Les plastiques à haute résistance sont de plus en plus utilisés car les ingénieurs des industries de haute technologie sont confrontés au double défi de réduire le poids en éliminant les métaux tout en prolongeant la durée de vie des composants à partir desquels ils sont fabriqués.
Les applications dans le domaine de l’aérospatiale et de l’équipement des engins spatiaux font l’objet d’une attention particulière en raison de l’importance de la légèreté et d’une fiabilité sans compromis. Dans les industries du traitement chimique, du pétrole et du gaz, où les pannes d’équipement sont synonymes d’interruptions de production coûteuses, la légèreté combinée à la résistance aux environnements de fonctionnement extrêmement corrosifs sont des avantages majeurs que les plastiques à haute résistance peuvent offrir par rapport aux métaux. L’allègement de la charge physique sur les composants accouplés peut également réduire l’usure par frottement et prolonger la durée de vie fonctionnelle au-delà des capacités des métaux, même lubrifiés.
Le PAI de Torlon présente le rapport résistance/poids le plus élevé parmi les polymères transformables par fusion.
Parmi les polymères thermoplastiques résistants et légers qui peuvent être moulés par injection et extrusion, le PAI Torlon non chargé ou « pur » se classe en tête avec le rapport résistance/poids le plus élevé. L’un des principaux avantages de tous les Grades est leur capacité à conserver leur résistance à des températures élevées qui diminuent rapidement les propriétés physiques des autres polymères. Les différents grades de PAI Torlon renforcés par des fibres et les grades pour roulements et usure ajoutent des niveaux de résistance encore plus élevés aux grades non chargés.
Propriétés mécaniques importantes du PAI Torlon
Les différents grades de PAI Torlon excellent dans les propriétés clés qui définissent la résistance et la rigidité par rapport au PEEK et au PEI Ultem, deux autres polymères souvent pris en compte pour ces propriétés (tableau 1).
Le module de flexion du Torlon 4203 non chargé mesure 5 030 MPa (730 000 psi), dépassant de plus de 35 % celui du PEEK non chargé. Dans les grades renforcés de 30 % de fibres de verre ou de carbone, les valeurs PAI du Torlon sont supérieures de plus de 13 % à celles des formulations de PEEK. Comparé à un autre polymère renforcé de 30 % de fibres de verre, le module de flexion du PAI Torlon 5030 de 11 700 MPa (1 300 000 psi) dépasse celui du PEI Ultem 2300 de 9 000 MPa (1 300 000 psi).
La résistance à la compression est une propriété essentielle pour les applications soumises à des charges ponctuelles élevées. Si l’on compare les grades renforcés au verre à 30 %, la résistance à la compression du Torlon 5030 est supérieure de plus de 55 % à celle du PEEK GF30 et de 19,5 % à celle de l’Ultem 2300.
La résistance à la traction est une autre propriété physique importante pour laquelle le PAI Torlon, dans toute une gamme de Grades, présente des performances supérieures à celles du PEEK, du PEI Ultem et du PPS.
Le PAI Torlon conserve sa résistance à des températures élevées
À des températures extrêmes, le PAI Torlon conserve des niveaux de résistance et de rigidité qui dépassent les capacités des autres thermoplastiques. Cette caractéristique est particulièrement importante pour les composants associés aux moteurs à réaction, aux systèmes de propulsion des fusées et aux processus de fabrication des semi-conducteurs qui doivent conserver leur intégrité structurelle dans des environnements à haute température.
Note technique : La température de transition vitreuse (Tg) ou le point de ramollissement d’un matériau est utile pour comparer la résistance et la rigidité des thermoplastiques à hautes performances à des températures extrêmes. La Tg du PAI de Torlon est de 280º. C (536° F). À titre de comparaison, la Tg du PEEK est de 150º. C, et le grade PEEK le plus résistant à la température a une Tg de 170º. C. L’Ultem PEI, un autre polyimide modifié, a une Tg de 218º C, toujours bien en deçà de celle du Torlon PAI (tableau 1).
La résistance au fluage, la haute Tg et la faible CLTE contribuent à la stabilité dimensionnelle du PAI de Torlon.
Le PAI Torlon est reconnu pour sa résistance au fluage, ou à la déformation sous charge dans le temps, en particulier à très haute température. Cette caractéristique du matériau peut être mise en relation avec sa résistance à la compression et son Tg, deux autres propriétés où le PAI Torlon excelle également. La résistance au fluage du PAI Torlon est particulièrement bénéfique pour les applications qui doivent maintenir leur résistance structurelle sous des charges physiques élevées et des températures extrêmes à long terme.
Note technique : Le faible coefficient de dilatation thermique linéaire du Torlon PAI dans toutes les Grades est un atout pour les applications exposées à des variations extrêmes de température de fonctionnement. Il est particulièrement important pour les joints et les composants structurels des équipements cryogéniques des systèmes de propulsion où des dimensions précises doivent être maintenues tout en traversant des variations de température extrêmes.
Le PAI Torlon présente une résistance élevée, ainsi qu'une résistance aux roulements et à l'usure.
Le PAI non chargé Torlon produit par Syensqo (anciennement Solvay) offre une résistance intrinsèque élevée et une résistance à l’usure par frottement dans les composants assemblés. Plusieurs Grades contiennent également des additifs qui prolongent la durée de vie et renforcent la résistance mécanique.
Pour aider les clients à utiliser certains grades qui ne sont plus fournis par Syensqo, Drake Plastics compose des formulations de roulements et d’usure à haute résistance à partir de résine 100 % Torlon PAI et les propose sous forme de formes de stock usinables et de pièces moulées par injection. Ces formulations sont basées sur les polymères originaux de Syensqo et ont été développées en collaboration avec le producteur de polymère.
Torlon 4301 PAI est un polyamide-imide à haut module contenant du graphite et du PTFE pour une meilleure résistance à l’usure. Ce grade de Torlon PAI à usage général pour les roulements et l’usure présente un excellent équilibre entre la résistance mécanique et la résistance aux chocs. Il offre une résistance à l’usure 10 fois supérieure à celle du Torlon 4203 non renforcé et possède un CLTE proche de celui de nombreux métaux.
Le Torlon 4275 PAI a une formulation à base de graphite et de PTFE qui permet d’obtenir un taux d’usure inférieur à celui du Torlon 4301 PAI dans la plupart des conditions de PV. Ses performances en matière de roulement et d’usure par rapport au Torlon 4301 sont particulièrement remarquables à des PV élevés, ce qui en fait un choix fréquent pour les applications à grande vitesse.
Le Drake 4435 PAI, précédemment proposé par Syensqo sous le nom de Torlon 4435 PAI, contient du PTFE ainsi que des fibres de carbone graphitées qui renforcent sa résistance structurelle. Il est souvent spécifié pour les applications d’usure par glissement. La Grades à haut module présente une faible usure dans la plupart des conditions de PV et se comporte très bien à des PV élevés. Son taux de dilatation thermique (CLTE) est également le plus faible des grades d’usure PAI.
Le Drake 4630 PA I, anciennement Torlon 4630 PAI, surpasse tous les autres grades de PAI en termes de résistance à l’usure dans les applications non lubrifiées à haute teneur en PV. Sa combinaison exclusive de graphite et de PTFE permet d’obtenir l’usure la plus faible à des vitesses supérieures à 100 pieds par minute (FPM) et donne de bons résultats même à des PV supérieurs à 150 000 psi-FPM.
Le Drake 4645 PAI, précédemment proposé sous le nom de Torlon 4645 PAI, se classe au même niveau que le grade 4630 pour ce qui est de la résistance à l’usure élevée, mais il constitue une option particulièrement intéressante pour les applications à PV élevé qui font l’objet d’une lubrification externe pour la dissipation de la chaleur. Grâce à sa formulation exclusive à base de fibres de carbone et de PTFE, le Drake 4645 PAI a donné de bons résultats à des PV de 600 000 psi-FPM.
Résistance aux produits chimiques et aux radiations du PAI Torlon
Les applications thermoplastiques dans les industries de haute technologie impliquent souvent une exposition à des environnements sévères qui peuvent dégrader les propriétés. Le PAI de Torlon a prouvé sa capacité à résister à bon nombre de ces conditions.
Les applications comprennent les composants structurels, les roulements et les composants d’usure pour les satellites spatiaux qui nécessitent une fiabilité à long terme lorsqu’ils sont exposés aux radiations. Les Grades Torlon PAI sont également spécifiés pour les composants à haute résistance exposés au plasma et aux produits chimiques dans les processus de fabrication des semi-conducteurs. Les joints, sièges de soupape et autres composants structurels, de roulement et d’usure fabriqués en Torlon PAI assurent également une fiabilité à long terme dans les équipements pétroliers et gaziers de fond de puits.
Comme c’est le cas pour tout matériau, les variables d’application telles que la concentration chimique, les températures et les contraintes des charges appliquées peuvent varier considérablement. Bien qu’il existe des lignes directrices, il est essentiel que les applications de tout matériau, y compris le PAI de Torlon, soient testées pour valider les performances dans les conditions réelles d’utilisation.
Applications du Torlon PAI
Une famille de Grades PAI Torlon de Syensqo, premier producteur mondial de polymères PAI, offre des profils de propriétés uniques pour diverses applications qui doivent fonctionner à long terme dans une variété de conditions extrêmes. Les performances très élevées de ces formulations ont conduit à leur utilisation pour remplacer les métaux, en particulier lorsque la légèreté et la longévité dans des environnements sévères sont des facteurs importants. Le développement par Drake Plastics de barres extrudées de diamètre exceptionnellement grand, d’épaisseurs de plaques et de combinaisons OD/ID de tubes rigides sans soudure a également élargi la gamme d’applications des divers Grades Torlon PAI dans les pièces usinées.
Les principales applications de ce polymère avancé à haute résistance, tant sous forme moulée par injection que sous forme usinée, sont les suivantes :
Équipement pour l’aérospatiale et les engins spatiaux
L’environnement des composants d’équipement peut aller de conditions cryogéniques à des températures extrêmement élevées, et inclure des contraintes importantes et une exposition à des fluides hydrauliques, des carburants pour avions, des propergols et d’autres produits chimiques corrosifs. Le PAI de Torlon a de nombreuses applications structurelles et de roulements et d’usure qui fonctionnent bien dans ces conditions, notamment les roulements, les bagues, les joints et les fixations.
Fabrication de semi-conducteurs et équipements d’essai
Les applications de cette industrie bénéficient de la stabilité dimensionnelle, de la résistance à la compression, de la résistance aux produits chimiques de traitement et au plasma, et de la conservation de la résistance à haute température du Torlon PAI. Les différentes Grades renforcées de fibres et non chargées de ce polymère à ultra-hautes performances éliminent également le risque de contamination métallique. Les applications typiques comprennent les douilles de test, les sondes de chambre, les outils de manipulation des plaquettes et les fixations.
Équipement pour le pétrole et le gaz
Le Torlon PAI se comporte bien dans l’environnement chaud, corrosif et à haute pression des fonds de puits, où une plus longue durée de vie des composants signifie une plus grande productivité grâce à la réduction des arrêts pour réparation et remplacement. La gamme d’applications du PAI Torlon dans cet environnement de service sévère comprend des composants structurels, des joints et des sièges de soupape, ainsi qu’un certain nombre d’autres composants de roulements et d’usure.
Le Torlon PAI peut être usiné ou moulé par injection.
Leur disponibilité sous forme de polymère granulé et dans une large gamme de semi-produits et de dimensions signifie que les Grades PAI de Torlon peuvent être transformés en une gamme illimitée de configurations de composants.
La mise au point par Drake Plastics de diamètres de barres extrudées, d’épaisseurs de plaques et de combinaisons OD/ID de tubes rigides sans soudure exceptionnellement grands a également élargi le champ d’application de divers grades de Torlon PAI dans les pièces usinées.
Le moulage par injection est généralement plus pratique pour la production en grande quantité. L’usinage des semi-produits permet d’obtenir une plus grande complexité et des tolérances plus précises. Il est également bien adapté aux volumes de production qui ne justifient pas l’investissement dans des outils de moulage par injection. Sans qu’il soit nécessaire de modifier l’outillage, il est également possible d’usiner dans des délais courts des pièces usinées pour tester des modifications de conception. En outre, le post-usinage des pièces moulées par injection permet d’ajouter des caractéristiques trop complexes à réaliser avec l’outillage d’injection.
Ces deux méthodes de production, associées aux propriétés du PAI Torlon, permettent d’obtenir des pièces de précision complexes dont la résistance rivalise avec celle de certains métaux. Chaque méthode a ses caractéristiques spécifiques :
Efficacité : Avec le moulage par injection, les caractéristiques de conception sont intégrées dans l’outillage. Les pièces éjectées du moule ne nécessitent généralement que peu ou pas d’opérations secondaires. L’usinage CNC à grande vitesse d’une pièce se fait automatiquement en plusieurs étapes. Toutefois, pour des quantités de production appropriées ou pour des raisons de complexité des pièces, l’usinage peut être une méthode de production plus viable par rapport à l’investissement requis pour l’outillage du moulage par injection.
Le moulage par injection permet également de réduire la consommation de matière par pièce par rapport à l’usinage. La perte de matière lors de l’usinage peut cependant être minimisée en utilisant une dimension de stock efficace par rapport à la configuration de la pièce finie.
Par exemple, Drake Plastics produit des pièces en Torlon PAI par moulage par injection et par usinage. L’entreprise maximise l’efficacité des matériaux lors de l’usinage pour ses propres activités et celles de ses clients en extrudant une gamme exceptionnellement large de dimensions de barres, de plaques et de tubes rigides en PAI Torlon. Elle propose également des dimensions sur mesure. Cette capacité permet d’équilibrer les coûts entre le moulage par injection et l’usinage et peut différer ou annuler la nécessité d’investir dans des moules d’injection de production.
Les pièces ont des tolérances toujours précises et une qualité reproductible
Le moulage par injection et l’usinage permettent de produire des composants dans toutes les Grades de PAI Torlon avec des dimensions constantes et des tolérances précises. L’usinage a une longueur d’avance en ce qui concerne les tolérances de précision qui peuvent être atteintes. Dans certains cas, l’usinage est également utilisé pour ajouter des caractéristiques de précision à une pièce moulée.
La conception des moules peut ajouter des caractéristiques qui facilitent le remplacement du métal
Avec un constructeur de moules compétent, l’outillage peut être conçu pour des inserts moulés et d’autres caractéristiques qui ajoutent de la structure et de la fonctionnalité aux composants en PAI de Torlon. Les mêmes caractéristiques peuvent être ajoutées aux pièces usinées dans le cadre d’une opération de post-production. Dans les deux cas, ces caractéristiques ajoutées permettent d’obtenir des pièces plus légères et plus résistantes à l’usure et à l’environnement que les pièces métalliques en PAI de Torlon, sans compromettre la résistance structurelle requise.
Le PAI de Torlon offre de multiples avantages en termes de performances pour les applications à haute résistance.
Les Grades PAI de Torlon combinent une résistance élevée avec une stabilité dimensionnelle, des propriétés de roulement et d’usure et une résistance à l’environnement à des températures dépassant les capacités des autres thermoplastiques. Disponible sous forme de moules par injection et de pièces usinées, ce polymère à ultra-hautes performances peut être transformé en un nombre pratiquement illimité de configurations de pièces. Ses attributs ont conduit à sa spécification pour les composants qui doivent fonctionner de manière fiable et à long terme dans des conditions extrêmes.
Le PAI Torlon présente une plus grande rigidité structurelle dans les grades non remplis et renforcés de fibres, comme le montre le module de flexion des trois matériaux.
La Tg est la température à laquelle un matériau se ramollit. Elle est particulièrement importante pour les composants structurels qui sont exposés à des températures élevées, même pendant de courtes périodes. La Tg du Torlon PAI est plus élevée que celle de n'importe quel thermoplastique transformable par fusion.
Drake compose certains grades de PAI en utilisant de la résine Torlon à 100 % dans le cadre d'un accord avec Syensqo, le producteur de résine PAI. Cela permet aux clients de continuer à disposer des polymères PAI spécialisés après que Syensqo a cessé leur production.
En raison de sa résistance aux radiations et de ses performances à des températures cryogéniques et très élevées, le PAI de Torlon a déjà été utilisé avec succès dans des systèmes de télescopes pour l'espace lointain et dans des équipements de propulsion de satellites et de fusées.
Des semi-produits non remplis, à roulement et renforcés par des fibres, fabriqués à partir de résines 100 % Torlon, sont disponibles sous les marques Torlon PAI et Drake PAI. Drake Plastics est un extrudeur de polymères avancés de premier plan qui stocke de nombreuses dimensions de barres et de plaques, ainsi que des Seamless Tube® dans de nombreuses combinaisons de diamètre extérieur et intérieur.