Selezione di materiali e processi per parti in plastica ad alte prestazioni

Questo documento intende aiutare gli ingegneri progettisti e coloro che li supportano nell’industria delle materie plastiche a selezionare la sequenza di processo e i materiali che massimizzano le prestazioni dei componenti critici per il servizio.

Nella comunità delle materie plastiche esiste una grande quantità di folklore sulle differenze relative tra i pezzi in plastica lavorati e quelli stampati a iniezione. Questa tradizione è facilmente comprensibile, visti i valori delle schede tecniche pubblicate dai produttori di resine e forme. I valori indicati nelle schede tecniche delle resine sono quasi sempre superiori a quelli pubblicati dai principali fornitori di forme(http://bit.ly/datasheetreview). Non lasciate che questa osservazione distragga o rallenti la vostra missione di progettare e produrre il miglior pezzo possibile. Questo fraintendimento può portare a ritardi nella produzione, a parti poco performanti e/o fuori budget e, nel peggiore dei casi, a guasti imprevisti.

Parte Design

Gli elementi di qualsiasi progetto devono essere considerati:

1. Requisiti di prestazione
2. Attributi dimensionali
3. Costo target

Le prime due cose sembrano ovvie, ma il costo target è spesso trascurato… dopo tutto”.
Non è vero che tutti i componenti in plastica sono meno costosi da produrre rispetto a un’alternativa metallica?”. No, non lo sono.
Molti polimeri ad alte prestazioni superano il costo dei metalli speciali, anche in termini di volume. I vantaggi economici comunemente associati alla conversione alla plastica derivano dalla migliore resa del materiale e dalla riduzione delle fasi di produzione associate allo stampaggio a iniezione di un pezzo in plastica fino alla dimensione finale, invece di lavorarlo da una forgiatura, da una fusione o da una forma standard. Nel costo, tuttavia, deve essere incluso il capitale necessario per uno stampo, se i pezzi sono previsti per lo stampaggio a iniezione. Questo costo deve essere considerato nel volume previsto per la durata di vita del pezzo.

La lavorazione dei pezzi a partire da forme a stock elimina la necessità di utensili e migliora notevolmente la consegna dei primi pezzi, oltre a offrire vantaggi dimensionali e prestazionali di maggiore precisione.

Selezione del materiale

La scelta della resina per un nuovo pezzo deve considerare innanzitutto le esigenze ambientali e applicative del pezzo stesso. Le considerazioni su temperatura, agenti chimici e luce solare vengono combinate con le esigenze applicative, come la resistenza all’usura, la forza, la trasparenza, ecc. per ridurre il numero di famiglie di materiali candidati a un numero gestibile per ulteriori considerazioni. Un’applicazione aerospaziale che richieda un equilibrio tra resistenza alle alte temperature e resistenza agli urti alle basse temperature per una parte strutturale potrebbe portare il progettista a scegliere il Torlon PAI. Oppure un componente O&G che richiede inerzia chimica nel vapore ad alta temperatura potrebbe indurre un ingegnere a scegliere il PEEK come famiglia di resine. Le plastiche processabili per fusione come PEI, PSU, PPSU, PPS, acetali, policarbonato, poliestere e persino nylon sono comunemente considerate per i componenti orientati alle prestazioni. Le risposte ad alcune domande chiave possono generalmente ridurre l’elenco a 1 o 2 ottime famiglie di materiali.

• Il mio pezzo è un cuscinetto e una parte di usura o un componente strutturale?
• Qual è l’intervallo di temperatura di funzionamento previsto?
• Ci sono requisiti estetici (trasparenza, colore, ecc.)?
• Quali fattori ambientali specifici devono essere considerati?
• Quali sono i requisiti minimi di resistenza necessari?
• La resistenza agli urti e la tenacità sono fondamentali?

Una conversazione con un professionista del settore può generalmente indirizzarvi verso alcune famiglie di plastica con le risposte alle domande di cui sopra.

A questo punto il processo di selezione dei materiali può diventare complicato.

Ogni famiglia di materiali è composta da molti gradi e tipi di viscosità che hanno un significato più ampio per gli addetti ai lavori, ma una migliore comprensione della terminologia aiuterà coloro che progettano i pezzi e che in genere possiedono la denominazione del materiale elencata su un disegno tecnico. Ad esempio, Solvay fornisce più di 8 gradi di Torlon, ciascuno con una composizione leggermente diversa e alcune viscosità (pesi molecolari) diverse per ogni grado e più di 10 gradi diversi di PEEK, alcuni con composizioni diverse e altri con viscosità diverse. Additivi come fibre di vetro e di carbonio, grafite, PTFE, oli, cere e minerali sono inclusi in ciascuna delle resine di base di cui sopra per migliorare alcune proprietà come la forza e/o la resistenza all’usura. Questa situazione esiste per tutte le famiglie di resine, il che significa che per un pezzo specifico possono esistere molte centinaia di materiali candidati.

Come scegliere e quando fare la scelta definitiva del voto?

Questo è un ottimo momento per selezionare provvisoriamente il grado, ma prima di selezionare definitivamente un grado e aggiungerlo a un disegno di ingegneria, è necessario considerare la selezione del processo.

Selezione del processo

In genere, la combinazione di dimensioni/forma del pezzo e volume previsto indica chiaramente che la strada giusta per la conversione è lo stampaggio a iniezione o la lavorazione meccanica.

Una volta conosciuto il percorso del processo di conversione, è il momento di chiedere il contributo dei fornitori. Sebbene esistano molti materiali disponibili come forme per la lavorazione, non tutti i tipi di resina sono disponibili in tutte le dimensioni.
Le forme estruse sono quasi sempre prodotte con le resine a più alto peso molecolare.
Tuttavia, molti ingegneri fanno riferimento a un grado di bassa viscosità progettato per lo stampaggio a iniezione su una stampa di un pezzo da lavorare. Questo porta quasi sempre a problemi di approvvigionamento e/o di costi. Nella nomenclatura Torlon, Torlon 4203L è la designazione del grado a bassa viscosità (maggiore fluidità) destinato allo stampaggio a iniezione. Le gradazioni di viscosità più elevate utilizzate nella produzione di forme non includono la designazione “L”(http://bit.ly/gradedesignation). Molte stampe includono un riferimento al Torlon 4203L, ma i pezzi sono destinati a essere lavorati. Tra i gradi della Victrex, i gradi 150 sono gradi a bassa viscosità (maggiore fluidità) sviluppati per lo stampaggio a iniezione di parti a parete sottile, mentre i gradi 450 sono più adatti per forme estruse e parti a parete spessa. Ancora una volta, l’aggiunta di un richiamo al materiale 150G per le parti lavorate renderà impossibile la conformità al disegno. La stessa situazione esiste per molti altri materiali, tra cui le plastiche a base di acetale e nylon.

Spesso i gradi rinforzati con vetro e carbonio sono difficili da trovare nelle dimensioni e nelle forme più grandi. Gli stampatori a iniezione esperti esaminano le sezioni trasversali dei pezzi e la geometria complessiva prima di decidere il grado che riempirà meglio la cavità dello stampo, poiché spesso possono scegliere tra 2 o 3 viscosità. Ricordate sempre che le resine a bassa viscosità (ad alta fluidità) riempiono gli utensili più velocemente, ma offrono una minore tenacità come parti di finitura. L’equilibrio tra le due esigenze fa parte della selezione dei materiali.

Lo stampaggio a iniezione è un metodo molto rapido ed efficiente per produrre parti in plastica.
ma è necessario giustificare una spesa iniziale per l’attrezzaggio. Oggi gli stampi vanno da 10.000 a 100.000 dollari o più. I gradi rinforzati possono porre problemi di lavorazione a causa dell’orientamento delle fibre, ma questi vengono quasi sempre superati lavorando a stretto contatto con il vostro stampatore, che può attingere ad anni di esperienza per anticipare il flusso dello stampo e la conseguente direzionalità delle proprietà meccaniche. Le forme estruse consentono un processo di lavorazione molto robusto che permette di ottenere la massima rigidità e resistenza possibile attraverso l’orientamento del pezzo con una spesa minima o nulla in termini di utensili o NRE. Le forme stampate a compressione consentono di trasformare in forme alcune materie plastiche non fusibili. Esempi di plastiche che vengono stampate solo per compressione sono il PTFE, l’UHMW e quasi tutti i termoindurenti. Altri materiali come il PEEK e il PAI vengono lavorati sia per estrusione che per compressione. Sebbene la resistenza meccanica/rigidità della maggior parte dei materiali plastici stampati per compressione sia inferiore a quella dei loro fratelli lavorati per fusione, essi possono essere più stabili dal punto di vista dimensionale durante la lavorazione.

Poiché non tutte le forme e le dimensioni sono prodotte allo stesso modo da ciascun produttore, le caratteristiche di resistenza e rigidità possono variare anche all’interno dello stesso tipo di materiale. Lavorare a stretto contatto con il vostro macchinista e con il produttore di forme è il modo più affidabile per garantire che i vostri pezzi siano i migliori e in grado di funzionare come richiesto.

Le fasi di produzione nel corso della vita di un pezzo possono includere sia la lavorazione che lo stampaggio.
. Molti pezzi vengono inizialmente prodotti tramite lavorazione meccanica quando il volume è basso e il progetto è ancora fluido, per poi essere convertiti allo stampaggio a iniezione una volta che il progetto è definito e il concetto è comprovato. Gli ingegneri addetti alla progettazione e all’approvvigionamento devono avere esperienza con tutti i processi di produzione o almeno lavorare con fornitori che abbiano una vasta esperienza nella lavorazione dei polimeri. Troppe volte i progettisti si sono sentiti frustrati nel convertire parti in plastica lavorate a macchina in parti stampate a iniezione, aspettandosi che tutti gli attributi prestazionali rimanessero invariati. L’orientamento delle fibre, la tenacità del pezzo, i tassi di usura e la precisione sono quasi sempre diversi tra i pezzi lavorati e quelli stampati a iniezione. Anche la lavorazione di una forma o di un pezzo stampato a iniezione può produrre caratteristiche diverse rispetto alla lavorazione (di un pezzo) di una forma estrusa o stampata a compressione. Comprendere queste differenze fin dall’inizio del progetto aiuterà a evitare sorprese inaspettate nelle fasi successive della produzione.

La progettazione con polimeri ad alte prestazioni, in cui la progettazione dei pezzi e del processo è fondamentale per le prestazioni del sistema, richiede competenze in tutte le opzioni di processo previste. L’esclusiva combinazione di estrusione, stampaggio a iniezione e lavorazione interna di Drake ci permette di scegliere sempre il processo migliore per un pezzo specifico, tenendo conto sia dell’aspetto economico che delle prestazioni.

Scegliete con cura i vostri processi e i vostri processori, ricordando l’adagio:

Non ci sono processi sbagliati… ma ci sono trasformatori e ingegneri disinformati che non si informano sui requisiti funzionali e modificano il loro approccio alla scelta dei materiali e dei processi sulla base di queste importanti informazioni.
che non si informano sui requisiti funzionali e modificano il loro approccio alla selezione dei materiali e dei processi sulla base di queste importanti informazioni.