Sostituire acciaio e titanio con il materiale PEEK
Metal replacement: il PEEK può sostituire i metalli per la realizzazione di componenti?
Sostituire il metallo si può? Certo, si parla appunto di metal replacement quando un polimero plastico va a prendere il posto di un componente metallico.
Sempre più frequentemente sono le materie plastiche a sostituire i metalli grazie alle eccellenti prestazioni, spesso più performanti di quelle dei metalli. La principale caratteristica di un metallo è l’elevata resistenza meccanica, ma ci sono alternative termoplastiche che offrono prestazioni simili se non addirittura migliori.
Il nodo critico nell’impiego dei metalli è dato dalla loro ottima capacità di condurre calore ed elettricità fattori che, uniti al peso elevato, ne costituiscono i principali svantaggi. Non sempre infatti è da considerarsi positivo il fatto che un componente possa surriscaldarsi, anzi, così come la conducibilità elettrica, può rivelarsi un problema.
Le materie plastiche, al contrario, si caratterizzano in genere per un buon isolamento termico e nel caso di qualche polimero anche per un’elevata capacità di resistere al calore e alle alte temperature. Allo stesso modo i metalli possono essere intaccati di acidi, basi o anche dall’acqua, le plastiche invece hanno normalmente buona resistenza chimica e sono idrorepellenti.
Le proprietà di un polimero dipendono dalla sua struttura molecolare, nel sintetizzare una termoplastica si possono così ottenere le caratteristiche più idonee alle necessità. I polimeri plastici sono più leggeri, versatili e perciò sono i più indicati a sostituire i metalli nella realizzazione di pezzi e componenti.
I primi polimeri ad essere sintetizzati sono stati quelli termoindurenti e i polimeri standard, le cui proprietà meccaniche non sono comparabili con quelle dei metalli. I materiali termoplastici che sono stati creati successivamente, invece, sono caratterizzati da alte prestazioni e proprietà fisiche simili se non migliori rispetto a quelle dei metalli.
Il metal replacement interessa principalmente acciaio, bronzo, ottone, leghe di alluminio ma può arrivare a sostituire anche il titanio: i polimeri plastici che lo sostituiscono infatti presentano sempre una riduzione complessiva e sensibile del peso, un miglioramento sostanziale in termini di resistenza chimica e nel complesso migliori prestazioni.
Che tipo di polimero è il PEEK?
Parlando di metal replacement non si può non citare il polimero che per eccellenza si sta dimostrando il più adatto in questo ruolo: il PEEK o polietere etere chetone (ma anche polietereterchetone).
Con il PEEK abbiamo un esempio di high performance che arriva a superare quello dei metalli. Il PEEK è un polimero termoplastico organico che viene utilizzato in diverse applicazioni di ingegneria come tecnopolimero, grazie alla sua robustezza.
Il PEEK si ottiene per polimerizzazione a stadi e grazie alle sue caratteristiche questa termoplastica si sta affermando con impieghi nell’industria chimica oltre che nel settore dell’automotive, dell’industria areonautica e aerospaziale ma anche in ambiente medicale, farmaceutico e in molti altri.
Sono queste le realtà nelle quali è richiesto l’utilizzo di materiali altamente performanti, con elevata resistenza in diversi campi e proprietà meccaniche simili a quelle del metallo soprattutto per quanto riguarda l’esposizione ad elevate temperature e la capacità di lavoro in ambienti di notevole stress termico.
Caratteristiche del PEEK: il polietere etere chetone
Esaminando le proprietà del PEEK, le principali caratteristiche di questo tecnopolimero risultano essere le proprietà meccaniche e la resistenza termica.
Per quanto riguarda le prime si parla di resistenza all’usura, all’urto e all’abrasione con prestazioni decisamente ragguardevoli, soprattutto se confrontato con altre termoplastiche. Inoltre il materiale PPEK si può considerare un ottimo anti-attrito e gode di buona stabilità dimensionale.
Parlando di resistenza al calore, il polietere etere chetone è un polimero capace di resistere a temperature fino a 260°C o a temperature superiori per brevi periodi di tempo: ha dimostrato infatti di poter mantenere le sue proprietà meccaniche fino a 300°C per un periodo di tempo ridotto.
Questo materiale garantisce l’utilizzo per migliaia di ore a temperatura superiori ai 250°C senza subire una riduzione significativa delle sue proprietà anche in presenza di vapore o di acqua ad alta pressione, il che lo qualifica di una notevole resistenza all’idrolisi e ai cicli di sterilizzazione.
Ancora, il PEEK è un materiale ad alta resistenza alle radiazioni, raggi X ma anche raggi gamma, proprietà grazie alle quali questo tecnopolimero ad alte prestazioni si dimostra adatto al metal replacement di gran parte di metalli, compresi acciaio e titanio.
Tra le proprietà fisiche, la resistenza chimica lo rende insolubile a contatto di solventi comuni ed è ugualmente resistente a una vasta gamma di liquidi organici e inorganici. Si caratterizza per una bassa infiammabilità senza che vengano impiegati altri additivi e durante la combustione emette un quantitativo scarso di fumi e livelli bassi di gas acidi tossici.
Il polietere etere chetone possiede eccellenti proprietà elettriche che ne consentono la stabilità in varie condizioni e discrete proprietà dielettriche e di isolamento.
PEEK e alte prestazioni
Un composto su base PEEK trova impiego nella produzione di componenti usati in applicazioni impegnative, elementi cioè sottoposti a grandi sforzi che sostituiscono parti metalliche: pompe, valvole, cuscinetti a sfera, parti di pistone, piastre a compressione, pinze per forni solo per citarne alcuni.
Come polimero ha il vantaggio di poter essere lavorato e quindi risultare compatibile con diverse tecnologie anche rapide e generalmente economiche, può infatti essere trattato con stampaggio ad iniezione o metodi di estrusione. Pur essendo particolarmente resistente, allo stato solido è facilmente lavorabile, per esempio da fresatrici con il processo CNC.
Essendo considerato il polimero dalla migliore combinazione di proprietà ed essendo idoneo a diverse situazioni, il PEEK si rivela una matrice ad elevate prestazioni per realizzare compositi termoplastici con fibre di carbonio, fibre di vetro, fibre aramidiche o fibre continue.
Il polietere etere chetone caricato con fibre di carbonio diviene appunto Carbon PEEK, un materiale composito a cui le fibre di carbonio conferiscono straordinarie capacità in termini di resistenza meccanica.
Come tecnopolimero gode di proprietà uniche e al momento ineguagliate nella sinterizzazione delle materie plastiche impiegabili per il metal replacement. Viste le qualità di resistenza, il PEEK si dimostra capace di sostituire non solo i metalli ma anche le plastiche termoindurenti, generalmente più performanti dal punto di vista meccanico.
Il vantaggio dell’impiego di un polimero plastico come il PEEK in sostituzione di un metallo, oltre alle caratteristiche segnatale e alle alte prestazioni dimostrate, riduce notevolmente i costi di produzione e i tempi di produzione complessivi oltre a contenere vibrazioni, rumore e materiale di scarto.
Ogni parte di una macchina di confezionamento viene progettata per affrontare sollecitazioni meccaniche, pressioni elevate e sforzi termici: queste macchine automatiche sono il motore che alimenta numerosi settori industriali, dove la resistenza dei componenti garantisce alta efficienza e affidabilità.
Nel cuore di questo processo c'è l'uso di tecnopolimeri avanzati come PEEK, PTFE e POM, che resistono a temperature alte e a cicli di usura intensivi, rendendo le macchine capaci di funzionare in modo continuo senza compromessi. A differenza dei metalli, questi materiali offrono vantaggi concreti: sono più leggeri, maggiormente resistenti alla corrosione e migliorano la durata complessiva dei componenti.
Boccole, guarnizioni o ingranaggi sono tutti componenti lavorati che devono rigorosamente rispettare le tolleranze strette, richieste per il funzionamento impeccabile della macchina.
La fresatura e la tornitura CNC sono tecniche che Setecs utilizza per ottenere componenti di altissima precisione, ideali per svariate applicazioni industriali.
QUALE STRATEGIA ADOTTARE IN QUESTA INDUSTRIA?
C’è una tendenza in forte crescita nel settore delle macchine di confezionamento automatiche: si tratta della sostituzione di componenti metallici tradizionali con materiali plastici avanzati, che offrono performance superiori e una maggiore leggerezza. Questa è detta “metal replacement” e i tecnopolimeri come il PEEK e il PTFE si stanno affermando come valida alternativa ai metalli.
Ad esempio, l'uso del PEEK al posto di componenti metallici negli ingranaggi ha permesso a queste macchine di ridurre i tempi di fermo macchina e i costi di manutenzione. La maggiore durata e la bassa usura dei materiali riducono anche la necessità di sostituzioni frequenti, aumentando così l'efficienza e la produttività complessiva.
Inoltre, l'utilizzo di tecnopolimeri avanzati porta con sé altri numerosi vantaggi, poiché riduce l'uso di metalli pesanti nel lungo termine.
Le specifiche nei processi di tornitura e fresatura.
Tornitura e fresatura di tecnopolimeri avanzati richiedono competenze elevate e tecnologie all’avanguardia. La lavorazione di materiali come il Teflon o il PEEK comporta sfide tecniche legate alla resistenza alla temperatura e alle tolleranze di precisione.
- PEEK (Polietereterchetone): Materiale altamente resistente, il PEEK viene tornito e fresato per ottenere componenti che sopportano alte temperature, senza compromettere la precisione.
- PTFE (Teflon): Conosciuto per la sua bassa frizione, il PTFE è ideale per applicazioni dove sono richieste guarnizioni, boccole, e parti di movimento che devono resistere a condizioni di lavoro estreme.
- POM (Poliossimetilene): Materiale perfetto per la realizzazione di ingranaggi e guarnizioni grazie alla sua alta rigidità e resistenza all’usura. Viene fresato per ottenere componenti di precisione che garantiscono affidabilità nel tempo.
Setecs affronta questi processi utilizzando tecnologie avanzate che permettono una lavorazione precisa e senza errori di questi materiali, ottenendo componenti ad alte performance per i settori più esigenti, come automotive, farmaceutico e industria meccanica.
Quali vantaggi offrono queste lavorazioni sui materiali?
I principali vantaggi offerti dalla lavorazione dei tecnopolimeri in Setecs comprendono:
- Alta precisione: ogni componente viene lavorato con tolleranze strette per garantire perfetta compatibilità e performance nei sistemi industriali.
- Resistenza e durabilità: tecnopolimeri come PEEK e PTFE sono progettati per resistere a pressioni elevate, temperature estreme, e sollecitazioni chimiche, senza perdere la stabilità dimensionale.
- Flessibilità nelle applicazioni: Setecs riesce a personalizzare ogni componente per rispondere a esigenze specifiche del cliente, garantendo soluzioni su misura e tempi di risposta rapidi.
Componenti a disegno customizzati: fresatura di PEEK per applicazioni industriali
Con le nostre fresatrici a 3 e 5 assi, e tornitura CNC, realizziamo componenti customizzati che rispondono alle specifiche esigenze dei clienti, tra cui guarnizioni, snodi, stelle dentate, ingranaggi, giunti e rotori dentati. Ogni pezzo viene progettato su misura, seguendo rigorosi standard di precisione per garantire una performance ottimale nelle condizioni più gravose.
Il nostro processo di fresatura del PEEK prevede l’utilizzo di utensili di ultima generazione che permettono di ottenere tolleranze micrometriche senza compromettere le proprietà del materiale. Questo processo consente la realizzazione di componenti che operano in ambienti ad alte temperature, sistemi a bassa frizione, e applicazioni che richiedono un’elevata resistenza all'usura.
Setecs accompagna le aziende nella scelta del miglior materiale plastico – tramite un protocollo di consulenza – in base all'applicazione concreta e agli obiettivi aziendali. Ogni progetto viene co-progettato insieme, con un occhio alla precisione, uno alla sostenibilità.
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