Soluzioni per lo stampaggio di materiali PEEK
Quali sono le conoscenze sul materiale PEEK che devi conoscere?
Sommario
Introduzione
I polimeri hanno sostituito i metalli in numerose applicazioni in campo medico e in altri settori. Ciò ha portato a un miglioramento del trattamento e della gestione di diverse patologie. Sebbene il settore sia in espansione, esistono alcuni polimeri con applicazioni consolidate. Il polietere etere chetone, o PEEK, è uno di questi. È biocompatibile, sterilizzabile e durevole. Trova impiego in applicazioni che spaziano dalla sostituzione dei tessuti agli strumenti medicali. Il PEEK è un polimero ad alte prestazioni. Oltre al settore medico, il PEEK trova impiego anche in applicazioni più complesse. Un esempio è la fabbricazione di componenti aerospaziali e meccanici. Lo stampaggio a iniezione del PEEK estende le sue applicazioni a prodotti più complessi e riproducibili in serie. Lo stampaggio a iniezione del PEEK è diverso dallo stampaggio a iniezione di altre materie plastiche. Questo articolo ne illustra alcune peculiarità. Nel farlo, esploreremo anche le sue proprietà, le sue applicazioni e alcune delle sue caratteristiche speciali. Qui avrete una buona panoramica di come lo stampaggio a iniezione del PEEK si distingua da quello di altre materie plastiche.
Cosa rende PEEK così eccezionale?
Molti polimeri possiedono proprietà specifiche che li distinguono dagli altri polimeri. È possibile, infatti, che i polimeri rappresentino la classe di materiali più diversificata. Esistono polimeri con proprietà eccezionali che richiedono ulteriori approfondimenti, sia nella lavorazione che nelle applicazioni. Uno di questi è il PEEK. Iniziamo con alcune delle sue proprietà che lo rendono un materiale di grande utilità in diverse applicazioni.
Proprietà meccaniche superiori
Il PEEK è classificato come materiale ad alte prestazioni. Si tratta di materie plastiche che mantengono la loro integrità in applicazioni diverse ed estreme. Le proprietà meccaniche conferiscono al PEEK le sue caratteristiche ad alte prestazioni. Osservando la struttura chimica del PEEK, le proprietà superiori sono evidenti. La sua unità ripetitiva comprende tre anelli benzenici, collegati da un chetone e un gruppo etereo. La struttura è una sequenza ripetuta di anelli benzenici legati da chetoni ed etere. Questo gli conferisce una struttura semicristallina resistente e stabile. Le proprietà meccaniche superiori rendono inoltre possibile la lavorazione del PEEK. Questa caratteristica è utile quando è necessario eliminare colate o sbavature da prodotti in PEEK stampati a iniezione. Le proprietà meccaniche superiori del PEEK si uniscono alla sua leggerezza e bassa densità. Per fare un paragone, il PEEK ha una densità di 1,32 g/cm³. La densità del PTFE è di 2,2 g/cm³, mentre quella del PET è di 1,38 g/cm³. Ciò significa che si dispone di un materiale resistente in grado di resistere al calore dell'acqua bollente. Tuttavia, è più leggero della plastica utilizzata nelle bottiglie d'acqua potabile. L'industria impazzisce per questo tipo di materiale.
Tolleranza alle radiazioni
Le radiazioni sono spesso utilizzate per la sterilizzazione di strumenti medici. Il materiale utilizzato per la produzione di questi prodotti deve tollerare tali radiazioni. Le radiazioni utilizzate per la sterilizzazione includono radiazioni gamma e radiazioni UV. Il Peek può tollerare queste radiazioni senza alterare la sua integrità chimica o fisica.
Tolleranza alle alte temperature
I metalli hanno avuto un ruolo determinante in molti strumenti e apparecchiature mediche. Ciò è dovuto in parte alla facilità con cui si puliscono e sterilizzano. Le materie plastiche come il polietilene non resistono alle alte temperature. Nemmeno a temperature prossime al punto di ebollizione dell'acqua. Provate a versare acqua bollente in una bottiglia di PET e osservatela ammorbidirsi. La sterilizzazione avviene a temperature superiori a 180 °C. La sterilizzazione è un aspetto cruciale della pratica medica. Pertanto, i materiali utilizzati devono essere sterili, poiché ciò potrebbe causare perdite fatali. I prodotti riutilizzati vengono sterilizzati prima e dopo l'uso. Quelli monouso vengono prodotti in condizioni di produzione sterili.
La produzione in condizioni sterili comporta un notevole aumento dei costi. La possibilità di sterilizzare un prodotto dopo la produzione semplifica il processo. Rende inoltre sicuro il riutilizzo del prodotto, mantenendone la sterilità. La sterilizzazione termica è una delle forme di sterilizzazione più semplici ed efficaci. La capacità del PEEK di resistere alle alte temperature contribuisce alla sua utilità.
Resistenza a sostanze chimiche e solventi
Ciò include la resistenza all'acqua. Nelle applicazioni mediche, strumenti o impianti sono esposti all'umidità per lunghi periodi. Questo può verificarsi anche in diversi ambienti. Ancor di più nei materiali che entrano in contatto con tessuti umani, siero, sangue o organi interni. Questi presentano diverse condizioni. Ad esempio, acidi, alcalini, salati e altri. Come la condizione acida nello stomaco rispetto a quella più vicina alla neutralità del sangue. Un ulteriore vantaggio del PEEK è che mantiene la sua resistenza a sostanze chimiche e solventi. Lo fa anche a temperature elevate. Questo è ottimo, ad esempio, nelle macchine in cui i fluidi si riscaldano a causa del riscaldamento o dell'attrito.
Alcuni fattori da considerare quando si stampa a iniezione PEEK
Sebbene il PEEK possa essere ottimo per alcune applicazioni di fascia alta, la sua lavorazione non è una passeggiata. Se si lavora con il PEEK per la prima volta, ci sono alcune considerazioni particolari da tenere a mente. Indipendentemente dal fatto che si abbia già esperienza nello stampaggio a iniezione di altre materie plastiche, il PEEK presenta alcune sfide che potrebbero non sussistere con altri materiali plastici. Eccole:
Temperatura di stampaggio a iniezione
La prima sfida che un trasformatore deve affrontare nello stampaggio a iniezione del PEEK è il suo elevato punto di fusione. Sebbene questo sia un vantaggio per la sua applicazione, lo rende più difficile da realizzare nello stampaggio a iniezione. Tuttavia, lo stampaggio a iniezione è il metodo più conveniente per produrre materie plastiche. A maggior ragione con il PEEK. Lavorare con il PEEK significa che la macchina opera al limite estremo dell'intervallo di temperatura. È quindi importante proteggere i componenti dell'attrezzatura da danni o sollecitazioni dovute al calore. Ciò significa utilizzare metalli e isolanti di alta qualità, ove necessario. Il PEEK viene stampato con lo stesso tipo di macchine per lo stampaggio a iniezione utilizzate per le materie plastiche più comuni. Ma queste devono essere ben adattate per soddisfare i requisiti specifici del PEEK. Quindi, una macchina qualsiasi non è adatta. Affinché una macchina per lo stampaggio a iniezione sia adatta alla lavorazione, deve raggiungere temperature di circa 400 °C + 50 °C. In caso contrario, sono necessarie modifiche. Le modifiche apportate mirano ad aumentare la capacità di riscaldamento della termocoppia. Anche le fasce riscaldanti vengono sostituite con fasce ceramiche. Per contenere il calore e raggiungere temperature più elevate più velocemente, sono utili le coperte isolanti. Questo isola la canna, in modo che il calore generato rimanga all'interno e la temperatura aumenti più velocemente. Questo riduce il consumo energetico e quindi i costi.
Anche la distribuzione della temperatura lungo il cilindro è molto importante. Allo stesso modo, la temperatura del fuso durante il passaggio attraverso i canali di colata e nello stampo. La distribuzione della temperatura lungo il cilindro inizia dall'alimentazione. L'alimentazione deve rimanere sufficientemente fredda da evitare la formazione di ponti. Questa è una restrizione del flusso dovuta alla fusione prematura del polimero nella zona di alimentazione. In tal caso, i pellet si attaccheranno alla gola di alimentazione anziché procedere in avanti.
La temperatura della massa fusa deve mantenersi intorno ai 170-200 °C più in basso nel cilindro. Nello stampo, la situazione è diversa. È qui che avviene il raffreddamento. Non si desidera che il pezzo si raffreddi in modo non uniforme, con alcune parti che si raffreddano rapidamente e altre più lentamente. La velocità di raffreddamento influisce sulla cristallinità. Questo causa una miscela di regioni amorfe e cristalline nello stesso prodotto. Questo è spesso visibile come una colorazione non uniforme sul prodotto. L'immagine seguente mostra un esempio di tale scolorimento.
Più grande è meglio quando si tratta di Gates
Il fuso entra nello stampo attraverso i punti di iniezione. Il punto di iniezione viene spesso trascurato, ma svolge un ruolo importante nella formazione del prodotto. Il punto di iniezione determina il flusso del fuso nello stampo e, di conseguenza, il modello di raffreddamento. Questo è particolarmente importante per un polimero come il PEEK, che presenta un elevato ritiro. Un punto di iniezione più grande consentirà a una maggiore quantità di fuso di entrare nello stampo in un dato momento. Questo favorisce una caduta di temperatura più uniforme. Di conseguenza, un ritiro più uniforme, con conseguente migliore formazione del pezzo. Sebbene si dica che siano adatti a molte applicazioni, i punti di iniezione sottomarini non sono molto adatti per il PEEK. I punti di iniezione a linguetta, a ventaglio o a bordo sono più adatti per lo stampaggio a iniezione di PEEK. Tuttavia, è necessario tenere presenti anche gli altri fattori che influenzano le specifiche del punto di iniezione, ad esempio il numero di cavità dello stampo e il tipo di sistema di canalizzazione.
restringimento
La maggior parte delle materie plastiche si restringe in una certa misura durante il raffreddamento. Questa variazione di volume, dallo stato fuso a quello solido, viene spesso presa in considerazione nella progettazione dello stampo. Il restringimento diventa più complesso quando è anisotropo. In altre parole, il materiale si restringe in modo diverso in direzioni diverse. La pressione viene applicata durante il raffreddamento mantenendo lo stampo sotto pressione. Questo garantisce superfici e geometrie uniformi. Per un restringimento anisotropo, applicare la pressione tenendo conto della direzione del restringimento. Pertanto, quando si progettano gli stampi per il PEEK, è necessario considerare questo restringimento anisotropo.
Il materiale di fabbricazione dei macchinari
Quando si opera a temperature così elevate, le parti a contatto con la massa fusa devono essere di alta qualità. Rame o leghe non vengono utilizzati nello stampaggio a iniezione del PEEK, sebbene possano essere utilizzati nella lavorazione di polimeri a basso punto di fusione come il polietilene. Sono vulnerabili alla corrosione a temperature più elevate. L'acciaio inossidabile di alta qualità è adatto allo stampaggio a iniezione del PEEK. Questo è ancora più importante per la vite e il cilindro. Questi sono a contatto con la massa fusa a caldo più a lungo di qualsiasi altra parte della macchina. È anche importante mantenere superfici lisce e ben lucidate. Questo garantisce un flusso fluido della massa fusa e un buon andamento del flusso. Per un polimero così resistente con un alto punto di fusione, la viscosità tende ad essere inferiore. Questo a differenza di un polimero a basso punto di fusione che non necessita di altrettanto calore per raggiungere una viscosità inferiore. Con materiali più viscosi, le pareti lisce offrono la minore resistenza al flusso.
Asciugatura
Il PEEK ha un'ottima resistenza all'acqua e ad altri solventi. Tuttavia, l'umidità ambientale può depositarsi sulla superficie. L'umidità accumulata durante lo stoccaggio diventerà gassosa durante la lavorazione. A temperature così elevate, la presenza di sacche d'aria nella massa fusa non è una buona idea. Si raccomanda di essiccare il PEEK fino a un contenuto di umidità inferiore allo 0,02%. Questo avviene essiccando a una temperatura di circa 160 °C in un forno a circolazione per 2-3 ore.
Residui e contaminanti
Ad alte temperature, i materiali non PEEK si degradano. Se la macchina lavora altri materiali plastici, potrebbero esserci residui di questi. I materiali plastici con un punto di fusione più basso si degradano e causano macchie scure sulla plastica. Questo ne rovina l'aspetto e la qualità e può comportare lo scarto del pezzo. Per evitare questo problema, ogni parte dell'attrezzatura deve essere pulita prima di iniziare la produzione con PEEK. Ciò include lo smontaggio della vite e la pulizia sia della vite che del cilindro. Queste sono le parti più calde e dovrebbero essere sottoposte a maggiore attenzione. Anche altre parti come l'ugello, i canali di colata e gli stampi necessitano di pulizia. Se possibile, dedicare la macchina a iniezione esclusivamente al PEEK. Altre macchine di lavorazione ausiliarie, come il rimacinato, sono incluse. Dedicare l'intera linea al PEEK significa ridurre il rischio di contaminazione.
Sovrastampaggio con PEEK
Il PEEK è una plastica rigida alla sua temperatura di servizio. È una delle migliori scelte per il sovrastampaggio. È un buon materiale di substrato. Forma un nucleo resistente su cui può poi essere sovrastampato un materiale più morbido o con punto di fusione più basso. L'elevata temperatura di rammollimento offre una più ampia scelta di materie plastiche per il sovrastampaggio, con un divario più ampio nelle opzioni di temperatura di fusione. Ciò significa che più materiali saranno adatti come sovrastampati.
Alcuni prodotti PEEK stampati a iniezione
Le applicazioni del PEEK spaziano dal medicale all'aerospaziale, fino ai macchinari. Di seguito è riportato un elenco di alcune delle sue applicazioni, la maggior parte delle quali avviene tramite stampaggio a iniezione (tubi e profili vengono per lo più estrusi).
- Impianti ortopedici
- Impianti dentali
- Dispositivi chirurgici
- Dispositivi medici
- Sostituzione dell'anca
- Impianti spinali
- Sostituzione/riparazione dell'articolazione del dito
- Tubi
- Isolamenti elettrici
- Profili
Conclusione
La lavorazione del PEEK avviene in macchine per stampaggio a iniezione convenzionali. Tuttavia, queste devono essere modificate per adattarle al PEEK. Alcune precauzioni aggiuntive garantiscono una lavorazione di successo. Un buon controllo della temperatura, ampi punti di iniezione e materie prime pulite e asciutte sono alcuni esempi. Si noti che le esigenze di lavorazione dipendono anche dal grado di PEEK utilizzato.
Link di riferimento
https://www.victrex.com/en/victrex-peek
https://www.plasticstoday.com/materials/new-peek-material-takes-performance-another-level
https://www.plasticstoday.com/medical/solvays-peek-polymer-gets-nod-spinal-implant-device