ABS, PA, POM, PEEK… – jak dobrać tworzywo sztuczne do części technicznej

Tworzywo techniczne dobiera się tak jak komponent: zaczyna się od tego, co ma ono spełniać. Pod jednym skrótem kryją się dziesiątki odmian – z napełniaczami lub bez, do wtrysku lub do wytłaczania – a dwie części z ABS mogą zachowywać się zupełnie inaczej. Zanim wskażą Państwo konkretne tworzywo, warto odpowiedzieć na następujące pytania:

• Jakie obciążenia? Stałe czy chwilowe, uderzenia, drgania, tarcie. Pod stałym obciążeniem tworzywo odkształca się powoli (to tzw. pełzanie): część, która wytrzymała próbę, może zdeformować się po kilku miesiącach pracy.
• Jaka temperatura? Temperatura pracy ciągłej, ewentualne szczyty, cykle ogrzewania i chłodzenia. Tworzywa miękną znacznie wcześniej niż metale.
• Jakie środowisko? Wilgoć, gorąca woda, oleje, detergenty, rozpuszczalniki, promieniowanie UV w przypadku części pracujących na zewnątrz.
• Jaki wygląd? Przezroczystość, kolor, stan powierzchni, możliwość klejenia, malowania lub znakowania.
• Jakie wymagania prawne? Kontakt z żywnością, zastosowanie medyczne, odporność ogniowa.
• Jaka produkcja? Ilość, planowany proces i wymagane tolerancje.

Te odpowiedzi zawężają listę do dwóch lub trzech kandydatów, między którymi wykonawca pomoże Państwu wybrać. Warto opisać je w zapytaniu, zamiast narzucać tworzywo: zakład zajmujący się przetwórstwem tworzyw sztucznych lub obróbką skrawaniem może zaproponować odmianę lepiej dopasowaną lub tańszą.

Tworzywa termoplastyczne dzieli się na trzy poziomy:

• Tworzywa powszechnego użytku (PE, PP, PVC, PS): tanie i lekkie, do części mało obciążonych (pojemniki, pokrywy, prowadnice).
• Tworzywa techniczne (ABS, PC, PA, POM, PBT): lepsze właściwości mechaniczne i cieplne, do części funkcjonalnych.
• Tworzywa wysokowydajne (PEEK, PPS, PEI, PTFE): wysoka odporność na temperaturę i chemikalia, ale zarówno materiał, jak i jego przetwórstwo są wyraźnie droższe.

Drugi podział pomaga przewidzieć zachowanie tworzywa. Tworzywa amorficzne (ABS, PC, PMMA) mało się kurczą przy formowaniu, łatwo się je skleja i mogą być przezroczyste, ale gorzej znoszą chemikalia i mogą pękać pod naprężeniem. Tworzywa półkrystaliczne (PA, POM, PP, PE, PEEK, PTFE) lepiej znoszą zużycie, zmęczenie i działanie chemikaliów, ale bardziej się kurczą i trudniej je kleić.

Wreszcie, napełniacze zmieniają wiele: włókna szklane zwiększają sztywność i odporność temperaturową kosztem większej ścierności materiału dla narzędzi i często większej kruchości; napełniacze poślizgowe (PTFE, grafit, dwusiarczek molibdenu) zmniejszają tarcie.

• ABS: dobry kompromis między udarnością, sztywnością i łatwością przetwórstwa. Łatwo go wtryskiwać, obrabiać, kleić i malować, ale jego odporność temperaturowa jest ograniczona, a bez zabezpieczenia źle znosi słońce. Obudowy, pokrywy, prototypy.
• PC (poliwęglan): bardzo odporny na uderzenia, przezroczysty, lepiej znosi ciepło niż ABS. Łatwo się rysuje i może pękać pod wpływem niektórych rozpuszczalników lub olejów.
• PMMA: bardzo przezroczysty, dobra odporność na UV, ale kruchy. Dobrze się obrabia ostrymi narzędziami i poleruje. Przeszklenia, dyfuzory, ekspozytory.
• PA 6 i PA 66 (poliamidy): odporne na zużycie, uderzenia i zmęczenie. Chłoną wilgoć z powietrza: część puchnie, a jej właściwości się zmieniają, co utrudnia pasowania ciasne. PA 12 chłonie jej wyraźnie mniej. Koła zębate, rolki, tuleje.
• POM (poliacetal): sztywny, stabilny, o niskim tarciu, bardzo mało wrażliwy na wilgoć i bardzo przyjemny w obróbce. To często najlepszy wybór na precyzyjną część mechaniczną obrabianą skrawaniem. Występuje jako kopolimer (POM-C, najczęstszy) i homopolimer (POM-H). Słabo się skleja i źle znosi mocne kwasy.
• PP i PEHD: lekkie, tanie, bardzo odporne chemicznie, ale mało sztywne, silnie rozszerzalne cieplnie i trudne do klejenia. PP nadaje się do zintegrowanych zawiasów.
• PEEK: około 250 °C w pracy ciągłej, doskonała odporność chemiczna, możliwość sterylizacji, dostępne odmiany biozgodne. Jest bardzo drogi i wymagający we wtrysku: stosować go należy tam, gdzie inne tworzywa nie wystarczają (medycyna, lotnictwo, chemia).
• PTFE: bardzo niskie tarcie i obojętność chemiczna, ale miękki i podatny na pełzanie. Nie wtryskuje się go w sposób konwencjonalny: obrabia się go z prętów, rur lub spiekanych płyt. Uszczelnienia, wykładziny, elementy ślizgowe.

Wskazówki jakościowe, które należy potwierdzić w karcie technicznej wybranej odmiany. Kolumna „Wtrysk” wskazuje, czy tworzywo jest powszechnie wtryskiwane; koszt względny dotyczy materiału (€ tanio, €€€€ bardzo drogo).

Obróbka skrawaniem: półfabrykaty, bez oprzyrządowania

Obróbka wychodzi z prętów, płyt lub rur i nie wymaga oprzyrządowania: to naturalna droga dla prototypu lub małej serii. Tworzywo nagrzewa się podczas skrawania, rozszerza się, a czasem uwalnia naprężenia wewnętrzne: zakład często planuje obróbkę zgrubną, stabilizację i wykańczającą. Ciasne tolerancje trudniej tu utrzymać niż w metalu: proszę ograniczyć je do wymiarów funkcjonalnych (zob. poradnik o materiałach części obrabianych).

Wtrysk: forma, a potem serie

Wtrysk tworzyw sztucznych polega na wtłaczaniu stopionego materiału do formy. Oprzyrządowanie to inwestycja, która zwraca się dopiero przy serii; w zamian cena każdej sztuki spada. Tworzywo musi istnieć w odmianie wtryskowej (PTFE na przykład jej nie ma), a jego skurcz, większy w przypadku tworzyw półkrystalicznych, wpływa na dokładność i odkształcenia. Tolerancje wtrysku są zwykle mniej ciasne niż tolerancje obróbki skrawaniem, a część musi spełniać zasady konstrukcyjne (pochylenia, równomierne grubości ścianek). Poradnik o cenie formy wtryskowej opisuje koszt oprzyrządowania.

Druk 3D: przydatny do testów, ale nie równoważny

Wytwarzanie przyrostowe pozwala wykonywać części z tworzyw bez oprzyrządowania, zwłaszcza z poliamidu. Jednak część drukowana nie ma właściwości części wtryskiwanej lub obrabianej z tej samej rodziny tworzyw: jest często mniej wytrzymała w jednym kierunku. Potwierdza kształt i montaż, ale nie zawsze wytrzymałość mechaniczną (zob. druk 3D czy obróbka CNC).

Nie istnieje uniwersalny próg między obróbką a wtryskiem: jeśli Państwa ilość mieści się pomiędzy nimi, proszę zlecić wycenę obu procesów (zob. od prototypu do serii). Jeżeli seria docelowa ma być wtryskiwana, prototyp należy wykonać z podobnego tworzywa, a przed uruchomieniem produkcji zwalidować kilka sztuk pochodzących z formy.

• Rozszerzalność cieplna. Tworzywo rozszerza się kilkukrotnie bardziej niż stal: pasowanie ciasne w 20 °C może się zatrzeć lub poluzować w 60 °C. Proszę przewidzieć luz, zwłaszcza w metalowej obudowie.
• Pełzanie. Część pod stałym obciążeniem z czasem się odkształca. W połączeniu śrubowym lepiej zastosować metalową wkładkę lub szeroką podkładkę, aby rozłożyć obciążenie.
• Wilgoć. Poliamidy puchną i tracą sztywność; POM jest znacznie stabilniejszy. Dla części, która musi zachować wymiary, jest to często kryterium rozstrzygające.
• Substancje chemiczne. Zgodność zależy od tworzywa, stężenia, temperatury i naprężenia. PC i PMMA mogą pękać pod wpływem niektórych rozpuszczalników. Warto poprosić dostawcę o odporność chemiczną danej odmiany lub wykonać próbę.
• UV i praca na zewnątrz. Bez stabilizatora wiele tworzyw żółknie lub staje się kruche. Proszę zaznaczyć zastosowanie zewnętrzne: istnieją odmiany stabilizowane.
• Odporność ogniowa. W elektryce lub w transporcie może być wymagana klasa palności (na przykład UL 94). Zawęża to wybór: proszę wskazać ją już w zapytaniu.
• Kontakt z żywnością lub zastosowanie medyczne. Tylko niektóre odmiany są deklarowane jako zgodne: proszę poprosić dostawcę o deklarację i zatwierdzić ją u swojego specjalisty ds. zgodności z przepisami. Zob. także sektor medyczny.

Źle określone tworzywo oznacza dodatkowe pytania, wyceny obok tematu lub przykrą niespodziankę przy dostawie. Proszę podać:

• dokładne oznaczenie: „POM-C naturalny”, „PA 6 z 30 % włókna szklanego”, „ABS czarny”, a nie „plastik” czy „nylon”;
• czy tworzywo jest narzucone, czy nie: „lub równoważne” pozwala zakładowi zaproponować najtańszą dostępną odmianę;
• kolor i wygląd: naturalny, czarny, barwiony w masie, ewentualne polerowanie;
• warunki użytkowania: temperatura, substancje mające kontakt z częścią, wilgoć, praca na zewnątrz;
• oczekiwane dokumenty (certyfikat materiałowy, deklaracja zgodności), o które warto prosić tylko wtedy, gdy są potrzebne;
• ilość oraz – w przypadku prototypu – docelową serię i proces.

Gotowi zapytać o ceny? Dodaj zapytanie w Meaflow: to bezpłatne i bez prowizji, a Państwo porównują oferty kilku zakładów.