Obróbka PEEK to skrawanie CNC jednego z najtrudniejszych tworzyw konstrukcyjnych, jakie trafiają na maszyny. Polieteroeteroketon PEEK łączy wysoką wytrzymałość mechaniczną z odpornością na temperaturę i chemikalia, a części z niego wykonujemy na rysunek lub wzór klienta. Dzięki temu jest opłacalna już od pojedynczych sztuk, nie tylko w serii.
Poniżej zamieściliśmy informacje przydatne dla konstruktorów i technologów, którzy szukają materiału do pracy w wysokich temperaturach, w agresywnym środowisku albo pod dużym obciążeniem, oraz wykonawców, którym zależy na utrzymaniu wąskich tolerancji na gotowym detalu.
Charakterystyka tworzywa PEEK i właściwości materiałowe
Polieteroeteroketon PEEK to częściowo krystaliczne tworzywo z grupy poliaryloeteroketonów (PAEK), które zachowuje właściwości mechaniczne w temperaturach nieosiągalnych dla zwykłych tworzyw termoplastycznych. Wśród wysokowydajnych polimerów PEEK wyróżnia się tym, że doskonała wytrzymałość mechaniczna idzie u niego w parze z doskonałą odpornością na temperaturę i chemikalia. Znakomita odporność chemiczna i wysoka wytrzymałość to zarazem jego unikalne właściwości, które rzadko spotyka się razem w jednym materiale.
Takie połączenie sprawia, że w wielu węzłach mechanicznych trudno o zamiennik wśród innych tworzyw termoplastycznych. Te doskonałe właściwości mechaniczne sprawiają, że materiał jest dziś szeroko stosowany tam, gdzie zwykłe tworzywa nie wystarczają, a metal jest zbyt ciężki. Do tego materiał można sterylizować parą wodną, tlenkiem etylenu i promieniowaniem gamma, a surowiec do jego produkcji spełnia europejskie i północnoamerykańskie wymogi kontaktu z żywnością. Stąd obecność PEEK w laboratoriach oraz przemyśle farmaceutycznym i spożywczym.
Właściwości tworzywa PEEK, które najczęściej decydują o jego wyborze:
- wysoka dopuszczalna temperatura pracy w powietrzu: +250°C dla pracy ciągłej, +310°C. C dla pracy krótkotrwałej,
- wysoka wytrzymałość mechaniczna i sztywność,
- wysoka odporność chemiczna,
- wysoka odporność na ścieranie,
- niski współczynnik tarcia,
- dobra skrawalność,
- wysoka odporność na promieniowanie UV,
- dobra stabilność wymiarowa,
- niska absorpcja wilgoci i wysoka stabilność w warunkach wilgotnych.
To praca w podwyższonych temperaturach i przy niskim współczynniku tarcia najczęściej przesądza o wyborze tego materiału. Zestaw wyjątkowych właściwości PEEK trudno zebrać w jednym tańszym tworzywie.
Struktura chemiczna i odporność termiczna
Struktura chemiczna PEEK opiera się na sztywnym łańcuchu aromatycznym z grupami eterowymi i ketonowymi, i to on odpowiada za pracę w wysokich temperaturach. Temperatura topnienia (Tm) wynosi około 343°C, a temperatura zeszklenia (Tg) około 143°C. C. Materiał zachowuje przy tym użyteczną sztywność i stabilność wymiarową znacznie powyżej Tg. Szeroki przedział między Tg a Tm daje duże okno przetwórcze i jest miarą stabilności termicznej PEEK, przez którą detale pracują ciągle w temperaturach, gdzie zwykłe tworzywa tracą nośność.
PEEK jest do tego samogasnący, ma wysoki indeks tlenowy i charakteryzuje się niską emisją dymu, co ma znaczenie tam, gdzie liczą się wymagania przeciwpożarowe.
Modyfikacje i domieszki PEEK
Właściwości PEEK dobiera się do zadania przez domieszki. Odmiana czysta sprawdza się tam, gdzie liczy się czystość i biozgodność. Wersje wzmacniane włóknem szklanym albo włóknem węglowym mają wyższą sztywność, wyższą granicę plastyczności i lepszą stabilność wymiarową, ale gorzej się skrawają i szybciej zużywają narzędzia. Gatunki z włóknem węglowym podnoszą dodatkowo moduł sprężystości i przewodność cieplną, więc trafiają do najbardziej obciążonych części.
Osobną kategorię stanowią odmiany ślizgowe z PTFE, grafitem lub dwusiarczkiem molibdenu, przeznaczone do węzłów pracujących bez smaru. Wybór odmiany PEEK warto ustalić z technologiem, bo przekłada się on wprost na parametry i koszt obróbki.
Specyfika i wyzwania procesu obróbki PEEK
Proces obróbki PEEK trzeba prowadzić z kontrolą temperatury w strefie skrawania i z zapasem na rozszerzalność cieplną, inaczej trudno utrzymać wąskie tolerancje. Polieteroeteroketon PEEK ma niską przewodność cieplną, więc ciepło z procesu nie odpływa w głąb detalu, tylko kumuluje się w strefie cięcia. Mimo dobrej skrawalności lokalne przegrzanie kończy się przypaleniami krawędzi, zeszkleniem powierzchni oraz odkształceniami po ostygnięciu.
Druga trudność to naprężenia wewnętrzne. Częściowo krystaliczna budowa PEEK powoduje, że źle prowadzony proces albo zdejmowanie dużych naddatków uwalnia te naprężenia i psuje geometrię. Do tego dochodzą naprężenia mechaniczne, które detal przenosi już w pracy, a materiał nierozprężony jest podatny na pełzanie po obróbce. Dlatego skrawanie planuje się z podziałem na operacje zgrubne i wykańczające, tak by zachować integralność strukturalną detalu i uniknąć pęknięć powierzchniowych.
Rozszerzalność cieplna a tolerancje wymiarowe
Rozszerzalność cieplna PEEK jest wyższa niż metali, więc wymiar w rozgrzanym detalu różni się od wymiaru po ostygnięciu. W praktyce znaczy to, że trzeba pilnować temperatury detalu i narzędzia w trakcie skrawania, a mierzyć w warunkach ustabilizowanych termicznie. Utrzymanie tolerancji rzędu setnych milimetra wymaga tu ostrych narzędzi, precyzyjnej kontroli ciepła i przemyślanej kolejności operacji.
Zarządzanie naprężeniami wewnętrznymi i wyżarzanie
Wyżarzanie odprężające (annealing) prowadzi się w celu usunięcia naprężeń wewnętrznych i uniknięcia powolnego odkształcania gotowego detalu. Przy elementach o ciasnych tolerancjach i skomplikowanym kształcie materiał wygrzewa się przed obróbką albo między operacjami, żeby ustabilizować strukturę przed skrawaniem wykańczającym. Cykle wyżarzania zależą od gatunku PEEK i geometrii, więc dobiera się je na podstawie kart materiałowych producenta i doświadczenia technologa.
Potrzebujesz elementu z tworzywa sztucznego na wymiar?
Metody mechanicznej obróbki CNC tworzywa PEEK
Obróbka CNC PEEK obejmuje frezowanie, toczenie, wiercenie i gwintowanie, złączone w jeden proces prowadzący od półfabrykatu do gotowego detalu. Nasze metody obróbki pozwalają uzyskać precyzyjne części o złożonych kształtach przy zachowaniu stabilności wymiarowej. Polieteroeteroketon PEEK obrabia się na maszynach sterowanych numerycznie: frezarka i tokarka, a w razie potrzeby wieloosiowa maszyna CNC, odwzorowują geometrię z rysunku i dają powtarzalność w seriach.
Przemysłowo PEEK przetwarza się też przez formowanie wtryskowe i wytłaczanie. Obróbka mechaniczna ma jednak przewagę: nie wymaga kosztownych form, więc opłaca się już przy prototypach i krótkich seriach. W obróbce CNC PEEK najwięcej zależy od kontroli ciepła i kolejności operacji.
Frezowanie CNC PEEK
Frezowanie CNC PEEK służy do płaszczyzn, kieszeni, otworów i złożonych kształtów przestrzennych na obrabiarkach wieloosiowych. Liczy się tu ostrość narzędzia, dobra ewakuacja wióra i ograniczanie przyrostu temperatury. Dobrze dobrane parametry skrawania dają czyste krawędzie bez przypaleń i zadziorów.
Toczenie precyzyjne PEEK
Toczenie PEEK stosuje się do detali obrotowych: tulei, pierścieni, wałków, elementów armatury. Detal trzeba sztywno zamocować, użyć ostrego narzędzia i kontrolować przyrost ciepła, żeby nie odkształcić cienkich ścianek. Dobra stabilność wymiarowa sprawia, że toczone części z PEEK trzymają geometrię także w podwyższonej temperaturze pracy.
Wiercenie i gwintowanie
Wiercenie i gwintowanie PEEK wymaga ścisłej kontroli ciepła, bo w otworze łatwo je zgromadzić, a wtedy pojawiają się przypalenia i pęknięcia. W głębokich otworach pomaga cykl z wycofywaniem wiertła, który odprowadza wiór. Gwinty nacina się ostrymi narzędziami, a przy dużym obciążeniu roboczym warto rozważyć wkładki gwintowe.
Dobór narzędzi i chłodzenia przy obróbce PEEK
Dobre skrawanie PEEK zaczyna się od bardzo ostrych narzędzi o dodatniej geometrii i od chłodzenia dopasowanego do wymagań czystości detalu. Ostra krawędź i dodatni kąt natarcia ograniczają ciepło, a przez to zapobiegają miejscowemu topieniu i zeszkleniu powierzchni. Do czystego polieteroeteroketonu PEEK zwykle wystarczają narzędzia z węglika spiekanego, dobrze równoważące trwałość i cenę.
Przy gatunkach z włóknem węglowym lub szklanym, silnie ściernych, narzędzia tnące zużywają się szybciej, więc sięga się po diament lub powłokę diamentową.
Chłodzenie dobiera się do przeznaczenia części. Najczęściej wystarcza sprężone powietrze, które odbiera ciepło i wiór, a nie zanieczyszcza powierzchni, co jest ważne przy elementach medycznych, farmaceutycznych i spożywczych. Przy detalach medycznych używa się dodatkowo osobnego oprzyrządowania tylko do PEEK, żeby wykluczyć zanieczyszczenia krzyżowe innymi materiałami. Tam, gdzie chłodziwa emulsyjne są dopuszczalne, stosuje się je do intensywnego odbioru ciepła. Konkretne parametry i sposób chłodzenia zależą od gatunku i geometrii, więc ustala je technolog.
Zastosowanie elementów z PEEK w przemyśle
Zastosowanie PEEK w przemyśle skupia się na częściach pracujących w wysokiej temperaturze, w kontakcie z chemikaliami i pod dużym obciążeniem. Części PEEK sprawdzają się tam, gdzie standardowe tworzywa nie wytrzymują trudnych warunków środowiskowych, a metal jest zbyt ciężki albo koroduje.
Typowe detale z PEEK to:
- wysoko obciążone łożyska ślizgowe
- koła zębate
- pierścienie, tuleje i podkładki oporowe
- elementy armatury w przemyśle chemicznym
- izolatory, złącza i gniazda testowe w elektronice
Rozszerzalność cieplna a tolerancje wymiarowe
W zastosowaniach medycznych PEEK wybiera się dla biozgodności i odporności na wielokrotną sterylizację. Implanty medyczne z PEEK, ortopedyczne i kręgosłupa, wykorzystują to, że jego moduł sprężystości jest zbliżony do modułu kości, co ogranicza przeciążanie tkanki. Materiał jest też przezierny dla promieni RTG, więc umożliwia wyraźne obrazowanie okolicy implantu.
Sterylizacja parą, tlenkiem etylenu i gammą pozwala wytwarzać z niego urządzenia medyczne i oprzyrządowanie laboratoryjne, a zgodność z rygorystycznymi specyfikacjami potwierdzają karty materiałowe danego gatunku. Na implanty medyczne dobiera się wyłącznie gatunki o potwierdzonej biozgodności.
Zastosowanie elementów z PEEK w przemyśle
Zastosowanie PEEK w przemyśle skupia się na częściach pracujących w wysokiej temperaturze, w kontakcie z chemikaliami i pod dużym obciążeniem. Części PEEK sprawdzają się tam, gdzie standardowe tworzywa nie wytrzymują trudnych warunków środowiskowych, a metal jest zbyt ciężki albo koroduje.
Branża medyczna i implantologia
W zastosowaniach medycznych PEEK wybiera się dla biozgodności i odporności na wielokrotną sterylizację. Implanty medyczne z PEEK, ortopedyczne i kręgosłupa, wykorzystują to, że jego moduł sprężystości jest zbliżony do modułu kości, co ogranicza przeciążanie tkanki. Materiał jest też przezierny dla promieni RTG, więc umożliwia wyraźne obrazowanie okolicy implantu. Sterylizacja parą, tlenkiem etylenu i gammą pozwala wytwarzać z niego urządzenia medyczne i oprzyrządowanie laboratoryjne, a zgodność z rygorystycznymi specyfikacjami potwierdzają karty materiałowe danego gatunku. Na implanty medyczne dobiera się wyłącznie gatunki o potwierdzonej biozgodności.
Lotnictwo i przemysł kosmiczny
W przemyśle lotniczym i kosmicznym liczy się stosunek wytrzymałości do masy. PEEK jest około dwa razy lżejszy od aluminium, więc zastąpienie metalu obniża masę komponentów lotniczych bez utraty nośności, a to przekłada się na oszczędność paliwa. Wykonuje się z niego też osłony i elementy izolacji kabli, a że jest samogasnący i mało dymi, pasuje do wymogów przeciwpożarowych. Do najbardziej obciążonych elementów konstrukcji stosuje się gatunki z włóknem węglowym.
Przemysł chemiczny, naftowy i motoryzacyjny
W przemyśle chemicznym, naftowym i motoryzacyjnym PEEK pracuje tam, gdzie są wysokie temperatury i agresywne chemikalia. Wykonuje się z niego armaturę, uszczelnienia, tuleje i części pomp odporne na korozję, które wydłużają żywotność podzespołów, a w motoryzacji detale przy układzie napędowym. Osobny obszar to elektronika i produkcja półprzewodników: izolatory, złącza i gniazda testowe, które w wymagających zastosowaniach trzymają właściwości mechaniczne i elektryczne w podwyższonej temperaturze. W takich krytycznych zastosowaniach liczy się przewidywalność materiału o wysokiej wydajności.
Typowe detale z PEEK to:
- wysoko obciążone łożyska ślizgowe
- koła zębate
- pierścienie, tuleje i podkładki oporowe
- elementy armatury w przemyśle chemicznym
- izolatory, złącza i gniazda testowe w elektronice
Zalety i ograniczenia wykorzystania PEEK w produkcji
Główna zaleta PEEK to skupienie kilku cech w jednym materiale: odporność cieplna, chemiczna i na ścieranie, niskie tarcie oraz dobra stabilność wymiarowa w szerokim zakresie temperatur. Dlatego zastępuje metale i tradycyjne materiały tam, gdzie inne tworzywa nie spełniają wymagań.
W porównaniu z innymi tworzywami sztucznymi, jak PTFE czy poliamid PA66, ma wyższą wytrzymałość i wyższą temperaturę pracy, a niższa gęstość od metali pomaga odchudzać konstrukcję. Dla części pracujących latami kluczowe znaczenie ma jego stabilność chemiczna i długoterminowa niezawodność.
Ograniczeniem jest cena, wyższa niż u standardowych tworzyw, oraz sam proces: kontrola ciepła, rozprężanie, dobór narzędzi. Gatunki z włóknem węglowym czy włóknem szklanym dodatkowo przyspieszają zużycie narzędzi, szczególnie przy pracy w wysokich temperaturach. Dlatego takie detale powierza się wykonawcy z doświadczeniem w tworzywach wysokosprawnych, który dobierze technologię do konkretnych zastosowań.
Dlaczego dobór wykonawcy pod obróbkę PEEK ma znaczenie?
Skrawanie PEEK to precyzyjna praca na zaawansowanym tworzywie o wysokiej odporności cieplnej, chemicznej i mechanicznej, z kontrolą ciepła, rozprężaniem i właściwym doborem narzędzi. Polieteroeteroketon PEEK obrabiamy przez frezowanie, toczenie, wiercenie i gwintowanie, na rysunek lub wzór klienta, w prototypach i w seriach, bez form wtryskowych.
Detale z PEEK wykonujemy z prętów o średnicy 6-200 mm i płyt o grubości 8-60 mm, z tolerancjami dochodzącymi do +/-0,01 mm, a każdy element sprawdzamy przed wysyłką. Gotowe części PEEK po precyzyjnej obróbce trafiają do kontroli wymiarowej.
Żeby dostać wycenę, prześlij rysunek techniczny lub wzór na vermet@vermet.com.pl albo zadzwoń pod +48 14 681 01 91.
GALERIA
