных смол. Все остальные решения в литье под давлением PEEK вытекают из этих трех параметров. Пресс, который не может поддерживать температуру 400 °C, сушилка, которая не может достичь точки росы −40 °C, и инструмент, который не может равномерно нагреваться, приведут к образованию отходов смолы, стоимость которой во много раз выше, чем у ABS или поликарбоната.
Данное руководство описывает весь процесс от гранулы до проверенной детали и предназначено для инженеров и разработчиков продукции, принимающих решение о целесообразности формования PEEK. В нем пошагово рассматривается процесс и причины каждого этапа контроля, параметры, которые действительно влияют на качество детали, преимущества формования и его незначительные преимущества по сравнению с механической обработкой, как выбрать марку PEEK, исходя из требований к прочности детали, и для каких областей применения целесообразно использование оснастки. Приведенные данные взяты из опубликованных технических паспортов материалов и руководств по обработке стандартных марок PEEK, а не из одной конкретной программы испытаний, и описывают типичные лабораторные условия, а не гарантированные значения для конкретной детали.
Что такое PEEK и почему его не только обрабатывают механически, но и формуют.
PEEK — это полукристаллический полиэфирэфиркетон. В опубликованных технических характеристиках стандартных ненаполненных марок указаны температура плавления 343 °C, температура стеклования 143 °C (начало) и 150 °C (середина), а также относительный термический индекс для использования в электротехнике 260 °C. Допустимая непрерывная рабочая температура на воздухе обычно составляет 250 °C в течение 20 000 часов, при этом диапазон непрерывных рабочих температур составляет 250–260 °C. Это типичные значения, полученные на лабораторных образцах; реальные свойства формованной детали зависят от ее геометрии, конфигурации инструмента и фактически используемых условий обработки, поэтому в самих технических характеристиках указано, что данные приведены для сравнения материалов.
Один и тот же полимер поставляется в двух формах. Ненаполненный PEEK поставляется в виде гранул для литья под давлением и экструзии, а тот же химический состав доступен в виде стержней и пластин для механической обработки. Выбор между ними — это решение, основанное на объеме и геометрии, а не на материале: химический состав, устойчивый к паровой стерилизации и агрессивным химическим веществам, идентичен. Различается лишь количество приобретаемого полимера, его количество в виде стружки и возможность вообще вырезать нужную форму.
Важно отметить одно важное отличие. Полиэфирэфиркетон (PEEK) часто описывают как негигроскопичный материал, и это верно в том смысле, что он не растворяется и не набухает в воде так, как нейлон. Тем не менее, он всё ещё поглощает влагу: в технологических инструкциях отмечается, что гранулированная форма обычно поглощает около 0.5% масс./масс. атмосферной влаги, а в технических характеристиках указано водопоглощение при насыщении 0.45% при 23 °C. Эта поглощенная фракция примерно в двадцать пять раз превышает предел в 0.02%, установленный перед формованием, поэтому сушка не является необязательной даже для полимера, устойчивого к гидролизу в процессе эксплуатации.
PEEK Процесс литья под давлениемШаг за шагом
Приведенная ниже последовательность соответствует установленным технологическим рекомендациям для стандартных марок PEEK. Каждый этап существует из-за конкретной неисправности, которую он предотвращает.
1. Хранение и обращение
Полиэфирэфиркетон (PEEK) поставляется в герметичной полиэтиленовой упаковке внутри прочного ящика, и в инструкциях по обработке рекомендуется хранить его в герметичной упаковке во время транспортировки и хранения, открывая коробки только в чистом месте и повторно запечатывая остатки. В герметичном, сухом месте, вдали от солнечных лучей, материал может храниться более десяти лет. Причина заключается скорее в загрязнении, чем в сроке годности: при температуре 380 °C несколько зерен другого полимера или пылинка превращаются в черные точки или слабый сварочный шов, а утилизация смолы обходится слишком дорого.
2. Сушка
Гранулы помещают в печь с циркуляцией воздуха при температуре 120–150 °C на 3–5 часов, распределяя их по лоткам слоем толщиной около 2.5 см, до тех пор, пока остаточная влажность не снизится ниже 0.02% (точка росы −40 °C). В качестве эквивалентного способа допускается сушка при 150 °C в течение 3 часов или при 120 °C в течение 5 часов. Стандартные рекомендации четко указывают, что PEEK нельзя использовать в одной печи с другими материалами, если они не изолированы должным образом. Влага при температуре плавления вызывает дефекты поверхности и потерю молекулярной массы, поэтому этап сушки защищает как внешний вид, так и механические свойства.
3. Кормить глотку
Температура в бункере поддерживается ниже 100 °C — в технических характеристиках для незаполненных марок указывается температура ниже 100 °C, в то время как рекомендации по экструзии предполагают предварительный нагрев гранулята в диапазоне 140–180 °C для этого процесса. Цель формования состоит в том, чтобы предотвратить образование комков или частичное расплавление гранул до того, как они достигнут шнека, и ограничить повторное поглощение влаги по пути.
4. Пластификация
Температура в цилиндре должна контролируемо достигать 400 °C с точностью примерно ±2 °C, что исключает использование литых алюминиевых нагревателей в пользу высокотемпературных сплавов или керамики. Типичными являются шнеки с соотношением L/D от 18:1 до 24:1 и коэффициентом сжатия от 2:1 до 3:1, а для поддержания давления впрыска необходимо использовать обратное кольцо на конце шнека. Время пребывания расплава должно быть коротким; расплав может поддерживаться при температуре 360 °C до часа без существенного ухудшения качества, но после этого температура в цилиндре должна упасть до 340 °C, а задержка более трех часов требует продувки цилиндра.
5. Инъекция
Температура плавления составляет примерно 355–395 °C в зависимости от марки. Для неармированного PEEK типичный профиль для задней/средней/передней части/сопла составляет 355 / 360–365 / 370 / 375 °C; для марки с 30% стеклонаполнителем эта температура повышается до 360 / 370–375 / 380 / 385 °C, а для марки с 30% углеродным наполнителем — до 375 / 380–385 / 390 / 395 °C. Стабильный рабочий диапазон обычно составляет 360–400 °C. Давление впрыска редко превышает примерно 14 МПа, а давление выдержки составляет около 10 МПа для натурального PEEK, хотя для прецизионных деталей с большим отношением текучести к толщине может потребоваться более 200 МПа.
6. Температура пресс-формы
Температура поверхности инструмента поддерживается на уровне 170–200 °C (в руководствах по обработке часто указывается 175–205 °C; в технических характеристиках для неармированного PEEK указывается 170–200 °C). Это температура поверхности, а не заданная температура контроллера — при нагреве маслом потери температуры в трубопроводах достигают 40 °C, поэтому для достижения 170 °C на стали обычно устанавливаются заданные значения 260 °C. Причина заключается в кристалличности: холодный инструмент охлаждает поверхность до аморфного состояния, что приводит к неоднородному цвету, темным или прозрачным краям, а также снижению прочности и химической стойкости. Стандартные рекомендации гласят, что детали, отлитые в рекомендуемых условиях, должны иметь номинально 30% кристалличности.
7. Упаковка, охлаждение и выгрузка
Давление выдержки компенсирует усадку детали по мере ее охлаждения при контакте с горячим инструментом. Время охлаждения зависит от толщины стенки; опубликованные кривые зависимости времени охлаждения от температуры инструмента 180 °C показывают, что улучшенная конструкция выталкивающего механизма может сократить время охлаждения примерно на 15% для неармированных марок стали. Детали выталкиваются, пока они еще достаточно жесткие, чтобы избежать деформации.
8. отжиг
В тех случаях, когда важна стабильность размеров или снятие напряжений, формованные детали можно подвергать отжигу. Типичная программа для сечения до 20 мм включает в себя повышение температуры до 150 °C со скоростью не более 30 °C/ч, выдержку в течение 3 часов, повышение температуры до 200 °C с той же скоростью, выдержку в течение 4 часов, а затем охлаждение со скоростью не более 15 °C/ч. Отжиг также завершает кристаллизацию и стабилизирует усадку.
9. осмотр
Окончательная проверка подтверждает размеры, внешний вид (темные края и черные вкрапления — классические дефекты PEEK) и, где это указано, кристалличность методом ДСК. Утверждение первого образца, включающее данные о кристалличности, замыкает круг вопросов о том, действительно ли прибор работал при достаточно высокой температуре.
Параметры обработки, определяющие качество детали
Параметры, определяющие соответствие детали из PEEK чертежу, гораздо меньше, чем предполагает полный список настроек оборудования. К ним относятся сушка, температура расплава, температура пресс-формы, давление и скорость впрыска, размер литникового канала и припуск на усадку. В таблице ниже сравниваются три стандартных марки по значениям, которые наиболее сильно различаются между ними, взятым из их технических характеристик.
| Параметр | 450 г (без наполнения) | 450GL30 (30% стекла) | 450CA30 (30% углерода) |
| Вязкость расплава при 400 °C | 350 Па·с | 550 Па·с | 675 Па·с |
| Усадка при формовании, направление потока | 0.90% | 0.30% | 0.10% |
| Усадка при формовании, поперек потока | 1.3% | 0.90% | 0.50% |
| Температура сопла (типичная) | 375 ° C | 385 ° C | 395 ° C |
| Температура пресс-формы (типичная) | 170-200 ° C | 180-200 ° C | 180-210 ° C |
| Минимальный вход | > 1 мм | > 2 мм | > 2 мм |
| Высушивание | 120–150 °C, 3–5 ч, <0.02% | то же | то же |
Усадка при формовании трех стандартных марок PEEK вдоль и поперек направления потока расплава, измеренная на образцах ISO 294-4 при условиях, специфичных для каждой марки литьевого сопла и инструмента (без наполнителя: сопло 375 °C, инструмент 190 °C; 30% стекловолокна: сопло 385 °C, инструмент 190 °C; 30% углерода: сопло 395 °C, инструмент 200 °C). Значения приведены только для сравнения материалов — фактическая усадка зависит от геометрии детали, конфигурации пресс-формы и условий обработки.
Из таблицы следует три момента. Во-первых, наполненные марки имеют более жесткие расплавы — 550 и 675 Па·с против 350 Па·с — поэтому для заполнения той же толщины стенки требуются более высокие значения параметров цилиндра и более крупные литниковые каналы. Во-вторых, усадка уменьшается в направлении потока по мере увеличения содержания волокон, но значительно меньше поперек потока, поэтому одна и та же деталь усаживается по-разному вдоль и поперек пути расплава. В-третьих, правило литникового канала примерно удваивается для компаундов: минимум составляет 1 мм для ненаполненного PEEK и 2 мм для компаундов, или примерно две трети толщины стенки для толстых деталей, при этом литниковые каналы должны быть в 1–1.5 раза больше толщины формования. Ширина литниковых каналов должна превышать 3 мм у матрицы и сопла и 3.5 мм в коллекторе.
Давление впрыска и скорость вращения шнека являются второстепенными настройками после их установки. Подходят шнеки общего назначения, а противодавление улучшает однородность расплава, в то время как типичные рекомендации предусматривают скорость вращения шнека по периферии 5–10 м/мин для неармированных марок и не более 6 м/мин для армированных, поскольку высокое локальное сдвиговое напряжение приводит к перегреву расплава. Обычно используется противодавление 2–8 МПа, для армированных марок оно ниже, чтобы обеспечить бережную обработку волокон.
При сравнении марок стали с учетом усадки используйте данные из технических паспортов, а не для резки стали. В технических паспортах четко указано, что данные об усадке предназначены для сравнения материалов, и что фактические значения сильно зависят от геометрии детали, конфигурации пресс-формы и условий обработки; стандартная практика также предусматривает, что инструменты всегда следует обрабатывать с безопасной для металла стороны. Единственной надежной корректировкой является первое измерение образца с учетом собственной геометрии.
Преимущества литья под давлением PEEK — и когда каждое из них имеет значение.
Преимущества формования PEEK реальны, но каждое из них имеет свои условия, и именно указание на эти условия отличает полезное утверждение от рекламного слогана.
Реальная форма комплексной геометрии
Литье позволяет изготавливать выступы, ребра, зажимы и резьбу за один проход, тогда как механическая обработка потребовала бы нескольких настроек и могла бы вообще не достичь нужной детали. Условие: инструмент должен быть правильно подготовлен к работе и иметь вентиляцию. В руководствах по устранению неполадок короткие отливки и сварные швы часто связывают с недостаточной вентиляцией и конструкцией литникового канала, а не только с настройками станка, поэтому преимущество в геометрии зависит только от конструкции инструмента.
Экономика больших объемов
При изготовлении формованной детали расходуется несколько граммов смолы за один цикл формования; при механической обработке деталь изготавливается из заготовки, большая часть которой затем превращается в стружку. Условие: затраты на оснастку должны быть амортизированы. При объеме производства ниже этого значения преобладают затраты на оснастку, а механическая обработка обходится дешевле — этот вопрос будет рассмотрен в последующем разделе.
Воспроизводимые свойства при температуре
Поскольку температура пресс-формы определяет кристалличность, хорошо контролируемая горячая обработка инструмента обеспечивает стабильную прочность, химическую стойкость и размерные характеристики на протяжении всего производственного цикла. Условие: поверхность инструмента должна фактически достичь заданной температуры. Инструмент, работающий в холодном состоянии, производит детали, которые выглядят целыми, а затем разрушаются при нагрузках, которые выдержал бы обычный пластик.
Исключение вторичной механической обработки
Детали, которые в противном случае были бы вырезаны после извлечения отливки из инструмента, позволяют сэкономить время на переналадке и избежать повреждения поверхности, вызванного механической обработкой. Условие: требования к допускам должны соответствовать возможностям литья. Типичные допуски составляют приблизительно 0.05% в стандартных условиях литья — это подходит для многих деталей, но не заменяет механическую обработку, если чертеж требует более жестких условий.
Эффективность использования материалов и свобода проектирования
Формование позволяет создавать стенки нужной толщины, ребра жесткости и внутренние элементы, которые трудно или невозможно вырезать, а также избежать отходов заготовки, из-за которых механическая обработка PEEK обходится дорого. Условие: деталь должна быть спроектирована для формования, иметь равномерные стенки и достаточный уклон, что рассматривается в разделе проектирования.
Не следует утверждать, что какое-либо из этих преимуществ распространяется на конкретную деталь, не проверив её геометрию. Крупная, простая деталь с нестрогим допуском может не обладать ни одним из них.
Ограничения и скрытые издержки
Затраты, которые удивляют начинающих производителей изделий из PEEK, редко ограничиваются только ценой смолы. Они включают в себя стоимость оснастки, счет за электроэнергию и процент брака.
Горячий инструмент
Для поддержания температуры пресс-формы в пределах 170–200 °C требуется масляный нагрев, электрические картриджные нагреватели или их комбинация. Электрический нагрев экономичен и прост в обслуживании, но склонен к перегреву отдельных участков, поэтому лучше всего подходит для небольших компонентов; масляные нагреватели сложнее в проектировании, но могут отводить тепло, что важно для больших объемов впрыска и глубоких стержней. Настоятельно рекомендуется использовать изоляционные плиты между пресс-формой и плитой, а маслопроводы должны быть короткими и изолированными, поскольку потери тепла до 40 °C являются обычным явлением. Все это увеличивает капитальные затраты, время нагрева и энергопотребление каждого цикла.
Цикл литья
Горячая форма охлаждает деталь медленнее, а толстые участки увеличивают время охлаждения. Опубликованные оценки времени охлаждения в зависимости от толщины стенки при температуре инструмента 180 °C резко возрастают с увеличением толщины. Поэтому детали из PEEK формуются медленно, что повышает стоимость детали даже при низком расходе смолы.
Узкое окно обработки
Температура расплава стабильна в диапазоне примерно от 360 до 400 °C, но за пределами этого диапазона увеличивается количество причин отказов: слишком низкая температура приводит к замерзанию расплава у сопла или при неполном впрыске; слишком высокая температура или слишком длительное выдерживание приводят к разрушению на хрупкие частицы и появлению темных полос. При такой высокой стоимости смолы каждый бракованный впрыск — это реальная потеря, а процент брака достигает максимума во время запуска и смены марки смолы.
Ограничения на перемолоть
PEEK можно перерабатывать, но стандартные рекомендации ограничивают количество переработанного материала максимум 30% по массе для ненаполненных полимеров и 10% по массе для наполненных компаундов, а также предупреждают, что даже небольшое количество посторонних материалов серьезно влияет на качество литья при этих температурах. Это ограничивает количество отходов литниковых каналов, которые можно восстановить, особенно в случае наполненных полимеров.
Чувствительность к загрязнению
Настоятельно рекомендуется использовать специальные совки, лотки и сушильное оборудование, а в технологической документации отмечается, что черные вкрапления в натуральных сортах обычно являются следствием перекрестного загрязнения или недостаточной очистки. В цехе, работающем с PEEK наряду с другими полимерами, необходимо строго соблюдать правила расслоения, иначе детали будут испорчены из-за загрязнения.
Компромиссы в области высокоскоростных бега
Системы горячего литья позволяют экономить материал и расширять технологический диапазон, но они сопряжены с более высокими первоначальными капитальными затратами, серьезными проблемами загрязнения при продувке и более высокими общими затратами на техническое обслуживание, чем системы холодного литья. Система должна стабильно работать при температуре 450 °C, с внешним нагревом и без внутренних ограничений потока, а наконечники сопел должны быть достаточно широкими, а не с точечным затвором.
Пределы допуска
Без дополнительных операций литье не может обеспечить самые жесткие допуски. Если чертеж требует более высокого, чем стандартное, качества литья, запланируйте механическую обработку после литья и включите ее в стоимость.
Показатели себестоимости по всем вышеперечисленным параметрам слишком сильно различаются в зависимости от детали, объема и цеха, чтобы приводить их здесь с достаточной точностью. Правильный подход заключается в том, чтобы рассматривать их как направленные факторы: использование горячего инструмента, медленные циклы и переточка с защитным слоем увеличивают себестоимость единицы продукции, и объем, при котором литье превосходит механическую обработку, соответственно изменяется.
Выбор марки PEEK для определения характера отказа
Выбор класса прочности проще, если исходить из типа отказа, который должна выдерживать деталь, а не из таблицы свойств. Три стандартных класса прочности Victrex соответствуют трем различным типам отказов.
Модуль упругости при растяжении при 23 °C (ISO 527-1) и деформация при разрыве при 23 °C (ISO 527-2) для трех марок PEEK от Victrex, данные взяты из технических паспортов поставщиков. Значения в технических паспортах описывают лабораторные образцы для сравнения материалов; свойства формованной детали зависят от ее геометрии, конфигурации инструмента и условий обработки.
Ненаполненный сорт — для пластичности и прочности.
В технической документации указаны следующие характеристики: деформация при разрыве 25%, модуль упругости при растяжении 4,000 МПа, а также отсутствие разрушения при ударных испытаниях по Шарпи и Изоду без надреза при температуре 23 °C. Ненаполненный PEEK обладает самым высоким удлинением и прочностью в своем семействе, что подходит для компонентов приборов и уплотнений, где пластичность и инертность имеют решающее значение. Выбирайте ненаполненный PEEK, если деталь должна изгибаться, поглощать удары или герметизировать сопрягаемую поверхность без растрескивания.
Стеклонаполненный сплав — для статической жесткости и низкого теплового расширения.
Добавление 30% стекловолокна повышает модуль упругости при растяжении до 11 500 МПа и обеспечивает температуру деформации при нагреве 328 °C при давлении 1.8 МПа, а также коэффициент линейного теплового расширения в направлении течения 18 ppm/K ниже температуры стеклования. В технической документации описывается его применение в качестве материала с повышенной прочностью в статических системах с низким коэффициентом теплового расширения. Его следует выбирать, когда деталь должна сохранять форму под нагрузкой при определенной температуре и оставаться стабильной по размерам — например, конструктивный кронштейн, корпус или компонент, который не должен разрастаться в соседний элемент.
Углеродсодержащий сплав — для износостойкости и высочайшего модуля упругости.
Содержание углеродного волокна в количестве 30% обеспечивает модуль упругости при растяжении 28 000 МПа, наименьшую усадку в направлении потока в этом семействе материалов — 0.10%, а также, согласно техническим характеристикам, превосходную износостойкость и низкий коэффициент трения в статических или динамических системах. Выбирайте этот материал, когда деталь скользит, трется или подвергается нагрузке, и жесткость важнее удлинения.
Компромиссы одинаковы для всех наполненных марок стали. Они более абразивны для инструмента, поэтому рекомендуется использовать износостойкие шнеки и биметаллические цилиндры, а также удваивать размеры литниковых каналов. Они теряют удлинение — 3.0% для стали с 30% содержанием стекловолокна и 1.7% для стали с 30% содержанием углерода по сравнению с 25% ненаполненной стали — поэтому деталь, которую необходимо согнуть, не следует наполнять. Кроме того, они анизотропно сжимаются, при этом коэффициент поперечного потока в несколько раз превышает коэффициент текучести, что усложняет корректировку инструмента. Каждое утверждение должно быть привязано к техническим характеристикам конкретной марки стали; значение для одной марки не переносится на другую.
Области применения литья под давлением из PEEK
PEEK оправдывает свою стоимость в тех областях применения, где температура, химический состав или стерилизация не позволяют использовать обычные конструкционные пластмассы. Формование также оправдано в тех случаях, когда для этих областей применения необходимы большой объем, сложная геометрия или повторяемость.
Мед
PEEK выдерживает многократную паровую стерилизацию, а опубликованные результаты медицинских испытаний показывают отсутствие значительной потери механических свойств после 1,500 циклов стерилизации при 134 °C, измеренных на пластиковых образцах без циклов очистки. Типичными примерами являются хирургические инструменты, пробные имплантаты и стоматологические компоненты. Биосовместимость не является автоматической благодаря полимеру: стандарт ASTM F2026-23 устанавливает требования к первичному PEEK для применения в хирургических имплантатах и явно исключает наполненные, окрашенные или переработанные формы, а руководство FDA ISO 10993-1 рассматривает биологическую оценку как процесс управления рисками. Формование подходит для этого сектора, когда необходимы инструменты или одноразовые компоненты в больших объемах с постоянной геометрией; механическая обработка подходит для имплантатов, изготовленных по индивидуальным заказам пациентов или в небольших объемах.
Аэрокосмическая промышленность и Автомобильная
Легкие детали, которые должны выдерживать высокие температуры под капотом или в фюзеляже, выигрывают от способности PEEK к непрерывной работе при температуре около 250 °C и сохранения прочности при таких температурах — в технической документации 450G указано напряжение изгиба 85 МПа при 125 °C и 19 МПа при 175 °C. Литье подходит для кронштейнов, втулок и корпусов, где геометрия сложна, а объем оправдывает использование инструмента; крупные или простые детали часто остаются обработанными механическим способом.
Электроника и полупроводник
Электрические свойства PEEK сохраняются в широком диапазоне температур, а его размерная стабильность подходит для производства небольших прецизионных компонентов в больших объемах — классический случай для литья под давлением, когда с одного пресса сходят тысячи одинаковых деталей.
Энергетика, нефть и газ
Химическая стойкость к кислотам, щелочам, углеводородам и растворителям при повышенных температурах, а также устойчивость к гидролизу в паре и морской воде делают PEEK подходящим материалом для уплотнений, компонентов клапанов и деталей, используемых в скважинах. Формование подходит для изготовления повторяемых мелких деталей; крупные или единичные компоненты обычно изготавливаются из заготовок.
Промышленное оборудование
Детали, подверженные износу, подшипники и втулки выигрывают от низкого коэффициента трения и износостойкости углеродсодержащего сплава. В тех случаях, когда эти расходные материалы заменяются в больших количествах, литье быстро окупается.
В каждом случае логика одна и та же: свойства оправдывают использование PEEK, а объем или геометрия оправдывают формование, а не механическую обработку.
Когда Машина Используйте метод PEEK вместо формовки.
Механическая обработка по-прежнему остается оптимальным решением для значительной части деталей из PEEK, и знание того, когда это необходимо, позволяет сэкономить деньги.
Машинная обработка необходима при небольших объемах производства. Ниже точки амортизации оснастки стоимость инструмента становится доминирующей, и литье под давлением PEEK становится более дорогим вариантом. Прототипы, промежуточная оснастка и единичные приспособления лучше обрабатывать на фрезерном или токарном станке, где не требуется оплата за оснастку, а изменения в конструкции требуют только времени на программирование.
Обработка на станке возможна, когда геометрия большая или простая. Большая, угловатая деталь с небольшим количеством элементов практически не расходуется при резке из заготовки, а пресс-форма для нее была бы большой, горячей и дорогой. Отходы заготовки, из-за которых обработка PEEK обходится дорого, пропорциональны тому, какая часть заготовки становится деталью; для простой формы большая часть отходов приходится на нее.
Механическая обработка необходима, если допуски превышают возможности формовки. Типичные допуски при формовке составляют около 0.05% в стандартных условиях. Если чертеж требует более жестких допусков или элементов, которые формовка невозможна, следует запланировать механическую обработку — либо всей детали, либо вторичной операции после формовки.
Расчет стоимости пресс-формы производится с учетом амортизации инструмента при годовом объеме производства. Расчет включает четыре переменные: стоимость инструмента, размер детали (определяющий вес впрыска и время цикла), стоимость смолы за один впрыск и предотвращенное удаление материала при механической обработке. По мере увеличения объема производства стоимость инструмента распределяется на большее количество деталей и на расходные материалы, позволяющие экономить смолу за один впрыск. Точка пересечения специфична для каждой детали; чтобы ее определить, необходимо запросить коммерческое предложение, в котором стоимость инструмента и детали разделены, и сравнить его с предложением по механической обработке при том же годовом объеме производства.
Прессование при сложной геометрии и заданной форме. Выступы, резьба, зажимы и внутренние элементы изготавливаются без затрат на хорошо спроектированный инструмент, тогда как механическая обработка требует дополнительных затрат.
Прессование под давлением важно, когда повторяемость процесса для множества деталей имеет значение. Один инструмент позволяет изготавливать идентичные детали от партии к партии; механическая обработка зависит от стабильности настройки. Для производственной программы повторяемость процесса литья под давлением сама по себе является преимуществом с точки зрения качества.
Честный подход заключается в расчете соотношения объема и амортизации оснастки, а не в использовании эмпирического правила. Любая конкретная сумма в долларах будет выдумана; важны именно переменные.
Разработка дизайна для PEEK: Инструменты и правила, касающиеся деталей, предотвращающие брак.
Большая часть отходов PEEK связана с рядом проектных решений, принятых до резки стали. Приведенные ниже правила существуют из-за высоких температур плавления и формования, а не потому, что в принципе проектировать изделия из PEEK необычайно сложно.
1. Однородные сечения стен.
Как правило, минимальная толщина стенок составляет около 1 мм для неармированных компаундов PEEK и 1.5 мм для армированных. Равномерные стенки равномерно охлаждаются и равномерно сжимаются; переходы от толстых к тонким стенкам приводят к образованию впадин, пустот и деформаций, которые невозможно полностью устранить с помощью каких-либо настроек оборудования.
2. Просторные, хорошо вентилируемые ворота.
Стандартная минимальная ширина литникового канала составляет 1 мм для ненаполненных и 2 мм для компаундов, или примерно две трети толщины стенки для толстых деталей, при этом ширина литникового канала должна быть в 1–1.5 раза больше толщины формованного изделия. Минимальная ширина литникового канала составляет около 4 мм при диаметре входного отверстия, в 1.5 раза превышающем толщину наибольшей детали. Большие литниковые каналы обеспечивают циркуляцию расплава и уменьшают образование усадочных раковин и пустот; адекватная вентиляция предотвращает неполное впрыскивание и следы пригорания.
3. Горячие каналы рассчитаны на температуру 450 °C.
При использовании системы горячего канала требуется внешний нагрев без внутренних ограничений потока, стабильная работа при температуре 450 °C, сопло с широкими диаметрами, расположенное на поверхности детали, и очень хороший индивидуальный контроль температуры для поддержания баланса инструмента. Использование штифтового литника не рекомендуется.
4. Инструментальные стали, сохраняющие твердость при высоких температурах.
Обычно целевым показателем является твердость полости и сердцевины по Роквеллу 52–54 при температурах обработки PEEK. Распространённый выбор — это марки стали, сохраняющие твердость около 54–58 HRC при высоких температурах, включая 1.2343 ESU, 1.2379, 1.2083 и 1.2316. Наполненные марки стали абразивны, поэтому важна износостойкость литниковых каналов.
5. Учет анизотропной усадки.
Усадка различается вдоль и поперек потока, и это особенно заметно для присадок — 0.90% против 1.3% для 450G, 0.10% против 0.50% для 450CA30. Изготавливайте инструмент, безопасный для металла, и корректируйте параметры, основываясь на измерениях первого образца, исходя из фактической геометрии, а не только на усадке, указанной в технических характеристиках.
6. Моделирование процесса перед резкой стали.
Моделирование всегда следует проводить перед резкой стали, чтобы установить затворы для сбалансированного потока, минимизировать образование стыков и определить, где необходима вентиляция. Для инструмента, рассчитанного на работу при температуре 200 °C, замена стали обходится дорого, поэтому моделирование — это недорогая страховка.
Заключение по литью под давлением PEEK
Литье под давлением PEEK выгодно, когда объем и геометрия оправдывают использование горячей формы и тщательной сушки; ниже этого порога оптимальным решением остается механическая обработка. Технологическая цепочка фиксирована: герметичное хранение, сушка до влажности менее 0.02%, пластифицирующий блок, способный работать при температуре 400 °C, форма, поддерживаемая при температуре 170–200 °C, контролируемая упаковка и охлаждение, отжиг при необходимости и контроль, включающий проверку кристалличности. Параметры, определяющие качество, — это сушка, температура расплава, температура формы, размер литникового канала и допуск на усадку, и они различаются в зависимости от марки: вязкость расплава 350, 550 и 675 Па·с и усадка в направлении потока 0.90%, 0.30% и 0.10% для неармированного, стеклонаполненного и углеродсодержащего PEEK соответственно.
Выбор марки материала определяется характером разрушения: без наполнителя – для пластичности и прочности, с наполнителем из стекловолокна – для статической жесткости и низкого теплового расширения, с наполнителем из углеродного волокна – для износостойкости и наивысшего модуля упругости. Области применения также подчиняются этой логике — в медицинской, аэрокосмической, автомобильной, электронной, энергетической и промышленной отраслях PEEK оправдано для определенных свойств, а формование – для определенного объема или геометрии.
Следующий шаг — определить годовой объем производства, допуски и геометрию, а затем запросить коммерческое предложение, в котором стоимость оснастки и детали не учитываются. Сравнение этого предложения с предложением по механической обработке при том же объеме производства — единственный надежный способ определить, какой процесс следует использовать для изготовления детали.
Сотрудничество с компанией NOBLE над вашим проектом по литью под давлением из PEEK.
Компания NOBLE предоставляет услуги по литью под давлением изделий из PEEK на заказ , включая стальную и алюминиевую оснастку, одногнездные, многогнездные и многогнездные пресс-формы, а также прессы мощностью от 50 до 500 тонн, с повторяемостью деталей ±0.1 мм и допусками на полости пресс-формы ±0.05 мм. PEEK входит в число обрабатываемых материалов, а контроль качества осуществляется собственными силами с использованием оборудования ZEISS CMM. Эти цифры описывают общие возможности NOBLE в области литья под давлением; они не являются примером конкретного случая литья из PEEK, и программа литья из PEEK должна подтверждать указанные выше параметры — температурный диапазон цилиндра, метод нагрева инструмента, точку росы при сушке и контроль кристалличности — на конкретном прессе и инструменте, которые будут использоваться для изготовления детали.
Что нужно подготовить перед запросом коммерческого предложения: 3D-модель и чертеж с указанием допусков, годовой и пусковой объемы, условия эксплуатации (температура, химические вещества, циклы стерилизации), класс прочности или описание режима разрушения, которому должна соответствовать деталь, а также любые нормативные стандарты, которым должна соответствовать деталь. Имея эту информацию, можно разделить стоимость оснастки и стоимость детали, что является единственным честным способом сравнения литья и механической обработки.
Указанные компанией NOBLE сроки выполнения заказов — предоставление коммерческого предложения в течение 24 часов и изготовление деталей в течение 7–10 дней для многих видов работ — относятся к общему спектру предоставляемых услуг; сроки изготовления оснастки и проверки процесса для изделий из PEEK могут отличаться в зависимости от типа детали и марки материала.
Часто задаваемые вопросы о литье под давлением PEEK
Зачем сушить PEEK, если он не гигроскопичен?
Поскольку «негигроскопичен» означает, что материал не растворяется и не набухает в воде, а не остается сухим. Гранулы обычно поглощают около 0.5% атмосферной влаги, а предельный уровень перед формованием составляет 0.02%. Влага при 380 °C вызывает дефекты поверхности и потерю молекулярной массы, поэтому материал сушат при 120–150 °C в течение 3–5 часов до точки росы −40 °C.
Почему температура формы выше, чем температура плавления большинства смол?
Поскольку температура пресс-формы контролирует кристалличность. В технологических руководствах рекомендуется температура поверхности инструмента 175–205 °C (в технических характеристиках для неармированного PEEK указывается 170–200 °C), чтобы деталь приобрела кристаллическую структуру; детали, отлитые в рекомендуемых условиях, должны иметь номинально 30% кристаллической структуры. Холодная пресс-форма охлаждает поверхность до аморфного состояния, что приводит к образованию темных или прозрачных краев, а также снижению прочности и химической стойкости.
Можно ли повторно измельчить PEEK, и в каком соотношении?
Да. Стандартные рекомендации устанавливают максимальное содержание вторичного сырья в ненаполненном полимере на уровне 30% по массе и в наполненных компаундах на уровне 10% по массе, а также предупреждают, что даже небольшое количество посторонних примесей серьезно влияет на качество при температурах обработки PEEK.
Чем отличается литье под давлением от механической обработки с точки зрения стоимости и точности?
После амортизации оснастки литье выигрывает по стоимости, поскольку каждый цикл литья использует граммы смолы вместо заготовки и позволяет получать сложные геометрические формы. Механическая обработка выигрывает при малых объемах производства и самых жестких допусках; типичные допуски при литье составляют около 0.05% в стандартных условиях, а более жесткие требования требуют вторичной механической обработки.
Какая температура формы необходима для достижения полной кристалличности?
В руководстве по обработке Victrex рекомендуется температура поверхности 175–205 °C, а Evonik советует использовать температуру инструмента выше 180 °C для достижения высокой степени кристаллизации. Поскольку инструменты с масляным нагревом теряют тепло через трубопроводы, заданное значение контроллера часто намного выше фактически достигнутой температуры поверхности.
Можно ли обрабатывать заполненные и незаполненные поля в одном и том же инструменте?
Их можно формовать в одном и том же инструменте только с осторожностью. Для наполненных марок требуются более крупные литниковые каналы — минимум 2 мм против 1 мм — они имеют другую усадку и абразивны для инструмента, поэтому инструмент, предназначенный для ненаполненного PEEK, может не обеспечить заполнение или быстро изнашиваться при работе со стекло- или углеродсодержащими марками. Компания Victrex рекомендует проектировать литниковые каналы для той марки, которая будет использоваться, и применять износостойкие стали для наполненных компаундов.
