Soluções de Moldagem de Material PEEK
Que conhecimentos sobre o material PEEK você precisa ter?
Índice
Introdução
Os polímeros substituíram os metais em muitas aplicações nas indústrias médica e outras. Isso levou a um melhor tratamento e controle de diversas condições médicas. Embora o campo esteja em expansão, existem alguns polímeros com aplicações bem estabelecidas. O poliéter éter cetona, ou PEEK, é um deles. É biocompatível, esterilizável e durável. Encontra uso em aplicações que vão desde a substituição de tecidos até instrumentos médicos. O PEEK é um polímero de alto desempenho. Além da indústria médica, o PEEK também é utilizado em aplicações mais complexas. Um exemplo é a fabricação de peças aeroespaciais e de máquinas. A moldagem por injeção de PEEK amplia suas aplicações para produtos mais complexos e reproduzíveis em massa. A moldagem por injeção de PEEK é diferente da moldagem por injeção de outros plásticos. Este artigo discute algumas das peculiaridades associadas a esse processo. Ao fazê-lo, também exploramos suas propriedades, aplicações e algumas de suas características especiais. Aqui você terá uma boa visão de como a moldagem por injeção de PEEK se destaca da moldagem por injeção de outros plásticos.
O que torna o PEEK tão incrível?
Muitos polímeros possuem propriedades específicas que os diferenciam dos demais. De fato, é possível que os polímeros sejam a classe de materiais mais diversa. Existem polímeros com propriedades excepcionais que exigem maior atenção, tanto em seu processamento quanto em suas aplicações. Um desses polímeros é o PEEK. Vamos começar por algumas de suas propriedades que o tornam excelente para diversas aplicações.
Propriedades mecânicas superiores
O PEEK é classificado como um material de alto desempenho. Trata-se de um plástico que mantém sua integridade em diversas aplicações, mesmo em condições extremas. As propriedades mecânicas conferem ao PEEK suas características de alto desempenho. Analisando a estrutura química do PEEK, suas propriedades superiores tornam-se evidentes. Sua unidade repetitiva é composta por três anéis benzênicos, conectados por um grupo cetona e um grupo éter. A estrutura é uma sequência repetitiva de anéis benzênicos ligados por cetonas e éteres, o que lhe confere uma estrutura semicristalina forte e estável. As propriedades mecânicas superiores também possibilitam a usinagem do PEEK. Isso é vantajoso quando há necessidade de remover rebarbas ou excesso de material de produtos moldados por injeção. A propriedade mecânica superior do PEEK complementa sua leveza e baixa densidade. Para se ter uma ideia, o PEEK tem uma densidade de 1,32 g/cm³. A densidade do PTFE é de 2,2 g/cm³, enquanto a do PET é de 1,38 g/cm³. Isso significa que se trata de um material resistente, capaz de suportar o calor da água fervente. No entanto, é mais leve do que o plástico usado em garrafas de água potável. A indústria está louca por esse material.
Tolerância à radiação
A radiação é frequentemente utilizada para a esterilização de instrumentos médicos. O material usado na produção desses produtos deve tolerar esse tipo de radiação. As radiações utilizadas para esterilização incluem radiação gama e radiação ultravioleta (UV). O PEEK tolera essas radiações sem alterações em sua integridade química ou física.
Tolerância a altas temperaturas
Os metais têm tido um papel fundamental em muitos instrumentos e equipamentos médicos. Isso se deve, em parte, à facilidade com que podem ser limpos e esterilizados. Plásticos como o polietileno não suportam altas temperaturas, nem mesmo temperaturas próximas ao ponto de ebulição da água. Experimente despejar água fervente em uma garrafa PET e observe como ela amolece. A esterilização ocorre a temperaturas acima de 180 °C. A esterilização é uma parte crucial da prática médica. Portanto, os materiais utilizados precisam ser estéreis, pois a falta de esterilização pode levar a perdas fatais. Os produtos reutilizados são esterilizados antes e depois do uso. Os produtos de uso único são produzidos em condições de fabricação estéreis.
A produção em condições de fabricação estéreis aumenta consideravelmente os custos. A possibilidade de esterilizar um produto após a fabricação simplifica o processo e permite a reutilização segura do produto, mantendo seu estado estéril. A esterilização térmica é uma das formas mais simples e eficazes de esterilização. A capacidade do PEEK de suportar altas temperaturas contribui para sua utilidade.
Resistência a produtos químicos e solventes
Isso inclui resistência à água. Em aplicações médicas, ferramentas ou implantes ficam expostos à umidade por longos períodos. Isso pode ocorrer em diversos ambientes, especialmente em materiais que entram em contato com tecido humano, soro, sangue ou órgãos internos, que apresentam uma variedade de condições, como acidez, alcalinidade, salinidade e outras, desde a acidez do estômago até a neutralidade do sangue. O melhor do PEEK é que ele mantém sua resistência a produtos químicos e solventes, mesmo em altas temperaturas. Isso é especialmente útil em máquinas onde os fluidos aquecem devido ao aquecimento ou atrito.
Alguns fatores a considerar na moldagem por injeção de PEEK
Embora o PEEK possa ser ótimo para algumas aplicações de alta qualidade, seu processamento não é tão simples. Se você estiver trabalhando com PEEK pela primeira vez, há algumas considerações especiais a serem levadas em conta. Mesmo que você já tenha experiência em moldagem por injeção de outros plásticos, o PEEK apresenta alguns desafios que podem não existir com outros plásticos. São eles:
Temperatura de moldagem por injeção
O primeiro desafio que um processador enfrenta na moldagem por injeção de PEEK é o seu alto ponto de fusão. Embora isso seja ótimo para a sua aplicação, torna o processo de moldagem por injeção mais difícil. Ainda assim, a moldagem por injeção é o meio mais econômico de fabricar plásticos, especialmente no caso do PEEK. Trabalhar com PEEK significa que a máquina opera no limite da faixa de temperatura. Portanto, é importante proteger as peças do equipamento contra danos ou tensões causadas pelo calor. Isso significa usar metais e isolantes de alta qualidade quando necessário. O PEEK é moldado no mesmo tipo de máquinas de moldagem por injeção usadas para plásticos mais comuns. Mas essas máquinas precisam ser bem adaptadas para atender aos requisitos especiais do PEEK. Portanto, qualquer máquina não serve. Para que uma máquina de moldagem por injeção seja adequada para o processamento, ela deve atingir cerca de 400 °C ± 50 °C. Caso contrário, modificações são necessárias. As modificações realizadas visam aumentar a capacidade de aquecimento do termopar. As resistências de aquecimento também são substituídas por resistências de cerâmica. Para reter o calor e atingir temperaturas mais altas mais rapidamente, mantas isolantes são utilizadas. Isso isola o barril, fazendo com que o calor gerado permaneça e a temperatura suba mais rapidamente. Isso reduz o consumo de energia e, consequentemente, os custos.
A distribuição de temperatura ao longo do cilindro também é muito importante. Da mesma forma, a temperatura do material fundido ao passar pelos canais de alimentação e entrar no molde também é crucial. A distribuição de temperatura ao longo do cilindro começa na alimentação. A alimentação deve permanecer suficientemente fria para evitar a formação de pontes. Isso restringe o fluxo devido à fusão prematura do polímero na zona de alimentação. Se isso acontecer, os grânulos irão aderir à garganta de alimentação em vez de avançar.
A temperatura do metal fundido precisa se manter entre 170 e 200 °C na parte inferior do cilindro. No molde, a situação é diferente. É lá que ocorre o resfriamento. Não se deseja que a peça resfrie de forma irregular, com algumas partes resfriando mais rápido do que outras. A taxa de resfriamento afeta a cristalinidade, causando uma mistura de regiões amorfas e cristalinas no mesmo produto. Isso geralmente se manifesta como uma coloração irregular na peça. A imagem abaixo mostra um exemplo dessa descoloração.
Quando se trata de Gates, quanto maior, melhor.
O material fundido entra no molde através dos canais de injeção. Os canais de injeção são frequentemente negligenciados, mas desempenham um papel importante na formação do produto. Eles determinam o fluxo do material fundido para dentro do molde e, consequentemente, o padrão de resfriamento. Isso é particularmente importante para um polímero como o PEEK, que apresenta alta contração. Um canal de injeção maior permite que uma maior quantidade de material fundido entre no molde de uma só vez, o que contribui para uma queda de temperatura mais uniforme e, consequentemente, uma contração mais uniforme, resultando em uma melhor formação da peça. Embora sejam considerados adequados para muitas aplicações, os canais de injeção submarinos não são muito indicados para o PEEK. Canais de injeção com aba, em leque ou de borda funcionam melhor para a moldagem por injeção de PEEK. No entanto, é importante considerar outros fatores que afetam as especificações dos canais de injeção, como o número de cavidades do molde e o tipo de sistema de canais.
Encolhimento
A maioria dos plásticos sofre contração ao ser resfriada. Essa variação de volume do estado fundido para o sólido rígido é frequentemente considerada no projeto do molde. A contração torna-se mais complexa quando é anisotrópica. Em outras palavras, o material se contrai de maneira diferente em cada direção. A pressão é aplicada durante o resfriamento mantendo o molde sob pressão. Isso garante superfícies e geometria uniformes. Para contração anisotrópica, a pressão deve ser aplicada considerando a direção da contração. Portanto, ao projetar moldes para PEEK, leve em conta essa contração anisotrópica.
O material de fabricação de máquinas
Ao operar em temperaturas tão elevadas, as peças em contato com o material fundido devem ser de alta qualidade. Cobre ou ligas metálicas não são utilizados na moldagem por injeção de PEEK, embora possam funcionar no processamento de polímeros com ponto de fusão mais baixo, como o polietileno. Esses materiais são vulneráveis à corrosão em altas temperaturas. O aço inoxidável de alta qualidade é ideal para a moldagem por injeção de PEEK. Isso é ainda mais importante para a rosca e o cilindro, pois estes permanecem em contato com o material fundido por mais tempo do que qualquer outra parte da máquina. Manter superfícies lisas e bem polidas também é fundamental, garantindo um fluxo fácil do material fundido e um bom padrão de fluxo. Para um polímero tão resistente e com alto ponto de fusão, a viscosidade tende a ser menor. Isso difere de polímeros com ponto de fusão mais baixo, que não necessitam de tanto calor para atingir uma viscosidade menor. Com materiais mais viscosos, paredes lisas oferecem a menor resistência ao fluxo.
Secagem
O PEEK possui excelente resistência à água e a outros solventes. No entanto, a umidade do ambiente pode se depositar na superfície. Qualquer umidade acumulada durante o armazenamento se transformará em gás durante o processamento. Em temperaturas tão elevadas, a presença de bolhas de ar no material fundido não é recomendada. A sugestão é secar o PEEK até um teor de umidade inferior a 0,02%. Isso é obtido por meio da secagem em estufa com circulação de ar a uma temperatura de aproximadamente 160 °C, durante 2 a 3 horas.
Resíduos e Contaminantes
Em altas temperaturas, materiais que não sejam PEEK se degradam. Se a máquina processa outros plásticos, isso pode ser resultado de resíduos desses materiais. Plásticos com ponto de fusão mais baixo também se degradam, causando manchas escuras na superfície. Isso prejudica a aparência e a qualidade, podendo levar à rejeição da peça. Para evitar esse problema, todas as partes do equipamento devem ser limpas antes de iniciar a produção com PEEK. Isso inclui desmontar a rosca e limpar tanto a rosca quanto o cilindro. Essas são as partes mais quentes e devem receber atenção especial. Outras peças, como o bico, os canais de injeção e os moldes, também precisam ser limpas. Se possível, dedique a máquina de injeção exclusivamente ao PEEK, incluindo outras máquinas auxiliares de processamento, como a de material reciclado. Dedicar toda a linha ao PEEK significa menor probabilidade de contaminação.
Sobremoldagem com PEEK
O PEEK é um plástico rígido em sua temperatura de serviço. É uma das principais escolhas para sobremoldagem, sendo um excelente material de substrato. Ele forma um núcleo resistente que pode receber sobremoldagem de um material mais macio ou com ponto de fusão mais baixo. A alta temperatura de amolecimento proporciona uma gama maior de plásticos para sobremoldagem, com uma maior variedade de pontos de fusão disponíveis. Isso significa que mais materiais serão adequados para sobremoldagem.
Alguns produtos de PEEK moldados por injeção
As aplicações do PEEK variam da área médica à aeroespacial e à de máquinas. Abaixo, segue uma lista de algumas de suas aplicações. A maioria delas é moldada por injeção (tubos e perfis utilizam extrusão na maioria dos casos).
- Implantes ortopédicos
- Implantes dentários
- Dispositivos cirúrgicos
- Dispositivos médicos
- Substituição do quadril
- Implantes espinhais
- Substituição/Reparo da articulação do dedo
- Tubos
- Isolamento elétrico
- Perfis
Conclusão
O processamento do PEEK ocorre em máquinas de moldagem por injeção convencionais. No entanto, estas precisam passar por modificações para serem adaptadas ao PEEK. Algumas precauções extras garantem uma produção bem-sucedida. Um bom controle de temperatura, canais de injeção amplos e matérias-primas limpas e secas são alguns exemplos. Observe que as exigências do processamento também dependem da qualidade do PEEK utilizado.
Links de referência
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