Tworzywa konstrukcyjne zamiast metalu?

W 2013 roku Piotr Kamiński z Danje-Polymer opublikował w „PlastNews” artykuł „Tworzywo sztuczne – młodszy brat metalu”. Opisywał w nim materiały, które mogą odprowadzać ładunki elektrostatyczne, ekranować zakłócenia elektromagnetyczne, przewodzić ciepło lub pracować w wymagających elementach konstrukcyjnych. Po ponad dekadzie warto wrócić do postawionego wówczas pytania: kiedy tworzywo może przejąć funkcję metalowego elementu?

Odpowiedź zależy od zadania, jakie ma wykonać gotowa część. Sama niższa masa czy możliwość uzyskania skomplikowanego kształtu nie wystarczą. Materiał musi spełnić wymagania elektryczne, cieplne i mechaniczne w rzeczywistych warunkach pracy, a projekt części musi uwzględniać właściwości konkretnego gatunku.

Gdy trzeba kontrolować ładunki lub chronić elektronikę

Większość standardowych tworzyw jest dobrymi izolatorami elektrycznymi. Odpowiednie dodatki pozwalają jednak uzyskać materiały o innych właściwościach: antystatyczne, rozpraszające ładunki, przewodzące elektrycznie lub przeznaczone do ekranowania zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).

To różne zadania. Ograniczenie gromadzenia ładunku na powierzchni, kontrolowane odprowadzanie ładunków i ekranowanie elektroniki wymagają odmiennych parametrów materiału oraz często odmiennego projektu części. Przykładowo rodziny LNP™ STAT-LOY™, STAT-KON™ i FARADEX™ odpowiadają na różne potrzeby w tym obszarze. W materiałach FARADEX™ sieć przewodzących włókien umożliwia ekranowanie EMI/RFI w odpowiednio zaprojektowanych częściach.

Co sprawdzić? Wymaganą rezystancję lub rezystywność, warunki pomiaru, skuteczność ekranowania w istotnym zakresie częstotliwości oraz wpływ geometrii, połączeń i warunków użytkowania. W przypadku urządzeń przeznaczonych do stref zagrożonych wybuchem dobór tworzywa jest tylko jednym z elementów oceny bezpieczeństwa całego wyrobu.

Gdy ciepło trzeba odprowadzić, a prąd odizolować

Artykuł Piotra Kamińskiego przywoływał oprawy LED jako przykład, w którym zarządzanie ciepłem otwiera nowe możliwości dla tworzyw. To nadal aktualne wyzwanie. Ciepło wytwarzane przez elektronikę trzeba przekazać dalej, a jednocześnie zachować wymaganą izolację elektryczną i swobodę projektowania obudowy.

Wśród tworzyw termoprzewodzących są zarówno gatunki elektroizolacyjne, jak i elektroprzewodzące. Rodzina LNP™ KONDUIT™ obejmuje materiały przeznaczone do takich zastosowań; producent podaje dla niej przewodność cieplną rzędu 1–18 W/(m·K), zależnie od gatunku. Nie jest to więc jedna uniwersalna wartość dla każdego tworzywa termoprzewodzącego.

Co sprawdzić? Przewodność cieplną konkretnego gatunku i kierunek jej pomiaru, wymaganą izolacyjność elektryczną, temperaturę pracy, wymagania palności oraz skuteczność odprowadzania ciepła w gotowym detalu. Przy porównaniu z metalem znaczenie ma cały projekt: kształt, grubość ścianek, powierzchnia oddawania ciepła i sposób montażu.

Gdy liczą się masa, trwałość i swoboda projektowania

Zastąpienie metalu tworzywem może zmniejszyć masę części, pozwolić połączyć kilka funkcji w jednym detalu lub ograniczyć liczbę operacji montażowych. Dotyczy to jednak wybranych zastosowań, a nie każdego elementu metalowego.

W zależności od wymagań projektant może rozważyć tworzywa wzmacniane włóknami, materiały o wysokiej odporności cieplnej, takie jak PEI, lub gatunki modyfikowane pod kątem tarcia i zużycia. Przykładowo rodziny LNP™ THERMOCOMP™ oraz LNP™ LUBRICOMP™ oferują różne sposoby dostosowania właściwości części do obciążeń mechanicznych i warunków współpracy z innymi powierzchniami.

Co sprawdzić? Obciążenia krótkotrwałe i długotrwałe, pełzanie, zmęczenie, temperaturę i środowisko pracy, tolerancje wymiarowe oraz wymagania branżowe. Wynik badania jednego gatunku lub jednej części nie powinien być przenoszony na wszystkie materiały z tej samej rodziny.

Ta sama myśl, bardziej precyzyjny dobór

Tytuł sprzed lat pozostaje trafną zachętą do myślenia o nowych rozwiązaniach. Tworzywo może w niektórych projektach zastąpić metal, ale może też współpracować z nim w jednym urządzeniu. O wyborze rozstrzyga funkcja części i zestaw wymagań, a o powodzeniu wdrożenia — dobór konkretnego gatunku oraz weryfikacja prototypu.

W Danje-Polymer pomagamy przełożyć wymagania aplikacji na możliwe kierunki doboru tworzywa i wskazać parametry, które warto sprawdzić przed wdrożeniem. Jeśli rozważasz zmianę materiału, opisz nam zastosowanie, warunki pracy i najważniejsze wymagania dla detalu.

Artykuł nawiązuje do publikacji Piotra Kamińskiego „Tworzywo sztuczne – młodszy brat metalu”, „PlastNews”, nr 1/2013. Niniejszy tekst jest współczesnym rozwinięciem jej tematu, a nie przedrukiem oryginału.