Solutions de moulage de matériaux PEEK
Quelles sont les connaissances nécessaires concernant le matériau PEEK ?
Table des matières
Introduction
Les polymères ont remplacé les métaux dans de nombreuses applications, tant dans le secteur médical que dans d'autres industries. Ceci a permis d'améliorer le traitement et la prise en charge de plusieurs pathologies. Bien que ce domaine soit en pleine expansion, certains polymères bénéficient d'applications bien établies. Le polyétheréthercétone (PEEK) en est un exemple. Biocompatible, stérilisable et durable, il est utilisé dans des applications allant du remplacement tissulaire aux instruments médicaux. Le PEEK est un polymère haute performance. Au-delà du secteur médical, il trouve également des applications plus complexes, comme la fabrication de pièces pour l'aérospatiale et la mécanique. Le moulage par injection du PEEK étend ses applications à la production en série de produits plus complexes. Le moulage par injection du PEEK diffère de celui des autres plastiques. Cet article aborde certaines de ses particularités. Nous explorerons également ses propriétés, ses applications et certaines de ses caractéristiques spécifiques. Vous comprendrez ainsi mieux en quoi le moulage par injection du PEEK se distingue de celui des autres plastiques.
Qu'est-ce qui rend PEEK si exceptionnel ?
De nombreux polymères possèdent des propriétés spécifiques qui les distinguent des autres. Il est même possible que les polymères constituent la classe de matériaux la plus diversifiée. Certains polymères présentent des propriétés exceptionnelles qui méritent une attention particulière, tant au niveau de leur transformation que de leurs applications. Le PEEK en est un exemple. Commençons par examiner certaines de ses propriétés qui le rendent particulièrement performant dans diverses applications.
Propriétés mécaniques supérieures
Le PEEK est classé comme matériau haute performance. Il s'agit d'un plastique qui conserve son intégrité dans des applications diverses et extrêmes. Ses propriétés mécaniques lui confèrent ces caractéristiques de haute performance. L'examen de sa structure chimique révèle ces propriétés supérieures. Son unité répétitive est composée de trois cycles benzéniques, reliés par un groupe cétone et un groupe éther. Cette structure est une séquence répétitive de cycles benzéniques liés par des groupes cétone et éther, ce qui lui confère une structure semi-cristalline robuste et stable. Ses propriétés mécaniques supérieures permettent également l'usinage du PEEK, un atout précieux lorsqu'il est nécessaire d'éliminer les canaux d'alimentation ou les bavures des produits en PEEK moulés par injection. Ces propriétés mécaniques supérieures complètent sa légèreté et sa faible densité. À titre de comparaison, le PEEK a une densité de 1,32 g/cm³. Celle du PTFE est de 2,2 g/cm³ et celle du PET de 1,38 g/cm³. On obtient ainsi un matériau résistant, capable de supporter la chaleur de l'eau bouillante, tout en étant plus léger que le plastique utilisé pour les bouteilles d'eau. L'industrie en raffole.
Tolérance aux radiations
L'irradiation est fréquemment utilisée pour la stérilisation des instruments médicaux. Les matériaux servant à la fabrication de ces instruments doivent résister à ces rayonnements. Parmi les rayonnements utilisés pour la stérilisation figurent les rayonnements gamma et les rayonnements UV. Le PEEK résiste à ces rayonnements sans altération de son intégrité chimique ou physique.
Tolérance aux hautes températures
Les métaux ont largement dominé le secteur des instruments et équipements médicaux, notamment grâce à leur facilité de nettoyage et de stérilisation. Les plastiques comme le polyéthylène ne résistent pas aux hautes températures, même proches du point d'ébullition de l'eau. Versez de l'eau bouillante dans une bouteille en PET et vous verrez qu'elle se ramollit. La stérilisation s'effectue à des températures supérieures à 180 °C. La stérilisation est essentielle en médecine. Les matériaux utilisés doivent donc être stériles, sous peine de conséquences dramatiques. Les produits réutilisés sont stérilisés avant et après chaque utilisation. Les produits à usage unique sont fabriqués dans des conditions stériles.
La production en conditions stériles engendre des coûts importants. La possibilité de stériliser un produit après sa fabrication simplifie le processus et permet sa réutilisation en toute sécurité, tout en préservant sa stérilité. La stérilisation thermique est l'une des méthodes les plus simples et efficaces. La résistance du PEEK aux hautes températures explique son intérêt.
Résistance aux produits chimiques et aux solvants
Cela inclut la résistance à l'eau. Dans le domaine médical, les instruments et implants sont exposés à l'humidité pendant de longues périodes, et ce, dans divers environnements. C'est d'autant plus vrai pour les matériaux en contact avec les tissus humains, le sérum, le sang ou les organes internes. Ces derniers présentent des conditions très variées : acides, alcalines, salées, etc. On peut citer l'acidité de l'estomac comparée à la neutralité du sang. L'avantage du PEEK réside également dans sa résistance aux produits chimiques et aux solvants, même à haute température. C'est un atout majeur, par exemple, pour les machines où les fluides chauffent sous l'effet de la chaleur ou du frottement.
Quelques facteurs à prendre en compte lors du moulage par injection de PEEK
Bien que le PEEK soit idéal pour certaines applications haut de gamme, sa mise en œuvre n'est pas sans difficultés. Si vous travaillez le PEEK pour la première fois, il est important de prendre en compte certains points spécifiques. Même si vous avez déjà une expérience du moulage par injection d'autres plastiques, le PEEK présente des défis qui n'existent pas avec d'autres matières plastiques. Les voici.
Température de moulage par injection
Le premier défi auquel est confronté un transformateur lors du moulage par injection du PEEK est son point de fusion élevé. Si cette caractéristique est un atout pour son application, elle complexifie le moulage par injection. Néanmoins, le moulage par injection reste le moyen le plus rentable de fabriquer des plastiques, et ce d'autant plus avec le PEEK. Travailler avec ce matériau implique que la machine fonctionne à la limite de sa plage de températures. Il est donc essentiel de protéger les composants de l'équipement contre les dommages thermiques et les contraintes. Cela nécessite l'utilisation de métaux et d'isolants de haute qualité. Le PEEK est moulé dans le même type de presses à injecter que les plastiques plus courants. Cependant, ces presses doivent être parfaitement adaptées aux exigences spécifiques du PEEK. Une machine standard ne convient donc pas. Pour être adaptée au traitement du PEEK, une presse à injecter doit atteindre environ 400 °C ± 50 °C. Dans le cas contraire, des modifications sont nécessaires. Ces modifications visent à augmenter la capacité de chauffage du thermocouple. Les résistances sont également remplacées par des résistances en céramique. L'utilisation de couvertures isolantes permet de contenir la chaleur et d'atteindre plus rapidement des températures plus élevées. Cela isole le fût, empêchant la chaleur produite de s'accumuler et accélère la montée en température. On réduit ainsi la consommation d'énergie et, par conséquent, les coûts.
La répartition de la température le long du cylindre est également cruciale, tout comme la température du polymère fondu lors de son passage dans les canaux d'alimentation et dans le moule. Cette répartition commence dès l'alimentation. L'alimentation doit rester suffisamment froide pour éviter la formation de ponts, une restriction d'écoulement due à la fusion prématurée du polymère dans la zone d'alimentation. Si cela se produit, les granulés adhéreront à la gorge d'alimentation au lieu de progresser.
La température du matériau fondu doit se maintenir entre 170 et 200 °C environ plus bas dans le tube. Dans le moule, la situation est différente. C'est là que le refroidissement a lieu. Il est important que le refroidissement de la pièce soit uniforme, c'est-à-dire que certaines parties refroidissent plus rapidement que d'autres. La vitesse de refroidissement influe sur la cristallinité, ce qui peut entraîner un mélange de régions amorphes et cristallines au sein d'un même produit. Ce phénomène se traduit souvent par une coloration irrégulière. L'image ci-dessous illustre ce type de décoloration.
Chez Gates, plus c'est gros, mieux c'est.
Le polymère fondu pénètre dans le moule par les points d'injection. Souvent négligés, ces points jouent pourtant un rôle crucial dans la formation de la pièce. Ils déterminent le flux de polymère fondu dans le moule et, par conséquent, le profil de refroidissement. Ceci est particulièrement important pour un polymère comme le PEEK, qui présente un fort retrait. Un point d'injection plus large permet à une plus grande quantité de polymère fondu de pénétrer dans le moule simultanément, favorisant ainsi une chute de température plus uniforme. Il en résulte un retrait plus homogène et, par conséquent, une meilleure qualité de pièce. Bien que réputés adaptés à de nombreuses applications, les points d'injection sous-marins sont peu performants pour le PEEK. Les points d'injection à languette, en éventail ou à bord sont plus adaptés au moulage par injection du PEEK. Il convient également de prendre en compte d'autres facteurs influençant les spécifications des points d'injection, tels que le nombre d'empreintes du moule et le type de système d'alimentation.
Rétrécissement
La plupart des plastiques se rétractent légèrement lors du refroidissement. Cette variation de volume, du passage de l'état fondu à l'état solide, est généralement prise en compte dans la conception des moules. La rétraction se complexifie lorsqu'elle est anisotrope. Autrement dit, le matériau se rétracte différemment selon les directions. La pression est appliquée pendant le refroidissement en maintenant le moule sous pression. Ceci garantit des surfaces et une géométrie uniformes. En cas de rétraction anisotrope, il convient d'appliquer la pression en tenant compte de la direction de rétraction. Ainsi, lors de la conception de moules pour le PEEK, il est essentiel de considérer cette rétraction anisotrope.
Matériaux de fabrication des machines
Lorsqu'on travaille à une température aussi élevée, les pièces en contact avec le polymère fondu doivent être de haute qualité. Le cuivre et ses alliages ne sont pas utilisés pour le moulage par injection du PEEK, même s'ils peuvent convenir à la transformation de polymères à point de fusion plus bas comme le polyéthylène. Ils sont en effet sensibles à la corrosion à haute température. L'acier inoxydable de haute qualité est idéal pour le moulage par injection du PEEK, et ce d'autant plus pour la vis et le cylindre, qui sont en contact plus long avec le polymère fondu que toute autre pièce de la machine. Il est également important de maintenir des surfaces lisses et bien polies, garantissant ainsi une bonne fluidité du polymère fondu. Pour un polymère aussi résistant et à point de fusion élevé, la viscosité a tendance à être plus faible, contrairement aux polymères à point de fusion plus bas qui nécessitent moins de chaleur pour atteindre une faible viscosité. Avec un matériau plus visqueux, des parois lisses offrent la plus faible résistance à l'écoulement.
Séchage
Le PEEK présente une excellente résistance à l'eau et à d'autres solvants. Cependant, l'humidité ambiante peut se déposer à sa surface. Toute humidité accumulée lors du stockage se vaporisera pendant la transformation. À des températures aussi élevées, la présence de poches d'air dans le polymère fondu est à éviter. Il est donc recommandé de sécher le PEEK jusqu'à un taux d'humidité inférieur à 0,02 %. Ce résultat est obtenu par un séchage à environ 160 °C dans une étuve à circulation d'air pendant 2 à 3 heures.
Résidus et contaminants
À haute température, les matériaux autres que le PEEK se dégradent. Si la machine traite d'autres plastiques, des résidus peuvent apparaître. Les plastiques à point de fusion plus bas se dégradent également, provoquant l'apparition de points noirs sur les pièces. Ceci nuit à l'aspect et à la qualité et peut entraîner leur rejet. Pour éviter cela, chaque élément de l'équipement doit être nettoyé avant le lancement de la production de PEEK. Cela inclut le démontage de la vis et le nettoyage de la vis et du cylindre. Ces pièces, les plus chaudes, nécessitent une attention particulière. Les autres pièces, comme la buse, les canaux d'alimentation et les moules, doivent également être nettoyées. Dans la mesure du possible, il est recommandé de dédier la presse à injection exclusivement au PEEK, ainsi que les autres machines de traitement auxiliaires, comme le broyeur. Dédier la ligne entière au PEEK réduit considérablement les risques de contamination.
Surmoulage avec PEEK
Le PEEK est un plastique rigide à sa température de service. C'est un matériau de choix pour le surmoulage. Il constitue un excellent substrat. Il forme un noyau robuste sur lequel on peut ensuite surmouler un matériau plus souple ou à point de fusion plus bas. Sa température de ramollissement élevée offre un plus large choix de plastiques pour le surmoulage, avec une plus grande variété de températures de fusion. Cela signifie qu'un plus grand nombre de matériaux conviennent au surmoulage.
Certains produits PEEK moulés par injection
Les applications du PEEK sont nombreuses, allant du médical à l'aérospatiale en passant par la mécanique. Vous trouverez ci-dessous une liste non exhaustive de ses applications. La plupart des pièces sont moulées par injection (les tubes et les profilés sont généralement obtenus par extrusion).
- Implants orthopédiques
- Implants dentaires
- Dispositifs chirurgicaux
- dispositifs médicaux
- prothèse de hanche
- Implants rachidiens
- Remplacement/réparation des articulations des doigts
- Tubes
- Isolation électrique
- Profils
Conclusion
La transformation du PEEK s'effectue sur des presses à injecter classiques. Cependant, ces dernières doivent être modifiées pour être adaptées au PEEK. Des précautions supplémentaires garantissent le bon déroulement du processus : un contrôle précis de la température, des points d'injection de grande taille et des matières premières propres et sèches en sont quelques exemples. Il est à noter que les exigences de transformation dépendent également de la qualité du PEEK utilisé.
Liens de référence
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