5 Plastiche resistenti agli urti di uso comune
Siete alla ricerca di materiali termoplastici in grado di resistere a un impatto senza rompersi?
Ecco cinque polimeri resistenti agli urti da prendere in considerazione per il vostro prossimo progetto
Robusta. A prova di rottura. Capace di resistere a perforazioni e crepe in caso di urto. Ecco come qualcuno descriverebbe una plastica resistente agli urti.Ma, come vedremo, il termine è ambiguo. Il fatto che un pezzo di gomma da masticare non si spezzi in due se colpito con un martello non significa che sia resistente agli urti. Se non ne siete convinti, provate a mettere la stessa gomma da masticare per un po' di tempo nel congelatore e poi colpitela. Si ridurrà in frammenti.
Lo stesso fenomeno di "fragilità in condizioni di freddo" accade a molti polimeri: lasciate cadere il bidone della spazzatura in polipropilene (PP) in pieno inverno e probabilmente ne avrete bisogno di uno nuovo. Altre plastiche, come il polietereterchetone (PEEK), sono in grado di resistere a quasi tutte le temperature, mentre alcune (non poche, in verità) diventano gradualmente fragili se esposte ai raggi UV. Ne è un esempio il poliossimetilene (POM), noto anche come acetalica, che si indebolisce se lasciato troppo a lungo al sole, così come uno dei polimeri più resistenti agli urti, il policarbonato (PC).
Come identificare le plastiche resistenti agli urti
A causa di queste variabili, è essenziale valutare le opzioni dei materiali prima d'iniziare qualsiasi progetto e scegliere quelli che garantiscono le migliori prestazioni in base all'ambiente a cui il prodotto è destinato. Il primo passo consiste nell'esaminare le schede tecniche dei produttori di materie plastiche. Troverete termini come "resistenza all'urto Izod", "impatto Gardner". Ognuno di questi termini è definito da diversi standard ASTM e ISO (il test d'impatto Charpy ISO 179, ad esempio, o l'impatto multiassiale ASTM D3763), allo scopo di definire la reazione del materiale se sottoposto a un impatto.
La premessa di base è quella di predisporre condizioni controllate e colpire un campione di un determinato materiale per osservarne la resistenza all'impatto. Il test IZOD di resistenza all'urto utilizza un pendolo che ruota verso il basso e colpisce una staffa di montaggio che impatta contro la plastica. Il test Gardner utilizza un peso che cade direttamente su un oggetto arrotondato, simile a una freccetta, posizionato sul materiale. La resistenza agli urti è data dalla quantità di peso e dall'altezza necessarie per danneggiare il materiale. In sostanza, quanto maggiore è l'impatto necessario per rompere la plastica, tanto più elevata è la sua resistenza agli urti.
Data la varietà di standard, il vostro ufficio tecnico dovrebbe stabilire a quali fare riferimento in fase di progettazione del prodotto, in modo da poter effettuare un confronto alla pari. Purtroppo, proprio questa varietà di standard può creare confusione, in quanto ognuno di essi fa riferimento a diversi metodi di analisi e a diverse modalità di preparazione dei campioni di prova. Le schede tecniche forniscono parametri che spesso non sono direttamente comparabili tra loro anche per via dei diversi sistemi di misura (metrico vs anglosassone). Alcune schede tecniche non offrono valori di prova d'urto, ma forniscono valori di resistenza al modulo di trazione, alla flessione, all'allungamento allo snervamento e alla durezza, tutti elementi che danno almeno indicazioni sulla resistenza del materiale. Occorre tuttavia tenere presente che la resistenza e la tenacità sono spesso in contraddizione: una maggiore resistenza di solito denota un livello più elevato di fragilità, l'esatto opposto della resistenza agli urti.
Gran parte della resistenza o della tenacità di un polimero è dovuta alla sua temperatura di transizione vetrosa (Tg) e al fatto che la plastica sia amorfa o semicristallina. Vi invitiamo a consultare questo link se desiderate un approfondimento (un altro suggerimento di progettazione)
Va poi ricordato che praticamente tutte le proprietà dei materiali variano in base al fabbricante e al fatto che siano destinati alla lavorazione CNC, allo stampaggio a iniezione di plastica o alla stampa 3D. Significa che i materiali possono comportarsi in modo diverso in determinate condizioni.
Provare per credere
E allora, qual è la risposta? In realtà, ce n'è più di una. Se la vostra azienda ha investito in un software di analisi a elementi finiti (FEA), congratulazioni. Un buon programma vi permetterà di caricare diversi materiali e le loro proprietà, di selezionare variabili come la temperatura e il carico, quindi di colpire parti virtuali con martelli virtuali per vedere come si comportano. Ma anche senza un software d'ingegneria di alto livello, SOLIDWORKS, Fusion 360 e altri pacchetti CAD di uso comune offrono funzionalità FEA integrate o componenti aggiuntivi FEA a un costo ragionevole.
Infine, se ci comunicate l'applicazione del vostro prodotto, possiamo provare diverse miscele di materiali o additivi come vetro e fibre che contribuiscono a migliorare le caratteristiche specifiche. Lo facciamo ogni giorno.
5 materiali resistenti agli urti di uso comune
Ecco quindi "cinque materiali resistenti agli urti", come promesso all'inizio di questo suggerimento di progettazione. Non si tratta certamente di un elenco completo e, come già detto, la resistenza dipende da molti fattori, non ultimo la geometria del pezzo. Ma di questo ne riparleremo alla fine.
1. ABS
A differenza della maggior parte dei polimeri amorfi, l'acrilonitrile butadiene stirene (ABS) è opaco. È inoltre molto robusto e resistente agli urti, anche a basse temperature. Il cruscotto della vostra auto potrebbe essere fatto di ABS, così come i 9.036 mattoncini della Lego del modello del Colosseo Romano su cui avete lavorato negli ultimi tre fine settimana. L'ABS è sia duro che rigido, elettricamente isolante, estremamente modellabile e può essere riciclato più volte. Tuttavia, non è adatto all'uso di solventi o a lunghe permanenze al sole, né alle applicazioni in cui è richiesta un'elevata resistenza alle sollecitazioni. Come nel caso del prossimo materiale, l'ABS e i materiali simili all'ABS vengono lavorati, stampati in 3D e stampati a iniezione.
2. PC
Il policarbonato (PC), il materiale del vetro antiproiettile, è il migliore in termini di resistenza agli urti. Tuttavia, è l'opposto dell'acrilico per quanto riguarda durezza e resistenza ai graffi. Il PC è in grado di resistere a ripetute sterilizzazioni a vapore, per cui trova largo impiego nelle applicazioni mediche. Inoltre, se opportunamente trattato, è resistente al calore, alle fiamme e ai raggi UV, il che ne fa il materiale d'elezione per ogni tipo di applicazione, dalle serre agli occhiali di protezione, dalle lunette dei fari agli scudi antisommossa. Occorre tuttavia tener presente che il PC è uno dei tecnopolimeri più costosi e necessita di un rivestimento per evitare graffi se la trasparenza ottica è un requisito importante.
3. HDPE
Alcuni produttori sostengono che il polietilene ad alta densità (HDPE) non è solo il più versatile di tutte le materie plastiche, ma anche il più utilizzato. E probabilmente hanno ragione. L'HDPE è disponibile in forme rigide o flessibili ed è leggero ma resistente. Le case automobilistiche lo usano per i serbatoi di benzina, i fornitori di prodotti lattiero-caseari per i contenitori del latte e i produttori di mobili per esterni per... beh, per i mobili per esterni. Ciascuna di queste applicazioni richiede una buona resistenza agli urti e, proprio come quando è esposto alla luce del sole e agli agenti chimici, l'HDPE è in grado di offrire una buona resistenza.
4. Copolimero a impatto PP
Non solo ha un'elevata resistenza agli urti, ma anche un'ottima stabilità termica. Il 500-GA20 è un copolimero a impatto ad alta velocità di fusione per lo stampaggio a iniezione. Le applicazioni includono casalinghi, contenitori, batterie per auto, giocattoli, mescole e prodotti di consumo. Si noti che questo materiale funziona al meglio in condizioni asciutte e prive di polvere, a meno di 50° C, e che l'esposizione alla luce solare deve essere evitata.
5. PTFE
Quest'ultimo potrebbe sorprendervi. Il PTFE, alias politetrafluoroetilene, alias Teflon, è morbido e soffice, ma eccezionalmente resistente. La sua resistenza agli urti è superiore a quella del PEEK e della maggior parte dei policarbonati, ed è pari a quella dell'HDPE. Vanta inoltre un coefficiente di attrito molto basso, secondo solo al carbonio diamond-like (DLC) e al boruro di alluminio-magnesio ceramico super-duro. Il teflon può essere lavorato solo su CNC, grazie al suo elevatissimo punto di fusione, pari a 327 °C (621 °F), il PTFE si presta molto bene alla lavorazione per asportazione di truciolo. Occorre infatti tener presente che tende a scorrere sotto pressione, quindi deve essere bloccato meccanicamente quando lo si utilizza per rondelle, cuscinetti e altre applicazioni portanti.
Ci sono poi altri materiali come il polifenilsulfone (PPSU), il PEEK, il TPE o elastomero termoplastico e persino alcuni tipi di nylon e acetali. Anche in questo caso, la resistenza agli urti dipende spesso dalla temperatura di applicazione ed è attenuata dalla resistenza alla trazione, dalla resistenza ai raggi UV e da altri fattori. Non esitate a realizzare alcuni pezzi di prova e a confrontarli prima di scegliere tra un materiale e l'altro.
Prima di concludere, c'è un ultimo punto da sottolineare, forse il più importante di tutti: Il ruolo del design del prodotto nella resistenza agli urti. Ad esempio:
- La presenza di tacche e spigoli vivi tende ad aumentare la possibilità che un pezzo si rompa se sottoposto a forza, mentre gli angoli stondati tendono ad accrescere la resistenza dei pezzi.
- Quando si utilizzano nervature d'irrigidimento, bisogna posizionarle in aree soggette a forze di compressione piuttosto che di trazione, così come i cordoni di saldatura dovrebbero essere preferibilmente collocati là dove le potenziali forze d'impatto sono più basse.
- Anche se sembra un controsenso per un ingegnere, cercate di evitare progetti di prodotti rigidi e molto rigidi: un pezzo in grado di cedere leggermente se sottoposto a pressione ha meno probabilità di rompersi.
Infine, assicuratevi di condividere con noi qualsiasi dubbio durante la fase di preventivazione. Abbiamo un'esperienza decennale nella produzione e siamo pronti ad aiutarvi a trovare il materiale giusto e il design che vi porterà al successo.