PEEK材料成形ソリューション

知っておくべきPEEK材料の知識とは何ですか?

導入

医療業界をはじめとする様々な産業において、ポリマーは金属に取って代わってきました。これにより、様々な病状の治療と管理が改善されました。この分野は拡大していますが、既に確立された用途を持つポリマーも存在します。ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）はその一つです。生体適合性、滅菌性、耐久性に優れています。組織置換から医療用ツールまで、幅広い用途で使用されています。PEEKは高性能ポリマーです。医療業界以外にも、PEEKはより複雑な用途にも使用されています。例えば、航空宇宙部品や機械部品の製造が挙げられます。PEEKの射出成形は、より複雑で大量生産可能な製品への応用範囲を広げています。PEEKの射出成形は、他のプラスチックの射出成形とは異なります。この記事では、PEEKの射出成形に関するいくつかの特徴について説明します。また、PEEKの特性、用途、そしていくつかの特別な機能についても探っていきます。この記事では、PEEKの射出成形が他のプラスチックの射出成形と比べてどのように優れているかについて、深く理解していただけるでしょう。

PEEK が優れている理由は何ですか?

多くのポリマーは、他のポリマーとは異なる優れた特性を持っています。実際、ポリマーは最も多様な材料群と言えるでしょう。中には、加工面でも用途面でも、更なる検討を要する優れた特性を持つポリマーも存在します。その一つがPEEKです。では、PEEKを様々な用途で優れた特性を持つ材料として挙げてみましょう。

優れた機械的特性

PEEKは高性能材料に分類されます。PEEKは、多様で過酷な用途においてもその完全性を維持するプラスチックです。その優れた機械的特性がPEEKの高性能特性を支えています。PEEKの化学構造を見れば、その優れた特性は明らかです。PEEKの繰り返し単位は3つのベンゼン環で構成されています。これらはケトン基とエーテル基で結合しています。ケトン基とエーテル基で結合したベンゼン環の繰り返し配列構造により、PEEKは強固で安定した半結晶構造を形成します。優れた機械的特性は、PEEKの機械加工も可能にします。これは、射出成形されたPEEK製品からランナーやバリを切断する必要がある場合に適しています。PEEKの優れた機械的特性は、軽量で低密度という特性を補完します。PEEKの密度は1.32g/cm3です。PTFEの密度は2.2g/cm3、PETの密度は1.38g/cm3です。これは、沸騰水の熱にも耐えられる強固な材料であることを意味します。それでも、飲料水のボトルに使われるプラスチックよりも軽量です。業界はこのような素材に夢中です。

放射線耐性

医療器具の滅菌には放射線がよく用いられます。これらの製品の製造に使用される材料は、こうした放射線に耐えなければなりません。滅菌に使用される放射線には、ガンマ線や紫外線などがあります。PEEKは、化学的または物理的な完全性を損なうことなく、これらの放射線に耐えることができます。

高温耐性

金属は多くの医療器具や機器で成功を収めてきました。これは、洗浄と滅菌の容易さに一因があります。ポリエチレンなどのプラスチックは高温に耐えられません。水の沸点に近い温度でさえもです。ペットボトルに熱湯を注いで柔らかくなるのを試してみてください。滅菌は180℃以上の温度で行われます。滅菌は医療行為において非常に重要な部分です。そのため、使用される材料は滅菌されている必要があります。滅菌されていないと、命に関わる損失につながる可能性があるからです。再利用される製品は、使用前後に滅菌されます。使い捨ての製品は、滅菌された製造環境で製造されます。

無菌製造条件下での製造は、製造コストを大幅に増加させます。製造後に製品を滅菌できれば、工程の負担は軽減されます。また、滅菌状態を維持したまま製品を安全に再利用できます。熱滅菌は、最もシンプルかつ効果的な滅菌方法の一つです。PEEKの高温耐性はその有用性に貢献しています。

化学薬品および溶剤耐性

これには耐水性も含まれます。医療用途では、ツールやインプラントが長期間にわたって湿気にさらされます。これは様々な環境下で起こり得ます。特に、人体組織、血清、血液、内臓と接触する材料では、その傾向が顕著です。これらの材料は、酸性、アルカリ性、塩分など、様々な条件にさらされます。例えば、胃の中の酸性状態から、血液は中性に近い状態まで様々です。PEEKのさらに優れた点は、化学物質や溶剤に対する耐性を維持することです。これは高温下でも維持されます。例えば、加熱や摩擦によって流体が高温になる機械などに最適です。

PEEKの射出成形時に考慮すべき要素

PEEKは一部のハイエンド用途には最適ですが、その加工は容易ではありません。PEEKを初めて扱う場合は、いくつかの特別な考慮事項を念頭に置く必要があります。他のプラスチックの射出成形の経験の有無に関わらず、PEEKには他のプラスチックには見られないいくつかの課題があります。具体的には以下のとおりです。

射出成形温度

PEEKの射出成形において、加工業者が最初に直面する課題は、その高い融点です。これは用途においては大きな利点ですが、射出成形においてはより困難を伴います。それでもなお、射出成形はプラスチックを製造する最も費用対効果の高い手段であり、PEEKにおいてはなおさらです。PEEKを扱うということは、機械が温度範囲の限界ぎりぎりで稼働することを意味します。そのため、機器部品を熱による損傷やストレスから保護することが重要です。これは、必要に応じて高品質の金属や断熱材を使用することを意味します。PEEKは、より一般的なプラスチックと同じタイプの射出成形機で成形されます。しかし、これらの機械はPEEKの特殊な要件を満たすように適切に調整されている必要があります。したがって、古い機械であれば何でも良いというわけではありません。射出成形機が加工に適した状態になるには、約400℃±50℃に達する必要があります。そうでない場合は、改造が必要です。改造は、熱電対の加熱能力を高めることを目的としています。加熱バンドもセラミック製のものに変更されます。熱を閉じ込め、より早く高温に達するために、断熱ブランケットが役立ちます。これによりバレルが断熱され、発生した熱が滞留し、温度上昇が速まります。これによりエネルギー消費が削減され、コストも削減されます。

バレルに沿った温度分布も非常に重要です。同様に、溶融樹脂がランナーを通過して金型に入る際の温度も重要です。バレルに沿った温度分布は、供給部から始まります。供給部は、ブリッジ形成を防ぐのに十分な温度に保たれている必要があります。ブリッジ形成は、供給部でポリマーが早期に溶融することで生じる流動制限です。ブリッジ形成が起こると、ペレットはフィードフォワードではなく、供給口で固着してしまいます。

バレルの下流では、溶融金属の温度は170～200℃程度に保たれる必要があります。金型内では状況が異なります。ここで冷却が起こります。部品の冷却が不均一にならないようにする必要があります。部品によっては冷却速度が速く、他の部品は冷却速度が遅いといった状態です。冷却速度は結晶化度に影響します。その結果、同じ製品の中に非晶質領域と結晶質領域が混在することになります。これは、製品の色ムラとして目に見えることがよくあります。下の画像は、このような変色の一例です。

ゲートに関しては大きいほど良い

溶融金属はゲートを通って金型に入ります。ゲートは見落とされがちですが、製品の成形において重要な役割を果たします。ゲートは金型への溶融金属の流れを決定し、ひいては冷却パターンを決定します。これは、PEEKのような高収縮率のポリマーにとって特に重要です。ゲートが大きいほど、一定時間で金型に入る溶融金属の量が増えます。これにより、より均一な温度低下が促進されます。したがって、より均一な収縮が得られ、部品の成形性が向上します。サブマリンゲートは多くの用途に適していると言われていますが、PEEKにはあまり適していません。PEEKの射出成形には、タブゲート、ファンゲート、またはエッジゲートの方が適しています。ただし、ゲートの仕様に影響を与える他の要因も考慮する必要があります。例えば、金型のキャビティ数やランナーシステムの種類などです。

収縮

ほとんどのプラスチックは冷却時にある程度収縮します。溶融状態から硬い固体状態へのこの体積変化は、金型設計においてしばしば考慮されます。収縮が異方性の場合、収縮はより複雑になります。つまり、材料は方向によって収縮の仕方が異なります。冷却中に金型を加圧することで圧力が加えられます。これにより、表面と形状が均一になります。異方性収縮の場合は、収縮方向を考慮して圧力を加えます。したがって、PEEK用の金型を設計する際には、この異方性収縮を考慮する必要があります。

機械製造の材料

このような高温で操作する場合、溶融金属と接触する部品は高品質でなければなりません。銅や合金は PEEK の射出成形では使用されません。ただし、ポリエチレンなどの低融点ポリマーの加工には使用できます。ただし、高温で腐食しやすくなるためです。高品質のステンレス鋼は PEEK の射出成形に適しています。これは、スクリューとバレルの場合にさらに重要です。これらは、マシンの他のどの部品よりも長い時間、熱い溶融金属と接触します。滑らかでよく磨かれた表面を維持することも重要です。これにより、溶融金属がスムーズに流れ、流動パターンが良好になります。高融点でこのような強靭なポリマーの場合、粘度は低くなる傾向があります。これは、低粘度を実現するためにそれほど多くの熱を必要としない低融点ポリマーとは異なります。粘性の高い材料では、滑らかな壁によって流動抵抗が最も少なくなります。

乾燥

PEEKは水やその他の溶剤に対して非常に優れた耐性を持っています。しかし、環境中の水分が表面に付着する可能性があります。保管中に蓄積された水分は、加工中にガス化します。このような高温では、溶融物に気泡が存在することは好ましくありません。PEEKは、水分含有量を0.02%未満まで乾燥させることをお勧めします。これは、循環式オーブンで約160℃の温度で2～3時間乾燥させることで実現します。

残留物と汚染物質

高温下では、PEEK以外の材料は劣化します。機械が他のプラスチックを加工する場合、それらの残留物が含まれている可能性があります。低融点プラスチックは劣化し、プラスチックに黒い斑点が現れます。これは外観と品質を損ない、部品の不良につながる可能性があります。これを避けるため、PEEKで加工を開始する前に、装置のすべての部品を洗浄する必要があります。これには、スクリューを分解し、スクリューとバレルの両方を洗浄することが含まれます。これらは最も高温になる部品であるため、特に注意が必要です。ノズルなどの他の部品、ランナー、金型も洗浄が必要です。可能であれば、射出成形機はPEEK専用にしてください。リグラインドなどの補助加工機も含め、ライン全体をPEEK専用にすることで、汚染の可能性を低減できます。

PEEKによるオーバーモールド

PEEKは、使用温度では硬質プラスチックです。オーバーモールド成形において、最も有力な選択肢の一つです。優れた基板材料として、また、より軟質または低融点の材料をオーバーモールド成形する際にも最適な選択肢の一つです。高い軟化温度により、オーバーモールド成形に使用できるプラスチックの選択肢が広がります。融点の選択肢も幅広いため、オーバーモールド成形に適した材料が増えることを意味します。

射出成形PEEK製品の一部

PEEKの用途は、医療、航空宇宙、機械など多岐にわたります。以下に、その用途の一部をご紹介します。ほとんどの用途は射出成形ですが、チューブやプロファイルは押出成形が一般的です。

整形外科用インプラント
歯科インプラント
外科用機器
医療機器
股関節置換術
脊椎インプラント
指関節置換術/修復術
チューブ
電気絶縁材
プロフィール

結論

PEEKの加工は従来の射出成形機で行えます。しかし、PEEKに適合させるには、これらの機械を改造する必要があります。確実な加工には、いくつかの注意点があります。適切な温度管理、大きなゲート、清潔で乾燥した原材料などがその例です。加工条件は、使用するPEEKのグレードによっても異なりますのでご注意ください。

参考リンク

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

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