PEEK-Materialformlösungen
Welches PEEK-Materialwissen müssen Sie kennen?
Inhaltsverzeichnis
Einführung
Polymere haben Metalle in vielen Anwendungen der Medizin und anderer Branchen ersetzt. Dies hat zu einer verbesserten Behandlung und einem besseren Management verschiedener Erkrankungen geführt. Obwohl sich das Feld stetig erweitert, gibt es einige Polymere mit etablierten Anwendungsgebieten. Polyetheretherketon (PEEK) ist ein solches Polymer. Es ist biokompatibel, sterilisierbar und langlebig. Seine Anwendung reicht von Gewebeersatz bis hin zu medizinischen Instrumenten. PEEK ist ein Hochleistungspolymer. Neben der Medizintechnik findet PEEK auch in komplexeren Anwendungen Verwendung, beispielsweise in der Herstellung von Teilen für die Luft- und Raumfahrt sowie den Maschinenbau. Das Spritzgießen von PEEK erweitert seine Einsatzmöglichkeiten auf komplexere, in Serie reproduzierbare Produkte. Das Spritzgießen von PEEK unterscheidet sich vom Spritzgießen anderer Kunststoffe. Dieser Artikel erläutert einige der damit verbundenen Besonderheiten. Dabei werden auch die Eigenschaften, Anwendungen und einige der besonderen Merkmale von PEEK näher betrachtet. Sie erhalten hier einen guten Einblick, wie sich das Spritzgießen von PEEK von dem anderer Kunststoffe abhebt.
Was macht PEEK so großartig?
Viele Polymere besitzen Eigenschaften, die sie von anderen Polymeren abheben. Polymere sind womöglich die vielfältigste Materialklasse. Einige Polymere weisen außergewöhnliche Eigenschaften auf, die eine genauere Betrachtung erfordern – sowohl hinsichtlich ihrer Verarbeitung als auch ihrer Anwendungen. Ein Beispiel hierfür ist PEEK. Beginnen wir mit einigen seiner Eigenschaften, die es für verschiedene Anwendungen prädestinieren.
Überlegene mechanische Eigenschaften
PEEK zählt zu den Hochleistungsmaterialien. Diese Kunststoffe behalten ihre Formstabilität auch unter extremen Bedingungen. Die mechanischen Eigenschaften verleihen PEEK seine hohe Leistungsfähigkeit. Ein Blick auf die chemische Struktur von PEEK verdeutlicht die überlegenen Eigenschaften. Die Grundeinheit besteht aus drei Benzolringen, die über eine Keton- und eine Ethergruppe verbunden sind. Die Struktur ist eine sich wiederholende Abfolge von Keton- und Ether-gebundenen Benzolringen. Dies verleiht PEEK eine starke, stabile, teilkristalline Struktur. Dank der hervorragenden mechanischen Eigenschaften lässt sich PEEK auch bearbeiten. Dies ist vorteilhaft, wenn Angusskanäle oder Grate von spritzgegossenen PEEK-Produkten entfernt werden müssen. Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften von PEEK ergänzen sein geringes Gewicht und seine niedrige Dichte. Zum Vergleich: PEEK hat eine Dichte von 1,32 g/cm³. Die Dichte von PTFE beträgt 2,2 g/cm³, die von PET 1,38 g/cm³. Das bedeutet, dass PEEK ein robustes Material ist, das der Hitze von kochendem Wasser standhält und dennoch leichter ist als der Kunststoff, der für Trinkwasserflaschen verwendet wird. Die Industrie ist ganz verrückt nach solchem Material.
Strahlungstoleranz
Strahlung wird häufig zur Sterilisation medizinischer Instrumente eingesetzt. Das für die Herstellung dieser Produkte verwendete Material muss dieser Strahlung standhalten. Zu den zur Sterilisation verwendeten Strahlungen gehören Gamma- und UV-Strahlung. Peek ist gegenüber diesen Strahlungen beständig, ohne dass seine chemische oder physikalische Integrität beeinträchtigt wird.
Hohe Temperaturtoleranz
Metalle haben sich in vielen medizinischen Instrumenten und Geräten erfolgreich durchgesetzt. Dies liegt unter anderem an ihrer einfachen Reinigung und Sterilisation. Kunststoffe wie Polyethylen sind nicht hitzebeständig, selbst nicht Temperaturen nahe dem Siedepunkt von Wasser. Versuchen Sie einmal, kochendes Wasser in eine PET-Flasche zu gießen – sie wird weich. Sterilisation erfolgt bei Temperaturen über 180 °C. Sterilisation ist ein entscheidender Bestandteil der medizinischen Praxis. Daher müssen die verwendeten Materialien steril sein, da es sonst zu lebensbedrohlichen Schäden kommen kann. Wiederverwendbare Produkte werden vor und nach Gebrauch sterilisiert. Einwegprodukte werden unter sterilen Herstellungsbedingungen gefertigt.
Die Produktion unter sterilen Bedingungen verteuert die Herstellung erheblich. Die Möglichkeit, ein Produkt nach der Fertigung zu sterilisieren, vereinfacht den Prozess und ermöglicht die sichere Wiederverwendung unter Beibehaltung des sterilen Zustands. Die thermische Sterilisation zählt zu den einfachsten und effektivsten Sterilisationsverfahren. Die Hitzebeständigkeit von PEEK trägt zu seiner Vielseitigkeit bei.
Beständigkeit gegenüber Chemikalien und Lösungsmitteln
Dazu gehört auch die Wasserbeständigkeit. In medizinischen Anwendungen sind Instrumente oder Implantate über lange Zeiträume Feuchtigkeit ausgesetzt. Dies kann in verschiedenen Umgebungen der Fall sein, insbesondere bei Materialien, die mit menschlichem Gewebe, Serum, Blut oder inneren Organen in Kontakt kommen. Diese Umgebungen weisen unterschiedliche Bedingungen auf, beispielsweise sauer, alkalisch, salzig usw., vom sauren Milieu im Magen bis zum nahezu neutralen Blut. Ein weiterer Vorteil von PEEK ist seine Beständigkeit gegenüber Chemikalien und Lösungsmitteln, selbst bei hohen Temperaturen. Dies ist beispielsweise in Maschinen von großem Nutzen, in denen sich Flüssigkeiten durch Erhitzung oder Reibung erhitzen.
Einige Faktoren, die beim Spritzgießen von PEEK zu berücksichtigen sind
PEEK eignet sich zwar hervorragend für einige hochwertige Anwendungen, seine Verarbeitung ist jedoch nicht ganz einfach. Wenn Sie zum ersten Mal mit PEEK arbeiten, sollten Sie einige Besonderheiten beachten. Unabhängig davon, ob Sie bereits Erfahrung mit dem Spritzgießen anderer Kunststoffe haben, birgt PEEK einige Herausforderungen, die bei anderen Kunststoffen möglicherweise nicht auftreten. Diese sind im Folgenden aufgeführt.
Spritzgießtemperatur
Die erste Herausforderung beim Spritzgießen von PEEK ist dessen hoher Schmelzpunkt. Dieser ist zwar für die Anwendung von Vorteil, erschwert aber das Spritzgießen. Dennoch ist Spritzgießen das kostengünstigste Verfahren zur Kunststoffherstellung, insbesondere bei PEEK. Die Verarbeitung von PEEK bedeutet, dass die Maschine am oberen Ende des Temperaturbereichs arbeitet. Daher ist es wichtig, die Maschinenteile vor Hitzeschäden und -spannungen zu schützen. Dies erfordert den Einsatz hochwertiger Metalle und Isolierungen. PEEK wird in denselben Spritzgießmaschinen verarbeitet wie gängige Kunststoffe. Diese müssen jedoch an die speziellen Anforderungen von PEEK angepasst werden. Eine herkömmliche Maschine ist nicht geeignet. Eine Spritzgießmaschine muss eine Temperatur von ca. 400 °C ± 50 °C erreichen, um für die Verarbeitung geeignet zu sein. Andernfalls sind Modifikationen erforderlich. Diese Modifikationen zielen darauf ab, die Heizleistung der Thermoelemente zu erhöhen. Außerdem werden die Heizbänder durch Keramikbänder ersetzt. Isoliermatten helfen, die Wärme zu speichern und höhere Temperaturen schneller zu erreichen. Sie isolieren den Zylinder, sodass die erzeugte Wärme im Inneren bleibt und die Temperatur schneller ansteigt. Dadurch wird der Energieverbrauch und somit die Kosten reduziert.
Die Temperaturverteilung entlang des Zylinders ist ebenfalls von großer Bedeutung. Dies gilt auch für die Temperatur der Schmelze beim Durchströmen der Angusskanäle und beim Eintritt in die Form. Die Temperaturverteilung entlang des Zylinders beginnt am Einzugsbereich. Dieser muss ausreichend kühl bleiben, um Brückenbildung zu vermeiden. Brückenbildung führt zu einer Strömungsbehinderung durch vorzeitiges Schmelzen des Polymers im Einzugsbereich. In diesem Fall bleiben die Pellets am Einzugsstutzen hängen, anstatt weiter transportiert zu werden.
Die Temperatur der Schmelze muss im unteren Teil des Formzylinders bei etwa 170 bis 200 °C liegen. Im Werkzeug selbst ist dies anders. Hier findet die Abkühlung statt. Eine ungleichmäßige Abkühlung des Bauteils, bei der manche Bereiche schnell und andere langsam abkühlen, ist unerwünscht. Die Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst die Kristallinität und führt zu einer Mischung aus amorphen und kristallinen Bereichen im Produkt. Dies äußert sich häufig in einer ungleichmäßigen Färbung. Das Bild unten zeigt ein Beispiel für eine solche Verfärbung.
Bei Gates gilt: Je größer, desto besser.
Die Schmelze gelangt durch die Angüsse in die Form. Der Anguss wird oft übersehen, spielt aber eine wichtige Rolle bei der Produktbildung. Er bestimmt den Schmelzefluss in die Form und damit das Kühlmuster. Dies ist besonders wichtig für Polymere wie PEEK mit hoher Schwindung. Ein größerer Anguss lässt mehr Schmelze in einem bestimmten Zeitraum in die Form fließen. Dies trägt zu einem gleichmäßigeren Temperaturabfall und somit zu einer gleichmäßigeren Schwindung bei, was wiederum eine bessere Teilebildung zur Folge hat. Obwohl sie für viele Anwendungen geeignet sein sollen, sind Unterwasserangüsse für PEEK weniger geeignet. Laschen-, Fächer- oder Kantenangüsse eignen sich besser für das Spritzgießen von PEEK. Beachten Sie jedoch auch andere Faktoren, die die Angussspezifikationen beeinflussen, wie beispielsweise die Anzahl der Formhohlräume und die Art des Angusskanalsystems.
Schwindung
Die meisten Kunststoffe schrumpfen beim Abkühlen. Diese Volumenänderung beim Übergang vom geschmolzenen zum festen Zustand wird häufig bei der Werkzeugkonstruktion berücksichtigt. Die Schrumpfung wird komplexer, wenn sie anisotrop ist. Das heißt, das Material schrumpft in verschiedene Richtungen unterschiedlich. Der Druck wird während des Abkühlens durch das Unterdrücken der Form erzeugt. Dies gewährleistet gleichmäßige Oberflächen und eine korrekte Geometrie. Bei anisotroper Schrumpfung muss der Druck unter Berücksichtigung der Schrumpfungsrichtung aufgebracht werden. Daher ist diese anisotrope Schrumpfung bei der Konstruktion von Werkzeugen für PEEK zu berücksichtigen.
Das Material der Maschinenherstellung
Bei so hohen Temperaturen müssen die mit der Schmelze in Berührung kommenden Teile von hoher Qualität sein. Kupfer oder Legierungen werden beim Spritzgießen von PEEK nicht verwendet, obwohl sie bei der Verarbeitung niedrigschmelzender Polymere wie Polyethylen zum Einsatz kommen. Sie sind jedoch bei höheren Temperaturen korrosionsanfällig. Für das Spritzgießen von PEEK eignet sich hochwertiger Edelstahl. Dies gilt insbesondere für Schnecke und Zylinder, da diese länger mit der Schmelze in Kontakt kommen als alle anderen Maschinenteile. Glatte, gut polierte Oberflächen sind ebenfalls wichtig. Sie gewährleisten einen reibungslosen Schmelzfluss und ein optimales Fließmuster. Bei einem so zähen Polymer mit hohem Schmelzpunkt ist die Viskosität tendenziell niedriger. Im Gegensatz dazu benötigen niedrigschmelzende Polymere weniger Wärme, um eine niedrigere Viskosität zu erreichen. Bei viskoseren Materialien bieten glatte Wände den geringsten Fließwiderstand.
Trocknung
PEEK weist eine sehr gute Beständigkeit gegenüber Wasser und anderen Lösungsmitteln auf. Feuchtigkeit aus der Umgebung kann sich jedoch auf der Oberfläche absetzen. Jegliche während der Lagerung aufgenommene Feuchtigkeit verdampft während der Verarbeitung. Bei solch hohen Temperaturen sind Lufteinschlüsse in der Schmelze unerwünscht. Es wird empfohlen, PEEK auf einen Restfeuchtegehalt von unter 0,02 % zu trocknen. Dies wird durch Trocknen bei einer Temperatur von ca. 160 °C in einem Umluftofen für 2 bis 3 Stunden erreicht.
Rückstände und Verunreinigungen
Bei hohen Temperaturen zersetzen sich Nicht-PEEK-Materialien. Verarbeitet die Maschine auch andere Kunststoffe, können Rückstände dieser Materialien vorhanden sein. Kunststoffe mit niedrigerem Schmelzpunkt zersetzen sich und verursachen dunkle Flecken auf den Kunststoffteilen. Dies beeinträchtigt Aussehen und Qualität und kann zu Ausschuss führen. Um dies zu vermeiden, muss jedes Anlagenteil vor Beginn der PEEK-Produktion gründlich gereinigt werden. Dazu gehört die Demontage der Schnecke und die Reinigung von Schnecke und Zylinder. Diese Teile sind am heißesten und erfordern daher besondere Aufmerksamkeit. Auch andere Teile wie Düse, Angusskanäle und Formen müssen gereinigt werden. Wenn möglich, sollte die Spritzgießmaschine ausschließlich für PEEK verwendet werden. Dies schließt auch andere Verarbeitungsmaschinen wie die Mahlanlage ein. Durch die ausschließliche Verwendung von PEEK auf der gesamten Produktionslinie wird das Kontaminationsrisiko deutlich reduziert.
Umspritzen mit PEEK
PEEK ist bei seiner Einsatztemperatur ein formstabiler Kunststoff und zählt zu den beliebtesten Materialien für das Umspritzen. Es eignet sich hervorragend als Substratmaterial und bildet einen festen Kern, auf den anschließend ein weicheres oder niedrigschmelzendes Material umspritzt werden kann. Die hohe Erweichungstemperatur ermöglicht eine größere Auswahl an Kunststoffen für das Umspritzen, da der Schmelzpunktbereich breiter gefächert ist. Dadurch eignen sich mehr Materialien für das Umspritzen.
Einige spritzgegossene PEEK-Produkte
Die Anwendungsgebiete von PEEK reichen von der Medizintechnik über die Luft- und Raumfahrt bis hin zum Maschinenbau. Nachfolgend finden Sie eine Liste einiger Anwendungsbereiche. Die meisten davon werden im Spritzgussverfahren hergestellt (Schläuche und Profile werden in den meisten Fällen extrudiert).
- Orthopädische Implantate
- Zahnimplantate
- Chirurgische Geräte
- Medizinprodukte
- Hüftprothese
- Wirbelsäulenimplantate
- Fingergelenkersatz/Reparatur
- Schläuche
- Elektrische Isolierungen
- Profile
Abschluss
Die Verarbeitung von PEEK erfolgt in herkömmlichen Spritzgießmaschinen. Diese müssen jedoch für die Verarbeitung von PEEK angepasst werden. Zusätzliche Vorkehrungen gewährleisten einen erfolgreichen Ablauf. Dazu gehören beispielsweise eine präzise Temperaturregelung, große Angüsse und saubere, trockene Rohstoffe. Die Verarbeitungsanforderungen hängen zudem von der verwendeten PEEK-Sorte ab.
Referenzlinks
https://www.victrex.com/en/victrex-peek
https://www.plasticstoday.com/materials/new-peek-material-takes-performance-another-level
https://www.plasticstoday.com/medical/solvays-peek-polymer-gets-nod-spinal-implant-device