Täiustatud tehniliste materjalide valdkonnas on polüeetri eeterketoon (PEEK) suure jõudlusega polümeeride etalon – ja sellest erakordsest materjalist valmistatud PEEK-töödeldud osad on muutunud hädavajalikuks tööstusharudes, kus töökindlus, vastupidavus ja vastupidavus ekstreemsetele tingimustele on vaieldamatud. Erinevalt tavalistest plastidest või isegi muudest tehnilistest polümeeridest (nagu nailon või atsetaal) pakub PEEK ületamatut kombinatsiooni termilise stabiilsuse, keemilise vastupidavuse, mehaanilise tugevuse ja biosobivuse vahel. See muudab PEEK-iga töödeldud osad ideaalseks kasutamiseks kosmose-, auto-, meditsiini-, nafta- ja gaasi- ning elektroonikasektoris – kus komponendid peavad taluma kõrgeid temperatuure, karme kemikaale, suuri koormusi või steriilset keskkonda. Alates täppistöötlusega kosmosesõiduki kinnitusdetailidest kuni bioühilduvate meditsiiniliste implantaatideni – PEEK-i töödeldud osad ületavad lõhet materjaliteaduse ja tööstusliku nõudluse vahel, pakkudes lahendusi, mis ületavad traditsioonilisi metalle ja plastmassi. See põhjalik juhend uurib PEEK-iga töödeldud osade kõiki aspekte, alates PEEK-vaigu ainulaadsetest omadustest kuni tootmistehnikate, rakendusspetsiifiliste disainide, kvaliteedikontrolli ja tulevikutrendideni, selgitades, miks just need materjalid on tipptasemel tööstuslike rakenduste jaoks valitud.

　　1. PEEKi teadus: miks see on suure jõudlusega polümeer

　　PEEK-iga töödeldud osade paremuse mõistmiseks on oluline esmalt lahti pakkida PEEK-vaigu – poolkristallilise termoplastilise polümeeri, millel on ainulaadne molekulaarstruktuur ja mis annab sellele erakordsed jõudlusnäitajad – loomupärased omadused. 1980. aastatel Victrex PLC poolt välja töötatud PEEK on sellest ajast peale saanud suure jõudlusega polümeeride kuldstandardiks tänu oma võimele säilitada funktsionaalsust ka kõige nõudlikumates keskkondades.

　　1.1 PEEK-vaigu põhiomadused: suure jõudlusega osade alus

　　PEEKi molekulaarstruktuur, mis koosneb korduvatest eetri- ja ketoonirühmadest, annab sellele hulga omadusi, mis eristavad seda tehniliste materjalide hulgas:

　　1.1.1 Erakordne termiline stabiilsus

　　PEEK-il on märkimisväärne vastupidavus kõrgetele temperatuuridele, pidev töötemperatuur kuni 260 °C (500 °F) ja sulamistemperatuur ligikaudu 343 °C (650 °F). See tähendab, et PEEK-iga töödeldud osad võivad töökindlalt töötada keskkondades, kus tavalised plastid sulavad, kõverduvad või lagunevad – näiteks lennukimootorite, autode väljalaskesüsteemide või tööstuslike ahjude läheduses. Isegi äärmuslikel temperatuuridel säilitab PEEK oma mehaanilise tugevuse: pikaajalisel temperatuuril 200 °C (392 °F) kaotab see vaid umbes 20% oma tõmbetugevusest, ületades tunduvalt selliseid materjale nagu nailon (mis kaotab 50% oma tugevusest temperatuuril 100 °C / 212 °F) või alumiinium (mis üle 2 °C pehmendab märkimisväärselt 0).

　　Lisaks on PEEKil suurepärane leegikindlus: see on isekustuv (vastab UL94 V-0 standarditele) ning eraldab tulega kokkupuutel vähe suitsu ja mürgiseid gaase. See muudab PEEK-iga töödeldud osad sobivaks kasutamiseks lennunduses, ühistranspordis ja muudes rakendustes, kus tuleohutus on kriitiline.

　　1.1.2 Suurepärane keemiline vastupidavus

　　PEEK on väga vastupidav paljudele karmidele kemikaalidele, sealhulgas happed, leelised, lahustid, õlid ja kütused – isegi kõrgetel temperatuuridel. Erinevalt metallidest (mis korrodeeruvad) või muudest plastidest (mis lahustuvad või paisuvad), säilitavad PEEK-iga töödeldud osad oma struktuurse terviklikkuse, kui puutuvad kokku:

　　Tugevad happed (nt väävelhape, vesinikkloriidhape) kontsentratsioonis kuni 50%.

　　Tugevad leelised (nt naatriumhüdroksiid) kontsentratsioonis kuni 30%.

　　Orgaanilised lahustid (nt atsetoon, metanool, bensiin, lennukikütus).

　　Tööstuslikud õlid ja määrdeained (nt mootoriõli, hüdrovedelik).

　　See keemiline vastupidavus muudab PEEK-iga töödeldud osad ideaalseks kasutamiseks nafta- ja gaasipuurimisseadmetes (kokkupuutuvad toornafta ja puurimisvedelikega), keemiatöötlemistehastes (söövitavate reagentidega) ja autode kütusesüsteemides (kokkupuutuvad bensiini ja etanooli segudega).

　　1.1.3 Kõrge mehaaniline tugevus ja vastupidavus

　　PEEK ühendab endas kõrge tõmbetugevuse, jäikuse ja löögikindluse isegi kõrgetel temperatuuridel, muutes selle paljudes rakendustes elujõuliseks alternatiiviks metallidele nagu alumiinium, teras või titaan. Peamised mehaanilised omadused hõlmavad järgmist:

　　Tõmbetugevus: 90-100 MPa (13 000-14 500 psi) toatemperatuuril, võrreldav alumiiniumiga.

　　Paindemoodul: 3,8–4,1 GPa (550 000–595 000 psi), tagades konstruktsioonikomponentidele suurepärase jäikuse.

　　Löögikindlus: sälkuga Izodi löögitugevus 8-12 kJ/m², mis muudab selle vastupidavaks äkilistele löökidele või koormustele.

　　Kulumiskindlus: PEEK-il on madal hõõrdetegur (0,3-0,4 terase suhtes) ja kõrge kulumiskindlus, eriti kui see on täidetud tugevdavate materjalidega nagu süsinikkiud või PTFE (polütetrafluoroetüleen). See muudab PEEK-iga töödeldud osad ideaalseks laagrite, hammasrataste ja libisevate komponentide jaoks, mis nõuavad pikka kasutusiga ilma määrimiseta.

　　PEEKil on ka suurepärane väsimuskindlus: see talub tõrgeteta korduvaid tsüklilisi koormusi, mis on kriitiline omadus selliste komponentide jaoks nagu kosmosesõidukite kinnitusdetailid või autode vedrustuse osad, mis kannatavad pidevat pinget.

　　1.1.4 Biosobivus ja steriliseeritavus

　　Meditsiinirakenduste jaoks on PEEKi biosobivus mängu muutja. Selle on heaks kiitnud reguleerivad asutused, nagu FDA (USA Toidu- ja Ravimiamet) ja CE (Conformité Européenne), kasutamiseks siirdatavates meditsiiniseadmetes, kuna see:

　　Ei käivita immuunvastust ega põhjusta kudede äratõukereaktsiooni.

　　On vastupidav inimkehas toimuvale lagunemisele (ei ole leostuvaid toksiine).

　　Saab steriliseerida, kasutades kõiki levinud meditsiinilisi meetodeid, sealhulgas autoklaavimist (auruga steriliseerimine 134°C / 273°F juures), gammakiirgust ja etüleenoksiidi (EtO) steriliseerimist.

　　See muudab PEEK-iga töödeldud osad ideaalseks ortopeediliste implantaatide (nt lülisamba fusioonpuurid, puusaliigese asendamise komponendid), hambaimplantaatide ja kirurgiliste instrumentide jaoks, kus biosobivus ja steriilsus ei ole vaieldavad.

　　1.1.5 Elektriisolatsioon

　　PEEK on suurepärane elektriisolaator, mille mahutakistus on >10¹⁶ Ω·cm ja dielektriline tugevus 25-30 kV/mm. See säilitab oma isolatsiooniomadused isegi kõrgetel temperatuuridel ja niiskes keskkonnas, muutes PEEK-iga töödeldud osad sobivaks kasutamiseks elektri- ja elektroonikaseadmetes – näiteks kõrge temperatuuriga pistikud, trükkplaadi komponendid ja elektrisõidukite (EV) akude isolatsioon. Erinevalt mõnest keraamikast (mis on rabedad) või muudest plastidest (mis kaotavad kõrgel temperatuuril isolatsiooniomadused) ühendab PEEK elektrilise jõudluse mehaanilise vastupidavusega.

　　2. PEEK-iga töödeldud osade tootmisprotsessid: täppistehnoloogia äärmusliku jõudluse saavutamiseks

　　PEEKi ainulaadsed omadused – kõrge sulamistemperatuur, kõrge viskoossus sulas olekus – nõuavad täpsete ja kvaliteetsete osade loomiseks spetsiaalseid tootmisprotsesse. Protsessi valik sõltub osa keerukusest, mahust ja jõudlusnõuetest. Allpool on toodud PEEK-iga töödeldud osade kõige levinumad tootmismeetodid:

　　2.1 Injektsioonvormimine: keerukate osade mahuline tootmine

　　Survevalu on kõige laialdasemalt kasutatav protsess keeruka geomeetriaga suuremahuliste PEEK-töödeldud detailide (nt hammasrattad, pistikud, meditsiinilised komponendid) tootmiseks. Protsess hõlmab:

　　Materjali ettevalmistamine: PEEK vaik (sageli pelletite kujul, mõnikord täidetud tugevdustega nagu süsinikkiud või klaaskiud) kuivatatakse niiskuse eemaldamiseks (niiskusesisaldus peab olema <0,02%, et vältida mullitamist või pragunemist viimases osas).

　　Sulamine ja süstimine: Kuivatatud vaik juhitakse survevalumasinasse, kus see kuumutatakse temperatuurini 360–400 °C (680–752 °F) – tunduvalt üle PEEKi sulamistemperatuuri –, et moodustada sula polümeer. Seejärel süstitakse sula PEEK kõrge rõhu all (100–200 MPa / 14 500–29 000 psi) täppistöödeldud terasest vormiõõnsusse.

　　Jahutamine ja vormimine: vorm jahutatakse temperatuurini 120-180 °C (248-356 °F), et võimaldada PEEK-i kristalliseerumist (poolkristalliline struktuur on mehaanilise tugevuse jaoks kriitiline). Pärast jahutamist vorm avatakse ja osa eemaldatakse.

　　Järeltöötlus: osi võidakse enne kasutamist kärpida (liigse materjali eemaldamiseks), lõõmutamist (sisepingete vähendamiseks ja mõõtmete stabiilsuse parandamiseks) või pinna viimistlemist (nt poleerimist, katmist).

　　Survevalu pakub PEEK-iga töödeldud osadele mitmeid eeliseid:

　　Kõrge täpsus: vormid võivad toota osi, mille tolerants on väike (±0,01 mm väikeste osade puhul), mis on kriitilise tähtsusega kosmose- või meditsiinirakendustes.

　　Suur maht: ideaalne masstootmiseks (10 000+ osa), ühtlase kvaliteediga partiide lõikes.

　　Keerulised geomeetriad: saab toota osi, millel on sisselõige, õhukesed seinad ja keerukad detailid, mida on teiste protsessidega raske saavutada.

　　Kuid survevalu nõuab vormitööriistade jaoks suuri eelkulusid (eriti terasvormide puhul), mistõttu on see väikesemahulise tootmise puhul vähem ökonoomne.

　　2.2 CNC-mehaaniline töötlemine: väikese mahuga ülitäpsed osad

　　Arvutiga arvjuhtimisega (CNC) töötlemine on eelistatud protsess väikesemahuliste PEEK-i töödeldud osade, prototüüpide või keeruka geomeetriaga osade jaoks, mida on raske survevaluvormida (nt suured konstruktsioonikomponendid, kohandatud meditsiinilised implantaadid). Protsess kasutab arvutiga juhitavaid masinaid (veskid, treipingid, ruuterid), et eemaldada materjal tahkest PEEK-plokist (tuntud kui "toorik"), et luua soovitud kuju.

　　Peamised sammud PEEK-i CNC-töötlusel:

　　Materjali valik: Tahked PEEK-toorikud (saadaval lehtede, varraste või plokkidena) valitakse detaili suuruse ja nõuete alusel – täitmata PEEK üldkasutuseks, täidetud PEEK (süsinik-, klaaskiud) tugevuse suurendamiseks.

　　Programmeerimine: detailist luuakse CAD (Computer-Aided Design) mudel ja CAM (Computer-Aided Manufacturing) tarkvara genereerib CNC-masina jaoks tööraja, mis määrab lõiketööriistad, kiirused ja ettenihked.

　　Töötlemine: PEEK toorik kinnitatakse CNC-masina töölauale ja masin kasutab materjali eemaldamiseks spetsiaalseid lõikeriistu (kiirteras või karbiid). PEEKi kõrge sulamistemperatuur nõuab lõikekiiruste (tavaliselt 50–150 m/min) ja etteande hoolikat kontrollimist, et vältida ülekuumenemist (mis võib põhjustada sulamist, väändumist või tööriista kulumist).

　　Viimistlus: Töödeldud osadelt eemaldatakse jämed (teravate servade eemaldamiseks), puhastatakse ja neid võib lõõmutada, et vähendada jääkpingeid.

　　CNC-töötlus pakub PEEK-i töödeldud osadele mitmeid eeliseid:

　　Madalad eelkulud: vormitööriistu pole vaja, mistõttu on see ideaalne prototüüpide või väikeste partiide jaoks (1–1000 osa).

　　Suur paindlikkus: hõlpsasti kohandatav disainimuudatustega – lihtsalt värskendage CAD/CAM-programmi, pole vaja vorme muuta.

　　Tihedad tolerantsid: saavutab kuni ±0,005 mm tolerantsid, sobib täppiskomponentidele, nagu kosmoseandurid või meditsiiniinstrumendid.

　　CNC-töötlemise peamiseks piiranguks on materjali raiskamine – kuni 70% PEEK-toorikust võib keerukate osade puhul eemaldada –, mis teeb selle detaili kohta kallimaks kui suurte mahtude survevalu.

　　2.3 Lisatootmine (3D-printimine): kohandatud, keerulised prototüübid ja osad

　　Lisandite tootmine (AM) ehk 3D-printimine on kujunenud revolutsiooniliseks protsessiks kohandatud PEEK-töödeldud osade – eriti prototüüpide, väikesemahuliste komponentide või keeruka sisestruktuuriga osade (nt meditsiiniimplantaatide võrestruktuurid, kerged kosmosekomponendid) – tootmisel. Kõige tavalisem PEEK-i AM-protsess on sulatatud filamentide valmistamine (FFF) (tuntud ka kui sulatatud sadestamise modelleerimine, FDM), mis hõlmab:

　　Materjali ettevalmistamine: PEEK filament (läbimõõt 1,75 mm või 2,85 mm) kuivatatakse niiskuse eemaldamiseks (kriitilise tähtsusega kihi nakkeprobleemide vältimiseks).

　　3D-printimine: hõõgniit juhitakse FFF 3D-printeri kuumutatud ekstruuderisse (360–400 °C), kus see sulatatakse ja sadestatakse kihthaaval kuumutatud ehitusplaadile (120–180 °C). Printer järgib osa ehitamisel CAD-i loodud mudelit, kusjuures iga kiht seotakse eelmisega.

　　Järeltöötlus: prinditud osad eemaldatakse ehitusplaadilt, puhastatakse ja neid võib lõõmutada (kristallilisuse ja mehaanilise tugevuse parandamiseks), toe eemaldamist (kui osal on üleulatuvad osad) või pinna viimistlemist (nt lihvimist, poleerimist).

　　Lisatootmine pakub PEEK-iga töödeldud osadele ainulaadseid eeliseid:

　　Disainivabadus: suudab toota keeruka geomeetriaga osi (nt sisekanalid, võrestruktuurid), mida on võimatu saavutada survevalu või CNC-töötlusega.

　　Kohandamine: ideaalne ühekordsete osade või isikupärastatud komponentide jaoks, nt kohandatud meditsiiniliste implantaatide jaoks, mis on kohandatud vastavalt patsiendi anatoomiale.

　　Kiire prototüüpimine: lühendab prototüüpide loomiseks kuluvat aega nädalatest (pritsevormimisega) päevadeni, kiirendades tootearendust.

　　3D-prinditud PEEK-osade mehaaniline tugevus on aga tavaliselt madalam kui survevaluga või töödeldud osadel (kihi adhesiooniprobleemide tõttu) ning jõudlusnõuete täitmiseks on vaja spetsiaalseid printereid (võimelised taluma kõrgeid temperatuure) ja järeltöötlust.

　　2.4 Survevormimine: suured paksuseinalised osad

　　Survevalu kasutatakse suurte, paksuseinaliste PEEK-töödeldud detailide (nt tööstuslikud ventiilid, suured hammasrattad või konstruktsioonikomponendid) tootmiseks, mis on survevalu jaoks liiga suured või liiga kallid töödelda. Protsess hõlmab:

　　Materjali ettevalmistamine: PEEK vaik (sageli pulbri või graanulite kujul) asetatakse kuumutatud vormiõõnsusse (180-220°C).

　　Kokkusurumine ja kuumutamine: vorm suletakse ja vaigule rakendatakse rõhku (10-50 MPa / 1450-7250 psi). Seejärel kuumutatakse vorm temperatuurini 360–400 °C, et PEEK sulaks ja kõveneb.

　　Jahutamine ja lahtivõtmine: vorm jahutatakse temperatuurini 120-180 °C ja osa võetakse vormist lahti. Vajalik võib olla järeltöötlus (kärpimine, lõõmutamine).

　　Survevalu on suurte osade puhul kulutõhus ja võimaldab tugevuse suurendamiseks kasutada kõrget tugevdust (nt 60% süsinikkiust täidist), kuid sellel on pikemad tsükliajad kui survevalu puhul ja see ei sobi keerukate geomeetriate jaoks.

　　3. PEEK-i töödeldud osade tüübid: kohandatud vastavalt tööstuse spetsiifilistele vajadustele

　　PEEK töödeldud osad on saadaval laias valikus, millest igaüks on loodud vastama konkreetsete tööstusharude ainulaadsetele nõuetele. Allpool on kõige levinumad kategooriad, mis on korraldatud rakendussektorite kaupa:

　　3.1 Lennunduse ja lennunduse PEEK töödeldud osad

　　Lennundustööstus nõuab komponente, mis on kerged, ülitugevad ning vastupidavad äärmuslikele temperatuuridele ja kemikaalidele, mistõttu on PEEK-iga töödeldud osad ideaalne valik. Levinud kosmoserakendused hõlmavad järgmist:

　　Kinnitusvahendid: PEEK-poldid, mutrid ja seibid asendavad metallist kinnitusvahendeid lennuki sisemuses (nt salongipaneelid, istmed) ja mootoriruumis. PEEK-kinnitused vähendavad kaalu (kuni 50% võrreldes alumiiniumiga), taludes samas temperatuuri kuni 260°C.

　　Laagrid ja puksid: PEEK laagreid (madala hõõrdumise tagamiseks sageli täidetud PTFE-ga) kasutatakse telikutes, mootori ventilaatorites ja juhtimissüsteemides. Need töötavad ilma määrimiseta (oluline kosmosesõiduki jaoks, kus määrdeaine lekkimine võib põhjustada rikkeid) ja on vastupidavad tolmu, prahi ja äärmuslike temperatuuride kulumisele.

　　Elektrilised komponendid: PEEK-pistikuid, isolaatoreid ja trükkplaatide tugesid kasutatakse avioonikasüsteemides (nt navigatsiooni-, sideseadmed). Need säilitavad elektriisolatsiooni kõrgetel temperatuuridel ja taluvad kokkupuudet lennukikütuse ja hüdraulikavedelikega.

　　Konstruktsioonikomponendid: PEEK-i komposiitosi (täidetud süsinikkiuga) kasutatakse kergetes konstruktsioonikomponentides, nagu tiivad, mootorikatted ja sisepaneelid. Need osad pakuvad kõrget tugevuse ja kaalu suhet, vähendades lennuki kütusekulu.

　　Aerospace PEEK töödeldud osad peavad vastama rangetele tööstusstandarditele (nt ASTM D4802 PEEK vaigu jaoks, AS9100 kvaliteedijuhtimiseks), tagades töökindluse ja ohutuse.

　　3.2 Meditsiini ja tervishoiu PEEK töödeldud osad

　　PEEKi biosobivus, steriliseeritavus ja mehaaniline tugevus muudavad selle meditsiiniseadmete juhtivaks materjaliks. Levinud meditsiinilised rakendused hõlmavad järgmist:

　　Ortopeedilised implantaadid: kahjustatud luu- või liigesekoe asendamiseks kasutatakse PEEK-i lülisamba fusioonpuure, puusaliigese vooderdusi ja põlveliigese asendamise komponente. PEEKi elastsusmoodul (3,8 GPa) on sarnane inimese luu omaga (2–30 GPa), vähendades stressivarjestust (tavaline probleem metallimplantaatide puhul, mis võib põhjustada luukadu).

　　Hambaimplantaadid: PEEK hambakroonid, -sillad ja implantaadi tugipostid pakuvad bioloogiliselt ühilduvat alternatiivi metallile või keraamikale. Need on kerged, esteetilised (saab värvida vastavalt loomulikele hammastele) ja vastupidavad närimisel kulumisele.

　　Kirurgilised instrumendid: PEEK-tangid, käärid ja tõmburid kasutatakse minimaalselt invasiivsetes operatsioonides. Need on kerged (vähendavad kirurgi väsimust), steriliseeritavad ja vastupidavad meditsiiniliste desinfektsioonivahendite korrosioonile.

　　Meditsiiniseadmete korpused: PEEK-korpused diagnostikaseadmete (nt MRI-aparaadid, ultrahelisondid) ja kirurgiliste robotite jaoks on vastupidavad steriliseerimisprotsessidele ja säilitavad kliinilises keskkonnas struktuuri terviklikkuse.

　　Meditsiinilise PEEK-iga töödeldud osad peavad vastama rangetele regulatiivsetele nõuetele (nt FDA 21 CFR Part 820, ISO 13485) ning läbima ranged biosobivuse, steriilsuse ja mehaanilise jõudluse testid.