Хотя полимерные технологии в машиностроении развивались на протяжении многих лет, сейчас они переживают период стремительного роста. Благодаря недавним прорывам в области термопластичных композитов и возможности контролировать определенные свойства с помощью специально разработанных составов, многие инженеры-конструкторы начинают применять пластмассы в ранее немыслимых областях. От новых термопластичных композитов до передовых клеев, индустрия проектирования механических систем и систем управления движением вступила в новую «полимерную» эру.
Дэн Седроу, директор по техническим продажам и разработке приложений в компании Ensinger Plastics, сказал: «В ближайшие пять лет применение полимеров в различных компонентах управления движением увеличится в десять раз по сравнению с сегодняшним днем. Полимерная наука внесла огромный вклад в область инженерного проектирования. Хотя применение этой технологии в инженерном проектировании все еще находится на начальной стадии, постоянные технологические прорывы предоставили проектировщикам такой уровень свободы проектирования, который был немыслим еще десять лет назад, и этот импульс не показывает признаков замедления».
Именно поэтому производители полимеров вкладывают значительные средства в новую инфраструктуру для увеличения производственных мощностей. Например, расширение мощностей компании Ensinger охватывает как традиционные полимеры на основе нефти, так и высококачественные биоразлагаемые пластмассы, изготовленные из побочных продуктов деревообработки.
Однако, помимо доступности «более экологичных» пластмасс, использование композитных материалов обеспечивает значительное улучшение общей экологической устойчивости, объясняет доктор Херхтер, вице-президент по развитию бизнеса и маркетингу компании Curbell Plastics, американского дистрибьютора современных пластмасс/пластиковых композитов от таких производителей, как Ensinger, Rocklin, Mitsubishi Chemical Group, DuPont и ITW Performance Polymers.
Херхтер заявил, что новые пластмассы обладают революционной эффективностью благодаря своим беспрецедентным прочностным характеристикам, и при этом они значительно легче металлов.
Помимо использования пластмасс в компонентах, применение метакриловых клеев для соединения металлических (или многих других промышленных материалов) деталей обеспечивает преимущества с точки зрения экологичности по сравнению со сваркой. «Эти клеи быстрее сварки, водостойкие и чрезвычайно прочные», — сообщает Херхтель. «Вы также снижаете риск ржавления со временем, что часто происходит при сварке двух разных металлов. Таким образом, повышается не только эффективность производства, но и сокращается потребность в техническом обслуживании, ремонте и замене в долгосрочной перспективе».
Высокоэффективные пластмассы, такие как Tecapeek от компании Ensinger, обладают превосходными механическими свойствами и химической стойкостью. Они широко используются в различных отраслях промышленности, включая медицину, производство механических компонентов, полупроводников и электроники.
Термопластичные композиты меняют ландшафт отрасли, сочетая высокую прочность с многочисленными преимуществами.
Как заявил доктор Кит Херхтер, вице-президент по развитию бизнеса и маркетингу компании Körbel Plastics, современные термопластичные композиты обладают прочностью и модулем упругости, приближающимися к показателям металлов, при этом их плотность на 40% ниже, чем у алюминия, что позволяет создавать легкие компоненты, сохраняя при этом структурную целостность. Например, полиамидные пластмассы давно используются в шкивах строительных кранов; краны, использующие этот материал, легче, чем краны с металлическими шкивами, и, следовательно, обладают большей несущей способностью. Körbel Plastics является американским дистрибьютором высококачественных пластмасс и пластиковых композитов от таких производителей, как Ensinger, Luckerlin, Mitsubishi Chemical, DuPont и подразделения High Performance Polymers компании Illinois Tool Products Group.
Доктор Херхтель также отметил, что термопластичные композиты можно быстро формовать путем нагрева, что позволяет производителям быстрее изготавливать высокопрочные тонкостенные детали, значительно снижая выбросы углекислого газа по сравнению с ручным процессом укладки, используемым для традиционных стекловолоконных материалов.
Термопласты, наполненные углеродным волокном, представляют собой еще один тип полимерных материалов, обладающих исключительной прочностью и несущей способностью, что позволяет изготавливать сложные геометрические конструкции методом литья под давлением. Доктор Херхтель отметил: «Ранее для изготовления деталей сложной формы требовалось сначала изготовить две или более деталей, которые затем соединялись сваркой или клепкой. Однако новые термопласты можно использовать для литья под давлением, что позволяет создавать эти сложные геометрические конструкции из одной детали, экономя время и энергию на производстве и значительно упрощая процесс проектирования».
Седро далее пояснил, что количество и тип добавляемого наполнителя (углеродное волокно, нанотрубки, кевларовое волокно, стекловолокно, политетрафторэтилен и т. д.) позволяют компаниям-производителям пластмасс контролировать прочность на сжатие, прочность на растяжение, электрические свойства и другие характеристики материала.
В качестве примера можно привести серию термопластичных композитов TECATEC от компании Ensinger. В этой серии продуктов смолы сочетаются с различными специализированными ткаными материалами. «Мы можем комбинировать тканые материалы из углеродного волокна со смолами, такими как поликарбонат, нейлон или полиэтеримид, чтобы соответствовать требованиям к эксплуатационным характеристикам в конкретных областях применения», — сказал Седре.
Эти индивидуальные потребности могут включать в себя требования к материалам, обладающим большей прочностью, или к таким функциям, как рассеивание статического электричества и проводимость. Хотя это кажется чем-то из области фантастики, компания Ensinger разработала материал на основе графитовых биполярных пластин под названием TECACOMP, который демонстрирует превосходную проводимость по сравнению со сталью.
Превосходные характеристики пластика и меньшие потери на трение: конвейерные системы обеспечивают экономию энергии и повышение эффективности.
Технологии производства пластмасс также значительно повысили эффективность конвейерных систем. На традиционных заводах стальные тяговые цепи, движущиеся по стальным или бетонным направляющим, потребляют большое количество электроэнергии для преодоления трения цепи и поддержания стабильной скорости конвейера. Трение также приводит к высокому износу компонентов. Замена любого компонента в системе увеличивает углеродный след всей системы.
Новый тип абразивных полос, изготовленных из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, полностью изменил эту ситуацию. Доктор Херхтель объяснил, что добавление этих абразивных полос может значительно снизить трение и энергопотребление, а также позволить использовать двигатели меньшей мощности. «Эти абразивные полосы можно применять на различном оборудовании, от небольших конвейеров до крупных конвейерных систем, таких как большие конвейеры, транспортирующие шасси автомобилей на сборочных линиях».
Доктор Херчтер также заявил, что уплотнения, изготовленные из пластмасс со средним модулем упругости и низким коэффициентом трения, могут снизить крутящий момент привода и уменьшить размер двигателя, необходимого для электрических, пневматических или гидравлических приводов.
Седро добавил, что на рынке теперь доступно несколько сверхвысокопроизводительных самосмазывающихся подшипников скольжения, некоторые из которых обладают прочностью на сжатие, превышающей 40 000 фунтов на квадратный дюйм. Различные материалы подшипников теперь могут выдерживать высокие температуры выше 600 градусов по Фаренгейту, агрессивные химические среды, а также работать под водой и в вакууме.
«Эти высокоэффективные материалы предоставляют дизайнерам беспрецедентную свободу проектирования», — сказал Седро.
Термопласты широко используются в уплотнительных и опорных элементах, а их эксплуатационные характеристики могут быть улучшены за счет армирования стекловолокном и углеродным волокном. Сфера применения продолжает расширяться: основное внимание уделяется подшипникам и уплотнениям.
Пластиковые поворотные и вращательные подшипники широко используются в робототехнике, пищевых конвейерах и медицинском оборудовании. Композитные материалы подшипников также могут продлить срок службы компонентов в таких областях применения, как железнодорожные тормозные системы, поворотные подшипники систем ковшей тяжелой техники и подшипники деформационных швов мостов, снижая требования к техническому обслуживанию.
Седро отмечает, что самосмазывающиеся пластиковые подшипники хорошо зарекомендовали себя в условиях высоких нагрузок и сильной вибрации. По сравнению с металлическими подшипниками, они лучше смягчают воздействие сильных вибраций, а также устойчивы к химической коррозии и ультрафиолетовому излучению. В настоящее время в железнодорожном секторе используются миллионы пластиковых подшипников.
В тяжелой технике, подверженной вибрации, такой как шлифовальные станки, дробилки, гидравлические отбойные молотки и дорожно-строительная техника, все чаще используются пластиковые звездочки и шестерни. Кроме того, продолжает расти использование высоконагруженных пластиковых упорных шайб в трансмиссиях тяжелой техники и автомобилей.
Сфера применения решений в различных отраслях продолжает расширяться.
Седро прогнозирует, что с непрерывным развитием полимерных технологий, проектирование пластмасс будет включено в учебные программы инженерных вузов.
Между тем, инженерам-конструкторам в компаниях-производителях оригинального оборудования (OEM) необходимо быть в курсе последних разработок в области материалов и продукции, поскольку крупные компании выпускают новые пластмассовые материалы практически каждый месяц. Например, компания Ensinger недавно представила самосмазывающийся композитный материал подшипникового класса с прочностью на сжатие 50 000 фунтов на квадратный дюйм и способностью выдерживать длительные температуры до 400 градусов по Фаренгейту и кратковременные температуры до 500 градусов по Фаренгейту.
Компания также разработала новый гомополимерный полиоксиметиленовый материал, который, помимо прочих превосходных свойств, обладает чрезвычайно высоким модулем жесткости. Он подходит для применения в таких областях, как шестерни, звездочки, колеса, ролики и компоненты конвейеров в автомобильной промышленности и производстве электровелосипедов.
Чтобы помочь инженерам восполнить пробелы в знаниях о материалах, крупные компании создали профессиональные технические группы, которые предоставляют инженерам рекомендации по выбору материалов для конкретных сценариев применения, включая индивидуальные решения. Компания Ensinger также может проводить бесплатные технические обеды на местах по темам, связанным с полимерами, в зависимости от потребностей заказчика.
Подобно тому, как развивается любая новая технология, по мере того, как инженеры и техники накапливают знания и опыт в применении пластмассовых материалов, масштабы их применения также будут соответственно расширяться.
Седро привёл в качестве примера крупные зубчатые передачи, чтобы проиллюстрировать этот момент: инженеры в различных отраслях промышленности долгое время использовали отработанные технологии обработки металла для изготовления крупных зубчатых передач, но с технологическими прорывами в прочности и долговечности пластмассовых материалов интерес отрасли к исследованиям и разработке крупных зубчатых передач на основе полимеров постоянно растёт.
Седро считает, что технологические прорывы в области полимерных материалов будут продолжаться, и по мере постепенного применения пластиковых компонентов в новых областях, таких как подводные, наземные и воздушные автономные транспортные средства, доверие рынка к композитным материалам будет быстро расти.