Ingranaggi di plastica

Esistono materiali polimerici che competono ad armi pari con i metalli anche nella produzione di particolari meccanici, soprattutto se la resistenza alla corrosione e agli agenti chimici è fondamentale.

Una di queste 'superplastiche' è il polietereterchetone, meglio conosciuto con la sua sigla PEEK. D a tempo utilizzato in ambito aerospaziale, come nell'elettronica o nell'oil&gas, questo tecnopolimero trova applicazione anche nella produzione di ingranaggi, elementi di tenuta, rondelle o meccanismi che devono possedere un'elevata resistenza dal punto di vista meccanico, termico e chimico.

Il punto sull'impiego del PEEK nel settore automotive, per applicazioni sottocofano, è stato fatto lo scorso 15 giugno nel capoluogo piemontese in occasione di un seminario organizzato dalla Victrex, principale produttore di questo materiale, in collaborazione con il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Torino e alcune aziende partner (Fluorten, Cattini e Forteq).

Al posto del metallo. In ambito ingegneristico, il PEEK trova spazio in sostituzione di metalli (e talvolta tecnopolimeri), laddove altri materiali non riescono a soddisfare i requisiti termici, meccanici o tribologici; componenti non sempre visibili, ma critici per il corretto funzionamento del motore e degli altri apparati meccanici.

Catena cinematica veicoli. Un esempio sono gli alloggiamenti delle trasmissioni dei veicoli, dove il PEEK rimpiazza non solo i metalli ma anche altri polimeri ingegneristici nella produzione di anelli di tenuta, rondelle a spinta e cuscinetti, gabbie per cuscinetti e valvole di controllo, anche grazie alla possibilità di stampare i pezzi ad iniezione con tolleranze ristrette, senza necessità di post-trattamenti. Per questo segmento applicativo, Victrex ha messo a punto una speciale formulazione (PEEK 450FC30), che si caratterizza per ottime proprietà di scorrimento a secco, anche senza lubrificazione. Recentemente, la società ha introdotto sul mercato la serie WG, che presenta un minore indice di usura (tra il 25-75%), un ridotto coefficiente di frizione (anche fino al 50%), una diminuzione della temperatura della controfaccia e una migliore forza di compressione, sia in condizioni a secco che in presenza di umidità.

Componenti per pompe. Un secondo esempio applicativo riguarda rotori e ruote dentate montate sulle pompe utilizzate nei sistemi carburante, olio e refrigerante, con benefici in termini di leggerezza ed emissioni acustiche, praticamente senza scadimento delle prestazioni: l'efficienza di un rotore per pompa realizzato in PEEK, testato in condizioni di pressione a 145 psi (10 bar) e temperatura di 80 °C, risulta inferiore solo del 5% rispetto ad uno analogo prodotto in metallo sinterizzato. Un altro aspetto critico riguarda le tolleranze, che nello stampaggio si possono ottenere tramite misure appropriate o attraverso l'incapsulamento dei nuclei di acciaio nel PEEK o in polimeri ad elevata resistenza termica. Un altro vantaggio offerto è rappresentato dalla bassa espansione termica lineare, paragonabile a quella degli alloggiamenti in alluminio; ciò rende la relazione fra temperatura e capacità di alimentazione molto simile a quella della configurazione di un rotore in acciaio.

Ingranaggi e rondelle di plastica. In ambito automotive, il PEEK viene anche utilizzato per le ruote dentate integrate nei meccanismi dei sedili, dove le caratteristiche più apprezzate sono, oltre alle proprietà meccanico-tribologiche, anche la resistenza alle sostanze aggressive, la resistenza termica e la lunga durata. Per le stesse ragioni, il PEEK è utilizzato per l'ingranaggio di riduzione montato sul motore elettrico che comanda le serrande di ventilazione, componenti che operano a temperature fino a 80 °C in condizioni di elevata umidità. Ingranaggi in tecnopolimero si trovano anche nei freni di stazionamento elettrici e nei servosterzi di ultima generazione, dove stanno sostituendo quelli conici di metallo nelle viti senza fine. Particolarmente interessante è la produzione di rondelle a spinta elicoidali per le trasmissioni automatiche, componenti soggette ad elevate forze assiali e carichi tribologici talvolta estremi. Victrex propone anche in questo caso il grado speciale 450FC30, modificato con il 10% di fibra di carbonio, grafite e PTFE.