Szeroko pojęty przemysł od dziesięcioleci opierał się na metalach, takich jak stal, aluminium czy tytan, głównie ze względu na ich wytrzymałość, odporność na obciążenia i łatwość w obróbce. Jednak rozwój technologii tworzyw konstrukcyjnych sprawił, że inżynierowie oraz duża część zakładów produkcyjnych coraz częściej sięgają po tworzywa sztuczne jako dobrą (a może lepszą?) alternatywę dla metali w wielu zastosowaniach.
Sprawdzimy, czy mogą one całkowicie zastąpić metal w konstrukcjach.
Porównanie tworzyw wysokosprawnych z metalami
| Właściwość | Stal nierdzewna 304 | Aluminium | PEEK | PA6-G | POM-C | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Gęstość (g/cm³) | 7,9 | 2,7 | 1,3 | 1,15 | 1,41 | 2,2 |
| Wytrzymałość na rozciąganie (MPa) | 500 | 310 | 90 | 85 | 70 | 20 |
| Moduł sprężystości (GPa) | 200 | 69 | 3,6 | 2,8 | 3,5 | 0,5 |
| Temperatura pracy (°C) | 870 | 400 | Do 260 | 100 | 110 | 260 |
| Odporność chemiczna | Średnia | Średnia | Wysoka | Średnia | Dobra | Bardzo wysoka |
| Samosmarowność | Brak | Brak | Średnia | Średnia | Wysoka | Bardzo wysoka |
| Korozja | Wysoka | Średnia | Brak | Brak | Brak | Brak |
Powyższa tabela ukazuje mocne i słabe strony poszczególnych metali i tworzyw. Pierwszym wnioskiem, który można wyciągnąć jest fakt, że stal, czy aluminium mają zdecydowanie lepszą wytrzymałość na rozciąganie oraz wyższą temperaturę pracy. Jeżeli weźmiemy pod uwagę odporność chemiczną, cechy samosmarowne, czy odporność na korozję, półprodukty z tworzyw sztucznych takie jak wałki PEEK, płyty PTFE czy tuleje POM-C są znacznie lepsze od swoich konkurentów.
Jakie mogą być zalety stosowania tworzyw sztucznych w konstrukcjach przemysłowych?
Korzyści, które oferują tworzywa jest znacznie więcej niż nam się może wydawać. Oto kilka najważniejszych:
- Dużo niższa masa własna – tworzywa są nawet 5 razy lżejsze od metali, a od aluminium o 3 razy,
- Lepsza odporność na korozję – w przeciwieństwie do metali, polimery nie korodują oraz nie tracą swoich właściwości przy kontakcie z cieczami,
- Dużo lepsze właściwości ślizgowe – materiały takie jak POM-C, PE1000 czy PTFE są stosowane w układach ślizgowych maszyn zamiast mosiądzu, aluminium czy stali,
- Większa protekcja na substancje chemiczne – tworzywa takie jak PE lub POM-C są wykorzystywane w instalacjach chemicznych i zbiornikach,
- Przewodzenie prądu – w przemyśle elektrotechnicznym półprodukty z tworzyw zastępują metale w elementach izolacyjnych,
- Łatwość w obróbce – tworzywa można lepiej i łatwiej obrabiać na maszynach CNC.
W jakich miejscach półprodukty z tworzyw sztucznych zastąpiły metale?
- W branży motoryzacyjnej – wiele części samochodowych, takich jak kolektory dolotowe, przekładnie, osłony silników, zostało zastąpionych przez tworzywa w celu redukcji masy,
- W sektorze lotniczym – w częściach samolotów stosuje się materiały z PEEK zamiast aluminium i tytanu,
- W maszynach przemysłowych – prowadnice ślizgowe, rolki, tuleje i przekładnie często wykonywane są z PE, POM i PA6, poprawiające smarowność oraz redukując zbędny hałas,
- W przemyśle chemicznym – wiele zbiorników, rur i pomp wykonanych jest z PTFE, czy PP głównie ze względu na odporność na korozję oraz oczywiście redukcję masy,
- W sektorze spożywczym – blaty masarskie z polietylenu są bardzo odporne oraz mają dopuszczenie do kontaktu z żywnością.
Pomimo licznych zalet, tworzywa mają kilka słabości
W tym punkcie skupimy się na słabych stronach i ograniczeniach półproduktów z tworzyw, chociaż jest ich znacznie mniej niż zalet.
Na pewno mają gorszą wytrzymałość mechaniczną niż metale, dlatego przy aplikacjach gdzie jest bardzo wysokie narażenie na rozciąganie, czy nacisk, tworzywa są mniej zalecane. Podobnie jest w przypadku odporności termicznej, jeżeli temperatura pracy znacznie przekracza 200 stopni, wiele tworzyw traci swoje właściwości, podczas gdy metale są w stanie wytrzymać znacznie wyższe różnice temperatur.
Na sam koniec koszty – niektóre półprodukty jak płyty z PEEK mają bardzo wysokie ceny ze względu na swoje unikalne właściwości, dlatego ich aplikacja musi być przemyślana oraz starannie zaplanowana.
Podsumowanie – czy tworzywa są lepsze niż metale?
W wielu zastosowaniach jak najbardziej TAK, ale nie we wszystkich. Tworzywa sztuczne doskonale sprawdzają się w elementach ślizgowych, osłonach, izolacjach elektrycznych, zbiornikach chemicznych i lekkich komponentach konstrukcyjnych, aczkolwiek ich mankamentami są w miejsca wymagające bardzo wysokiej odporności mechanicznej lub termicznej, jak na przykład huty szkła.
Z perspektywy przyszłości tworzywa sztuczne mają ogromny potencjał rozwoju, także w kontekście technologii i wykorzystania jej do AI. Ich niska masa oraz możliwość szerokiego zastosowania potwierdzają, że kompozyty mają coraz więcej zastosowań w różnych branżach.
