Polyetheretherketon (PEEK) ist ein weiterer hochleistungsfähiger thermoplastischer Kunststoff mit guten mechanischen Eigenschaften sowie Chemikalien- und Wärmebeständigkeit. PEEK-Spritzguss ist eine Technik, bei der das PEEK-Material in die gewünschte Form gespritzt wird. Sie ist hochtechnisch und wird häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im medizinischen Bereich, im Automobilsektor und in der Elektronikbranche eingesetzt. In diesem Artikel werden die Eigenschaften des PEEK-Materials und des Spritzgießverfahrens, das Werkzeugdesign, die Spezifikationen der Parameter und die Probleme mit den Lösungen von PEEK-Spritzgießen beschrieben werden.

PEEK Materialeigenschaften

Mechanische Eigenschaften

PEEK verfügt über hervorragende mechanische Eigenschaften. Das Material hat eine hohe Festigkeit, hohe Steifigkeit und eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit, so dass es für hohe Belastungen und hohe Beanspruchungen geeignet ist. Seine Zugfestigkeit liegt bei 90-100 Mpa und seine Biegefestigkeit bei 150-200 Mpa. Außerdem hat PEEK eine geringe Verschleißrate und einen niedrigen Reibungskoeffizienten und kann daher in Lagern, Zahnrädern und Dichtungen verwendet werden, wo Verschleißfestigkeit erforderlich ist.

Chemische Beständigkeit

PEEK verfügt über eine hohe chemische Beständigkeit gegen eine Vielzahl von Chemikalien, die sich aus den üblichen starken Säuren, Laugen, Salzen und organischen Lösungsmitteln zusammensetzen. Dies macht es zu einem sehr wertvollen Material für chemische Geräte und medizinische Geräte. PEEK zersetzt sich nicht und ändert seine chemische Zusammensetzung auch nicht bei hohen Temperaturen, so dass es über einen langen Zeitraum hinweg anspruchsvollen und harten Bedingungen standhält.

Thermische Eigenschaften

Mit einer Glasübergangstemperatur von 143 °C und einem Schmelzpunkt von 343 °C kann PEEK kontinuierlich bei 250 °C verwendet werden, ohne seine mechanischen Eigenschaften und seine Dimensionsstabilität zu verlieren. Darüber hinaus bedeutet der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient von PEEK, dass es auch bei veränderten Bedingungen eine gute Dimensionsstabilität aufweist.

Elektrische Eigenschaften

Eine einzigartige Eigenschaft von PEEK sind seine hervorragenden elektrischen Isolationseigenschaften. PEEK hat eine hohe Durchschlagfestigkeit, eine niedrige Dielektrizitätskonstante und einen geringen dielektrischen Verlust. Das Material kann in der Energie- und Elektronikindustrie eingesetzt werden. Die Temperaturstabilität, die hohe Durchschlagfestigkeit und der geringe dielektrische Verlust machen das Material zu einem idealen elektrischen Hochleistungsisoliermaterial. Es eignet sich sehr gut für den Einsatz als elektrischer Hochleistungsisolator in einem breiten Bereich von Betriebstemperaturen und Frequenzen.

Biokompatibilität

Aufgrund seiner hohen Biokompatibilität ist PEEK das Material der Wahl bei der Herstellung von medizinischen Geräten und Implantaten. PEEK kann über einen längeren Zeitraum in der In-vivo-Umgebung verbleiben, ohne immunologische oder toxische Reaktionen hervorzurufen. Die biologische und chemische Inertheit von PEEK verleiht ihm stabile Eigenschaften sowohl in der In-vivo- als auch in der In-vitro-Umgebung, so dass es für die Herstellung von orthopädischen Implantaten, Zahnersatzmaterialien und chirurgischen Instrumenten verwendet werden kann.

PEEK-Spritzgießverfahren

Handhabung von Rohstoffen

Es ist nicht möglich, PEEK-Kunststoff zu formen, ohne dem Material zuvor Feuchtigkeit zu entziehen. Die empfohlene Trocknungstemperatur beträgt 150°C für mindestens 3 Stunden, die relative Luftfeuchtigkeit sollte unter 0 gehalten werden. 02%. Wird nicht ordnungsgemäß getrocknet, können sich in der Schmelze Blasen bilden, was sich auf einige der mechanischen Eigenschaften und die Oberflächenbeschaffenheit des Produkts auswirkt.

Auswahl der Spritzgießmaschine

PEEK hat einen hohen Schmelzpunkt und eine hohe Schmelzviskosität, so dass die Spritzgießmaschine über eine hohe Temperaturbeständigkeit, einen hohen Druck und eine gute Temperaturregelung verfügen muss. Es wird empfohlen, Standard Spritzgießen Maschinen mit Schmelzevorplastifizierung und Hochdruckeinspritzsystem. Der Zylinder und die Schnecke sollten aus hochtemperaturbeständigen und verschleißfesten Materialien bestehen, um einen langfristig stabilen Betrieb der Spritzgießmaschine zu gewährleisten.

Formenbau

1. Form Material: Der Formwerkstoff muss eine hohe Festigkeit und Härte aufweisen und sollte in der Lage sein, großer Hitze standzuhalten. Zu den bekannten Formwerkstoffen gehören Warmarbeitsstahl und H13-Stahl sowie nichtrostende Stähle. Es wird erwartet, dass die Oberfläche der Form schrittweise gehärtet und poliert wird, um die Lebensdauer der Form und die Produktoberfläche zu erhöhen.

2. Läufer Design: Die Konstruktion des Angusskanals sollte auch einen gleichmäßigen Fluss der Schmelze in die Kavität ermöglichen, ohne dass die Schmelze in einigen Teilen stagniert, während andere länger zum Abkühlen brauchen. Der Querschnitt des Angusskanals kann kreisförmig oder trapezförmig sein; der Durchmesser des Angusskanals wird in Abhängigkeit von der Produktgröße und den Maschinenparametern festgelegt. Außerdem werden der Fließwiderstand der Schmelze und der Druckabfall beseitigt, um die Gleichmäßigkeit der Füllung des Angusses zu verbessern.

3. Entlüftung Design: Ein gutes Entlüftungssystem ist unerlässlich, um zu vermeiden, dass Gas und flüchtige Bestandteile in der Schmelze im Formhohlraum eingeschlossen werden, was zur Bildung von Oberflächenunregelmäßigkeiten und folglich zu einer schlechten Leistung des Produkts führen kann. Die Entlüftungsöffnungen sollten sich am Ende des Angusses oder in Bereichen befinden, die für Gasansammlungen anfällig sind, wobei die Entlüftungstiefe normalerweise zwischen 0,02 und 0,04 mm liegt. Eine gute Entlüftung trägt auch zur Minimierung von Defekten wie Blasen und Silberschlieren bei.

Prozessparameter beim Spritzgießen

1. Einspritztemperatur: Die Schmelztemperatur des PEEK-Materials ist relativ hoch, und die empfohlene Einspritztemperatur beträgt 350-400 °C. Eine zu niedrige Temperatur führt zu schlechtem Fließen der Schmelze und unvollständiger Füllung, während eine zu hohe Temperatur zu Materialabbau führt. Es wird empfohlen, die Einspritztemperatur in Abhängigkeit von der Produktdicke (dicke oder dünne Wände) oder der Form zu steuern.

2. Formtemperatur: Die Formtemperatur hat einen großen Einfluss auf die Kristallinität des Produkts sowie auf die Oberflächenbeschaffenheit des Teils. Die empfohlene Formtemperatur beträgt 160-200 °C, je nach Dicke und Form des Produkts. Bei niedrigen Formtemperaturen ist die Oberflächengüte schlecht und die innere Struktur des Gussteils schlecht entwickelt. Bei höheren Temperaturen kommt es zu Verformungen, insbesondere zu Verwerfungen, und zu schlechter Maßhaltigkeit.

3. Einspritzdruck: PEEK-Polymer hat einen relativ hohen Einspritzdruck für das Spritzgießen. Der empfohlene Druck liegt bei 100-150 MPa. Ein geringerer Druck kann zu Problemen wie unzureichender Füllung und Oberflächenqualität führen, während ein höherer Druck zu Problemen wie Beschädigung der Form und Verformung des Produkts führen kann. Was die abhängigen Parameter betrifft, so sollte der Einspritzdruck im Hinblick auf den Schmelzfluss und das Werkzeugdesign geändert werden.

4. Nachdruck und Zeit: Der Nachdruck sollte etwas niedriger sein als der Einspritzdruck, etwa 80-100 MPa, und die Nachdruckzeit hängt von der Dicke der Artikel und der Form ab, etwa 30-60 Sekunden. Das bedeutet, dass Druck und Zeit die innere Struktur und die Oberflächenqualität des Produkts beeinflussen und die richtige Auswahl dieser Parameter einige Versuche erfordert.

5. Abkühlzeit: Die Abkühlzeit hat einen direkten Einfluss auf die Art und die Gesamtgröße der Kristalle des Produkts. Die erforderliche Abkühlzeit liegt zwischen 2 und 5 Minuten, je nach Art des Produkts, seiner Dicke und der Temperatur der Formen. Eine kurze Abkühlzeit führt zu inneren Spannungen und Verformungen, eine lange Abkühlzeit hingegen beeinträchtigt die Produktionseffizienz.

Prozess-Optimierung

1. Mold Flow Analysis: Die Moldflow-Analyse ist einer der wichtigsten Prozesse beim Spritzgießen, mit dem man den Fluss der Schmelze im Inneren des Formhohlraums simulieren und bestimmte Arten von Defekten vorhersagen sowie einige Parameter des Prozesses optimieren kann. Durch die Durchführung einer Fließanalyse können Sie die Konstruktion des Angusses, die Position des Anschnitts und die Einspritzparameter optimieren, um die Produktqualität und die Produktionseffizienz zu verbessern.

2. Versuchsaufbau: Die Versuchsplanung ist eine systematische Methode zur Untersuchung und Optimierung des Spritzgießprozesses. Mit dieser Methode lassen sich auch die Auswirkungen anderer Prozessparameter auf die Produktqualität bestimmen und die beste Parameterkombination ermitteln. Mehrere gängige Methoden der Versuchsplanung sind vollfaktorielle Experimente, teilfaktorielle Experimente und die Response Surface Analysis.

3. Kontinuierliche Verbesserung: Die Realisierung der optimalen Lösung beim Spritzgießen hängt von der kontinuierlichen Optimierung der Spritzgießprozess. Die regelmäßige Überwachung und Analyse der Daten im Produktionsprozess zur Ermittlung der Korrelation zwischen Produktqualität und Prozessparametern und die anschließende Anpassung und Verbesserung des Prozesses können die Produktqualität und die Produktionseffizienz verbessern.

Häufige Probleme und Lösungen beim PEEK-Spritzgießen

Unvollständige Befüllung

Unterfüllung ist ein häufiges Problem bei PEEK-Spritzgießen. Die Ursache ist eine zu niedrige Einspritztemperatur, ein zu niedriger Druck oder eine zu niedrige Werkzeugtemperatur, was zu ungefülltem PEEK im Werkzeug oder in der Spritzgießmaschine führt. Zu den möglichen Lösungen gehören die Erhöhung der Einspritztemperatur, des Einspritzdrucks, der Werkzeugtemperatur und des Angusssystems. Darüber hinaus sind auch die Anschnitte ein wichtiger Faktor. Je mehr Anschnitte vorhanden sind und je besser sich die Anschnittposition ändert, desto besser ist der Fülleffekt.

Oberflächenmängel

Verbrennungen an der Oberfläche und die Bildung von Erscheinungen wie Silberschlieren, Blasen usw. werden mit Gasen und flüchtigen Bestandteilen in der Schmelze in Verbindung gebracht. Mögliche Ursachen sind die Trocknung des Rohmaterials, die Entlüftungsöffnungen, die Einspritzgeschwindigkeit sowie der Druck und die Werkzeugtemperatur. Durch die richtige Auslegung der Werkzeugentlüftung und die richtigen Parameter im Einspritzprozess können die Oberflächenfehler leicht minimiert werden.

Produktverzug

Häufige Ursachen für Produktverzug sind ungleichmäßige Materialkühlung und unsachgemäße Druckhaltung. Zu den Lösungen gehören eine gleichmäßige Kühlung, die Optimierung der Druckhalteparameter, eine vernünftige Auslegung des Werkzeugkühlsystems und die Optimierung der Produktstruktur. Angemessene Kühlzeiten und Kühlraten können innere Spannungen und Verzug reduzieren.

Interne Defekte

Fehler wie Hohlräume, Bindenähte und Delaminationen, die innerhalb des Materials entstehen, sind meist die Folge von schlechtem Fließen der Schmelze und unterschiedlicher Kühlung. Sie werden durch die Verbesserung des Werkzeugdesigns, der Einspritztemperatur, des Einspritzdrucks und der Halteparameter verursacht. Es zeigt sich, dass die Analyse des Formflusses und die Optimierung von Experimenten die internen Defekte erheblich verringern und die mechanischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit verbessern können.

Maßgenauigkeit

Die Maßgenauigkeit wird durch eine unsachgemäße Konstruktion der Form und die Instabilität der technologischen Parameter des Einspritzvorgangs beeinflusst. Mögliche Abhilfemaßnahmen sind die Optimierung des Werkzeugs, die Anpassung der Einspritzbedingungen und der Einsatz von hochpräzisen Einspritzanlagen. Die Ideen der Versuchsplanung und insbesondere die kontinuierliche Verbesserung der Produktionsprozesse ermöglichen es, die Genauigkeit und Einheitlichkeit der Produktabmessungen zu verbessern.

Qualitätskontrolle

Qualitätskontrolle von Rohstoffen

Bei der Beschaffung von PEEK-Rohstoffen ist es notwendig, qualitativ hochwertige Rohstoffe zu wählen, damit Feuchtigkeit oder Verunreinigungen während des Nutzungsprozesses die Leistung des Produkts nicht beeinträchtigen. Die Analyse der Zusammensetzung von Rohstoffen und die Prüfung der physikalischen Eigenschaften von Rohstoffen sind die Garantie für die Qualität und Einheitlichkeit von Rohstoffen.

Prozess-Qualitätskontrolle

Der Einsatz fortschrittlicher Spritzgießmaschinen und -formen sowie die strenge Kontrolle der Parameter des Spritzgießprozesses gewährleisten die Konsistenz und Stabilität des Produkts. Online-, Überwachungs- und Datenerfassungssysteme können verwendet werden, um Temperatur, Druck, Zeit und andere Aspekte während des Produktionsprozesses zu messen, und jedes Problem wird sofort korrigiert.

Prüfung der Produktqualität

Prüfung der mechanischen Eigenschaften durch Zug-, Biege- und Schlagversuche sowie Beobachtung der Mikrostruktur und der Oberflächenbeschaffenheit mit Hilfe von Lichtmikroskopen und SEM. Die Bereitstellung einer umfassenden Qualitätskontrolle führt zu Produktqualität und Haltbarkeit.

Qualitätsmanagement-System

Durch die Einführung und Umsetzung von ISO 9001 und ISO 13485 als Qualitätsmanagementsystem kann die Qualität des Spritzgießprozesses durch ein effektives Management sichergestellt und überwacht werden.

Anwendungen des PEEK-Spritzgießens

Luft- und Raumfahrt

PEEK ist in der Luft- und Raumfahrt vielfältig einsetzbar, wo es unter anderem zur Herstellung von hochfesten und leichten Elementen und Unterbaugruppen für Aufbauten, Sitzelemente, elektronische Geräte oder Abdeckungen und Gehäuse verwendet wird. PEEK zersetzt sich nicht bei hohen Temperaturen, ist chemikalienbeständig und verfügt über hervorragende mechanische Eigenschaften, was ihm in der Luft- und Raumfahrttechnik große Bedeutung verleiht.

Medizinische Geräte

PEEK eignet sich aufgrund seiner Körperverträglichkeit und Sterilisationsbeständigkeit ideal für die Herstellung von Implantaten, chirurgischen Werkzeugen und Dentalartikeln. Aufgrund seiner chemischen Inertheit und seiner Beständigkeit gegenüber dem Abbau im Körper gilt PEEK als unverzichtbar für die Herstellung von Medizinprodukten.

Automobilherstellung

PEEK wird zur Herstellung von Hochtemperatur- und Hochleistungsmotorteilen, Getrieben mit hoher Verschleißfestigkeit und Auspuffanlagen mit Chemikalienbeständigkeit verwendet. Da PEEK sehr leicht und sehr fest ist, verbessern diese Eigenschaften von PEEK auch die Kraftstoffeffizienz und Leistung von Fahrzeugen.

Elektronik und Elektrotechnik

PEEK wird in der Elektronik- und Elektrobranche eingesetzt, da es gute elektrische Eigenschaften und Wärmestabilität besitzt, um hochisolierende Steckverbinder, Sensorgehäuse und Kabelummantelungen herzustellen. Aufgrund seiner hohen Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit wird PEEK für elektronische und elektrische Anwendungen empfohlen.

Industrielle Ausrüstung

Einige der aus PEEK hergestellten Teile und Komponenten für den industriellen Einsatz sind verschleißfest, hochtemperaturbeständig und chemisch resistent, z. B. Pumpen, Ventile und Dichtungen. Aufgrund der hohen Leistung hält PEEK Stabilität und Zuverlässigkeit, wenn es unter Bedingungen verwendet wird, die nicht freundlich sind.

Andere Anwendungen

PEEK findet auch in anderen Bereichen Anwendung, z. B. in Sportartikeln, Haushaltsgeräten und in der Elektronik. Aufgrund seiner hohen Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit verfügt PEEK über ein großes Potenzial für neue Märkte.

Schlussfolgerung

Aufgrund seiner charakteristischen Eigenschaften ist PEEK-Harz als technischer Hochleistungskunststoff in zahlreichen Industriezweigen sehr gefragt. Durch den Einsatz des Spritzgießens als wissenschaftliches Herstellungsverfahren in Verbindung mit strengen Qualitätssicherungen ist es möglich, qualitativ hochwertige PEEK-Teile herzustellen. Die Zielgruppe dieses Artikels sind Techniker, die sich mit dem Spritzgießen von PEEK befassen, um von den gegebenen Hinweisen und Empfehlungen zu profitieren. Aufgrund der fortlaufenden Innovation in der Technologie und des wachsenden Marktpotenzials wird die Anwendung von PEEK-Spritzgießtechnik eine vielversprechende Zukunftsperspektive haben wird.