Hochfeste Kunststoffe werden immer häufiger verwendet, da Ingenieure in der Hochtechnologiebranche vor der doppelten Herausforderung stehen, durch den Verzicht auf Metalle Gewicht zu sparen und gleichzeitig die Lebensdauer der Komponenten, aus denen sie hergestellt werden, zu verlängern.
Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und in der Raumfahrtausrüstung werden angesichts der Bedeutung von geringem Gewicht und kompromissloser Zuverlässigkeit besonders sorgfältig geprüft. In der chemischen Verarbeitung sowie in der Öl- und Gasindustrie, wo ein Ausfall von Anlagen kostspielige Produktionsunterbrechungen bedeutet, ist das geringe Gewicht in Verbindung mit der Beständigkeit gegen stark korrosive Betriebsumgebungen ein großer Vorteil, den hochfeste Kunststoffe im Vergleich zu Metallen bieten können. Eine geringere physische Belastung der zueinander passenden Komponenten kann auch den Reibungsverschleiß reduzieren und die Lebensdauer über die Möglichkeiten selbst geschmierter Metalle hinaus verlängern.
Torlon PAI hat das höchste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht unter den schmelzverarbeitbaren Polymeren
Unter den starken, leichten thermoplastischen Polymeren, die durch Spritzgießen und Extrusion schmelzverarbeitet werden können, steht ungefülltes oder „reines“ Torlon PAI mit dem besten Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht an der Spitze. Ein wesentlicher Vorteil aller Grades ist die Fähigkeit, ihre Festigkeit bei hohen Temperaturen beizubehalten, bei denen die physikalischen Eigenschaften anderer Polymere schnell nachlassen. Die verschiedenen faserverstärkten sowie die Lager- und Verschleißtypen von Torlon PAI bieten eine noch höhere Festigkeit als die ungefüllten Typen.
Wichtige mechanische Eigenschaften von Torlon PAI
Die verschiedenen Grade von Torlon PAI zeichnen sich im Vergleich zu PEEK und Ultem PEI, zwei anderen Polymeren, die häufig für diese Eigenschaften in Betracht gezogen werden, durch die wichtigsten Eigenschaften aus, die Festigkeit und Steifigkeit definieren (Tabelle 1).
Der Biegemodul von ungefülltem Torlon 4203 beträgt 5.030 MPa (730.000 psi) und übertrifft damit den von ungefülltem PEEK um über 35%. In Grades, die mit 30% Glas- oder Kohlefasern verstärkt sind, liegen die PAI-Werte von Torlon mehr als 13% über denen von PEEK. Im Vergleich zu einem anderen mit 30% Glasfasern verstärkten Polymer übertrifft der Biegemodul von Torlon 5030 PAI mit 11.700 MPa (1.300.000 psi) den von Ultem 2300 PEI mit 9.000 MPa (1.300.000 psi).
Die Druckfestigkeit ist eine entscheidende Eigenschaft für Anwendungen, die hohen Punktbelastungen ausgesetzt sind. Im Vergleich zu 30 % glasfaserverstärkten Typen ist die Druckfestigkeit von Torlon 5030 über 55 % höher als die von GF30 PEEK und 19,5 % höher als die von Ultem 2300.
Die Zugfestigkeit ist eine weitere wichtige physikalische Eigenschaft, bei der Torlon PAI über ein ganzes Spektrum von Graden hinweg eine bessere Leistung als PEEK, Ultem PEI und PPS zeigt.
Torlon PAI behält seine Festigkeit bei erhöhten Temperaturen bei
Bei extremen Temperaturen behält Torlon PAI eine Festigkeit und Steifigkeit bei, die über die Möglichkeiten anderer Thermoplaste hinausgeht. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für Komponenten in Düsentriebwerken, Raketenantriebssystemen und Halbleiterherstellungsprozessen, die ihre strukturelle Integrität in Umgebungen mit hohen Temperaturen aufrechterhalten müssen.
Technische Anmerkung: Die Glasübergangstemperatur (Tg) oder der Erweichungspunkt eines Materials ist nützlich, um die Beibehaltung der Festigkeit und Steifigkeit von Hochleistungsthermoplasten bei extremen Temperaturen zu vergleichen. Die Tg von Torlon PAI liegt bei 280º. C (536° F). Zum Vergleich: Die Tg von PEEK beträgt 150º C, und der höchsttemperaturbeständige PEEK-Grad hat eine Tg von 170º C. Ultem PEI, ein weiteres modifiziertes Polyimid, hat eine Tg von 218º C, immer noch deutlich unter dem von Torlon PAI (Tabelle 1).
Kriechbeständigkeit, hohe Tg und niedrige CLTE tragen zur Dimensionsstabilität von Torlon PAI bei
Torlon PAI ist bekannt für seine Widerstandsfähigkeit gegen Kriechen oder Verformung unter Belastung im Laufe der Zeit, insbesondere bei sehr hohen Temperaturen. Diese Eigenschaft des Materials kann mit seiner Druckfestigkeit und Tg in Verbindung gebracht werden, zwei weiteren Eigenschaften, bei denen sich Torlon PAI ebenfalls auszeichnet. Die Kriechbeständigkeit von Torlon PAI ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die ihre strukturelle Festigkeit unter hohen physikalischen Belastungen und extremen Temperaturen langfristig erhalten müssen.
Technische Anmerkung: Der niedrige lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von Torlon PAI in allen Grades ist ein Vorteil für Anwendungen, die extremen Betriebstemperaturschwankungen ausgesetzt sind. Er ist besonders wichtig für Dichtungs- und Strukturkomponenten in kryogenen Ausrüstungen für Antriebssysteme, bei denen die genauen Abmessungen bei extremen Temperaturschwankungen eingehalten werden müssen.
Torlon PAI hat eine hohe Festigkeit sowie Lager- und Verschleißbeständigkeit
Ungefülltes Torlon PAI von Syensqo (ehemals Solvay) bietet von Natur aus eine hohe Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Reibungsverschleiß bei zusammenpassenden Komponenten. Einige Grades enthalten außerdem Additive, die die Lebensdauer verlängern und die mechanische Festigkeit erhöhen.
Zur Unterstützung der Kunden bei bestimmten Grades, die von Syensqo nicht mehr angeboten werden, stellt Drake Plastics hochfeste Lager- und Verschleißformulierungen aus 100% Torlon PAI-Kunststoff her und bietet sie als spanend bearbeitete halbfertige Kunststoffe und spritzgegossene Teile an. Sie basieren auf den ursprünglichen Graden von Syensqo und wurden gemeinsam mit dem Hersteller der Kunststoffe entwickelt.
Torlon 4301 PAI ist ein hochmoduliges Polyamide-imide mit Graphit und PTFE für verbesserte Verschleißfestigkeit. Dieser universell einsetzbare Lager- und Verschleißtyp von Torlon PAI bietet ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Schlagzähigkeit. Es bietet eine 10-mal höhere Verschleißfestigkeit als das unverstärkte Torlon 4203 und hat eine CLTE, die der vieler Metalle nahe kommt.
Torlon 4275 PAI hat eine Graphit- und PTFE-Formulierung, die unter den meisten PV-Bedingungen eine geringere Verschleißrate als Torlon 4301 PAI ergibt. Seine Lager- und Verschleißleistung im Vergleich zu Torlon 4301 ist besonders bei hohen PVs bemerkenswert, was es zu einer häufigen Wahl für Hochgeschwindigkeitsanwendungen macht.
Drake 4435 PAI, das früher von Syensqo als Torlon 4435 PAI angeboten wurde, enthält neben PTFE auch Kohlefasern aus Graphit, die seine strukturelle Festigkeit erhöhen. Es wird häufig für Gleitverschleißanwendungen spezifiziert. Der Hochmodul-Typ weist unter den meisten PV-Bedingungen einen geringen Verschleiß auf und schneidet bei hohen PVs sehr gut ab. Seine Wärmeausdehnungsrate (CLTE) ist auch die niedrigste unter den PAI-Verschleißtypen.
Drake 4630 PAI, ehemals Torlon 4630 PAI, übertrifft alle anderen PAI-Grade in Bezug auf die Verschleißfestigkeit bei ungeschmierten Anwendungen mit hohem PV. Die firmeneigene Kombination aus Graphit und PTFE sorgt für den geringsten Verschleiß bei Geschwindigkeiten von mehr als 100 Fuß pro Minute (FPM) und zeigt selbst bei PVs von über 150.000 psi-FPM eine gute Leistung.
Drake 4645 PAI, das früher als Torlon 4645 PAI angeboten wurde, steht der Sorte 4630 in Sachen Verschleißfestigkeit in nichts nach, ist aber eine besonders gute Option für Anwendungen mit hohem PV, die zur Wärmeableitung von außen geschmiert werden. Mit seiner proprietären Kohlefaser- und PTFE-Formulierung hat sich Drake 4645 PAI bei PVs von 600.000 psi-FPM bewährt.
Chemikalien- und Strahlungsbeständigkeit von Torlon PAI
Thermoplastische Anwendungen in der High-Tech-Industrie sind oft harten Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die die Eigenschaften beeinträchtigen können. Torlon PAI hat seine Fähigkeit bewiesen, vielen dieser Bedingungen standzuhalten.
Zu den Anwendungen gehören Struktur-, Lager- und Verschleißteile für weltraumgestützte Satelliten, die unter Strahlungseinfluss langfristig zuverlässig sein müssen. Torlon PAI Typen werden auch für hochfeste Komponenten spezifiziert, die in der Halbleiterfertigung Plasma und Chemikalien ausgesetzt sind. Dichtungen, Ventilsitze und ähnliche Lager-, Verschleiß- und Strukturkomponenten aus Torlon PAI bieten auch langfristige Zuverlässigkeit in Öl- und Gasanlagen.
Wie bei jedem Material können die Anwendungsvariablen, wie z.B. die chemische Konzentration, die Temperaturen und die Beanspruchung durch die angewandten Lasten, stark variieren. Es gibt zwar Richtlinien, aber es ist wichtig, dass Anwendungen für jedes Material, einschließlich Torlon PAI, getestet werden, um die Leistung unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen zu überprüfen.
Anwendungen von Torlon PAI
Eine Familie von Torlon PAI-Grades von Syensqo, dem weltweit führenden Hersteller von PAI-Kunststoffen, bietet einzigartige Eigenschaftsprofile für verschiedene Anwendungen, die langfristig unter einer Vielzahl von extremen Bedingungen funktionieren müssen. Die ultrahohen Leistungsfähigkeiten dieser Formulierungen haben dazu geführt, dass sie als Ersatz für Metalle verwendet werden, insbesondere dort, wo geringes Gewicht und Langlebigkeit in rauen Umgebungen wichtige Faktoren sind. Die Entwicklung außergewöhnlich großer extrudierter Stangendurchmesser, Plattenstärken und nahtloser, starrer Rohr-AD/ID-Kombinationen durch Drake Plastics hat auch den Anwendungsbereich verschiedener Torlon PAI-Grade in spanend bearbeiteten Teilen erweitert.
Zu den wichtigsten Anwendungen für das hochfeste moderne Polymer in spritzgegossener und bearbeiteter Form gehören:
Luft- und Raumfahrt und Raumfahrzeugausrüstung
Die Umgebung für Ausrüstungskomponenten kann von kryogenen Bedingungen bis hin zu extrem hohen Temperaturen reichen und hohe Belastungen sowie den Kontakt mit Hydraulikflüssigkeiten, Düsentreibstoffen, Raketentreibstoffen und anderen korrosiven Chemikalien beinhalten. Torlon PAI hat zahlreiche strukturelle und Lager- und Verschleißanwendungen, die unter diesen Bedingungen gut funktionieren, darunter Lager, Buchsen, Dichtungen und Befestigungselemente.
Halbleiterherstellung und Testausrüstung
Anwendungen in dieser Branche profitieren von der Dimensionsstabilität, der Druckfestigkeit, der Beständigkeit gegen Prozesschemikalien und Plasma sowie der Festigkeit bei hohen Temperaturen von Torlon PAI. Die verschiedenen faserverstärkten und ungefüllten Grade des ultrahochleistungsfähigen Polymers eliminieren auch das Risiko einer metallischen Verunreinigung. Typische Anwendungen sind Testfassungen, Kammersonden, Wafer-Handling-Werkzeuge und -Vorrichtungen.
Öl & Gas Ausrüstung
Torlon PAI eignet sich hervorragend für die heiße, korrosive und unter hohem Druck stehende Bohrlochumgebung, in der eine längere Funktionsdauer der Komponenten eine höhere Produktivität durch weniger Abschaltungen für Reparaturen und Austausch bedeutet. Zu den Anwendungen von Torlon PAI in dieser anspruchsvollen Umgebung gehören Strukturkomponenten, Dichtungen und Ventilsitze sowie eine Reihe anderer Lager- und Verschleißkomponenten.
Torlon PAI kann maschinell bearbeitet oder spritzgegossen werden
Die Verfügbarkeit von Torlon PAI als Kunststoffe in Granulatform und in einer breiten Palette von Abmaßen und Formen bedeutet, dass Torlon PAI Typen in eine unbegrenzte Anzahl von Bauteilkonfigurationen umgewandelt werden können.
Die Entwicklung außergewöhnlich großer Durchmesser von extrudierten Stäben, Plattenstärken und nahtlosen starren Rohr-AD/ID-Kombinationen durch Drake Plastics hat auch den Anwendungsbereich der verschiedenen Torlon PAI-Grade in spanend bearbeiteten Teilen erweitert.
Das Spritzgegießen ist in der Regel am praktischsten für die Produktion großer Mengen. Durch die Bearbeitung von Halbzeugen lassen sich komplexere und präzisere Toleranzen erzielen. Es eignet sich auch gut für Produktionsmengen, die eine Investition in spritzgegossene Werkzeuge nicht rechtfertigen. Ohne die Notwendigkeit von Werkzeugänderungen können Prototypenteile zum Testen von Designänderungen auch in kurzer Zeit bearbeitet werden. Darüber hinaus können durch die Nachbearbeitung von spritzgegossenen Teilen Merkmale hinzugefügt werden, die mit Spritzgusswerkzeugen nicht zu realisieren sind.
Beide Produktionsmethoden können in Verbindung mit den Eigenschaften von Torlon PAI komplexe Präzisionsteile ergeben, deren Festigkeit mit der einiger Metalle mithalten kann. Jede Methode hat ihre spezifischen Eigenschaften:
Effizienz: Beim spritzgegossenen Werkzeug werden die Designmerkmale in die Werkzeuge integriert. Die Teile, die aus der Form ausgeworfen werden, erfordern in der Regel nur wenige oder gar keine Nachbearbeitungen. Die Hochgeschwindigkeits-CNC-Bearbeitung eines Teils erfolgt automatisch in mehreren Schritten. Bei entsprechenden Produktionsmengen oder aus Gründen der Komplexität der Teile kann die maschinelle Bearbeitung jedoch eine rentablere Produktionsmethode sein als die für das Spritzgießen erforderliche Investition in Werkzeuge.
Das Spritzgiessen minimiert auch den Materialverbrauch pro Teil im Vergleich zur maschinellen Bearbeitung. Der Materialverlust bei der Bearbeitung kann jedoch durch die Verwendung einer effizienten Abmessung der Halbzeuge im Verhältnis zur Konfiguration des fertigen Teils minimiert werden.
Drake Plastics stellt beispielsweise Torlon PAI-Teile im Spritzgegießen und in der spanenden Bearbeitung her. Das Unternehmen maximiert die Materialeffizienz bei der Bearbeitung für den eigenen Betrieb und den seiner Kunden, indem es eine außergewöhnlich große Auswahl an Abmessungen von Torlon PAI Stangen, Platten und Rohren extrudiert. Es bietet auch kundenspezifische Abmessungen an. Diese Fähigkeit trägt zu einem ausgewogenen Kostenverhältnis zwischen Spritzgießen und spanabhebender Bearbeitung bei und kann die Notwendigkeit von Investitionen in spritzgegossene Produktionswerkzeuge aufschieben oder überflüssig machen.
Teile mit gleichbleibend präzisen Toleranzen und reproduzierbarer Qualität
Spritzgegossen und maschinell bearbeitet werden Komponenten in allen Grades von Torlon PAI mit konstanten Abmessungen und präzisen Toleranzen. Die maschinelle Bearbeitung ist bei den Präzisionstoleranzen, die erreicht werden können, im Vorteil. In einigen Fällen wird die maschinelle Bearbeitung auch eingesetzt, um einem spritzgegossenen Teil Präzisionsmerkmale hinzuzufügen.
Das Design von Werkzeugen kann Funktionen hinzufügen, die den Austausch von Metall erleichtern
Mit einem fähigen Werkzeugbauer können Werkzeuge für spritzgiessen Einsätze und andere Merkmale entworfen werden, die Torlon PAI Komponenten Struktur und Funktionalität verleihen. Dieselben Merkmale können auch spanend bearbeiteten Teilen in einem Nachbearbeitungsschritt hinzugefügt werden. In beiden Fällen tragen diese zusätzlichen Merkmale dazu bei, dass die Teile das geringere Gewicht sowie die Verschleiß- und Umweltbeständigkeit von Torlon PAI gegenüber Metallen aufweisen, ohne die erforderliche strukturelle Festigkeit zu beeinträchtigen.
Torlon PAI bietet mehrere Leistungsvorteile für hochfeste Anwendungen
Torlon PAI Typen kombinieren hohe Festigkeit mit Dimensionsstabilität, Lager- und Verschleißeigenschaften und Umweltbeständigkeit bei Temperaturen, die die Möglichkeiten anderer Thermoplaste übersteigen. Das als spritzgegossene Pellets und maschinell bearbeitbare Formen erhältliche Ultra-Hochleistungspolymer lässt sich in praktisch unbegrenzte Teilekonfigurationen verwandeln. Seine Eigenschaften haben dazu geführt, dass es für Komponenten spezifiziert wurde, die unter extremen Bedingungen zuverlässig und langfristig funktionieren müssen.
Torlon PAI hat eine höhere strukturelle Steifigkeit bei ungefüllten und faserverstärkten Typen, gemessen am Biegemodul aller drei Materialien.
Tg ist die Temperatur, bei der ein Material erweicht. Sie ist besonders wichtig für Strukturkomponenten, die auch nur kurzzeitig hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Die Tg von Torlon PAI ist höher als die aller schmelzverarbeitbaren Thermoplaste.
Im Rahmen einer Vereinbarung mit Syensqo, dem Hersteller von PAI-Kunststoffen, mischt Drake bestimmte PAI-Grade unter Verwendung von 100% Torlon-Kunststoffen. Dies ermöglicht es den Kunden, die Verfügbarkeit der speziellen PAI-Kunststoffe beizubehalten, nachdem Syensqo die Produktion eingestellt hat.
Aufgrund seiner Strahlungsbeständigkeit und seiner Leistungsfähigkeit bei kryogenen und sehr hohen Temperaturen wurde Torlon PAI bereits erfolgreich in Weltraumteleskopsystemen sowie in Satelliten- und Raketenantriebsanlagen eingesetzt.
Halbzeuge in ungefüllten, tragenden und verschleiß- und faserverstärkten Qualitäten aus 100% Torlon Kunststoffen sind unter den Marken Torlon PAI und Drake PAI erhältlich. Drake Plastics ist ein führender Polymerextruder, der zahlreiche Abmessungen von Stäben und Platten sowie Seamless Tube® in vielen OD/ID-Kombinationen auf Lager hat.