Metal replacement: perché sostituire i metalli con polimeri e compositi?

Cos’è il Metal Replacement?

Il Metal replacement è la sostituzione dei metalli con i polimeri. Questa pratica è stata resa possibile con l’avvento di polimeri e compositi ad alte performance che, grazie alle loro proprietà meccaniche e all’eccellente resistenza termica, abilitano nuove applicazioni.

Il mondo dei materiali è un universo vastissimo e ogni famiglia ha le sue proprietà uniche. Appartengono a questa categoria i metalli, i polimeri, le ceramiche e i compositi. I materiali sono scelti in base all’applicazione, all’industria e alle condizioni di esercizio.

Metalli VS Polimeri, qual è la differenza?

Un metallo è un materiale con elevata resistenza meccanica che può riflettere la luce e condurre calore ed elettricità. I metalli sono caratterizzati principalmente da legami cristallini. Generalmente, possono essere attaccati da acidi e basi e in alcuni casi anche dall’acqua. Possono fondersi quando sottoposti al calore e sono malleabili e duttili, risultando idonei per l’utilizzo in diversi metodi di produzione. I principali svantaggi possono essere la conducibilità elettrica e termica ed il peso elevato.

Perché i materiali a base polimerica stanno sostituendo i metalli?

Un polimero è un materiale costituito da grandi molecole, o macromolecole, composte da numerose sottounità ripetute. Le proprietà di un polimero dipendono dalla sua struttura. Per esempio, i termoplastici diventano modellabili ad una determinata temperatura e si solidificano al raffreddamento. Tra le maggiori caratteristiche delle plastiche, vi è la facilità di lavorazione, l'economicità, l'isolamento termico ed elettrico, acustico e alle vibrazioni, e la resistenza chimica e alla corrosione.

Il metallo può essere sostituito?

L’età dei metalli iniziò otto mila anni fa (6000 A.C.) quando gli uomini iniziarono a fondere il rame. Da quel momento, sono stati sempre più frequentemente utilizzati per la produzione. La scoperta della plastica è decisamente più recente, risale a poco più di un secolo fa. I primi polimeri che sono stati scoperti sono i termoindurenti e i polimeri standard come la Xylonite. È in quel momento che ha avuto inizio il metal replacement, inizialmente principalmente focalizzato sui beni di consumo, a causa del costo inferiore di questo materiale. Negli ambienti industriali, sostituire i metalli con i polimeri è stata una sfida difficile, date le basse proprietà meccaniche dei polimeri standard. 
Solo più tardi, con l’avvento dei polimeri ad alte performance e dei compositi, il mondo ha iniziato a pensare alla sostituzione dei metalli in applicazioni estreme. 
I polimeri ad alte performance sono polimeri termoplastici con elevate performance meccaniche, termiche e chimiche con innumerevoli utilizzi, infatti possono sostituire metalli come il bronzo, l’ottone, l’acciaio inossidabile e le leghe di alluminio.

Tra i principali vantaggi del metal replacement ci sono:

• Riduzione del peso
• Resistenza chimica
• Migliori prestazioni.

Ma cosa succede quando il metal replacement incontra una tecnologia dirompente come la stampa 3D? Vediamo i principali vantaggi.

Stampa 3D del metallo: vantaggi del metal replacement

La tecnologia Roboze, con i suoi polimeri ad alte performance e compositi, combina i vantaggi del metal replacement con i vantaggi della tecnologia di fabbricazione additiva. Il risultato è una maggiore produttività di processo e costi di produzione inferiori.

Quando si sostituiscono parti in metallo prodotte tradizionalmente con componenti in polimeri e compositi stampati in 3D, si possono ottenere i seguenti vantaggi:

• Conservazione e ottimizzazione delle caratteristiche meccaniche, termiche e chimiche richieste.
• Miglioramento delle caratteristiche dielettriche e isolanti.
• Riduzione delle vibrazioni e del rumore.
• Riduzione del peso, principalmente dovuta al cambio di densità (ridotta di più del 50%). I metalli sono più pesanti dei polimeri, questo significa che i costi di fornitura, lavorazione e trasporto sono più alti. I prodotti più leggeri sono anche più ergonomici, e questo migliora la sicurezza dei lavoratori.
• Costi di produzione inferiori.
• Lead time ridotto.
• Maggiore libertà di design e flessibilità che migliora l’efficienza delle parti.
• Minore volatilità dei costi delle materie prime.
• Riduzione del materiale di scarto grazie alla deposizione del solo materiale necessario.

Vantaggi del metal replacement con Roboze: perché i materiali a base polimerica stanno sostituendo i metalli?

L’era del metal replacement è appena cominciata: con polimeri ad alte performance e materiali compositi stampati in 3D, sostituire i metalli è più facile che mai. PEEK, Carbon PEEK e Carbon PA sono i migliori materiali per il metal replacement. I metalli sono conosciuti per essere duri e duraturi e per resistere a temperature molto alte. Sicuramente non tutto ciò che oggi è prodotto in metallo può essere sostituito con non-metalli. Tuttavia, i polimeri e i compositi sono sempre più utilizzati in applicazioni industriali per sostituire i metalli, portando straordinari benefici.

Qui di seguito i vantaggi dei polimeri ad alte performance e dei materiali compositi rispetto ai metalli:

• Isolamento termico, elettrico e acustico di polimeri e compositi

I metalli sono noti per essere elettricamente e termicamente conduttivi. La loro resistività volumetrica è solitamente inferiore a 10-5 Ohm/cm e la loro conduttività termica può arrivare fino a 400 W/(m*K) per il rame. La resistività volumetrica dei polimeri è invece generalmente compresa tra 1012 e 1019 Ohm/cm, mentre la conducibilità termica è di circa 0,43 W/(m*K) per il PEEK. I compositi possono avere valori di resistività volumetrica più bassi e valori di conducibilità termica più alti rispetto alle plastiche, a causa della conduttività delle fibre di carbonio. La manipolazione di componenti ad alte temperature potrebbe rappresentare un rischio per i lavoratori. Allo stesso tempo, la manipolazione di parti elettricamente conduttive potrebbe anche compromettere la loro sicurezza, a causa di scariche e scosse elettriche. Avere polimeri al posto dei metalli si traduce in un lavoro più sicuro considerando qualsiasi componente, sia ad alte temperature che ad alte tensioni.

• Peso inferiore di polimeri e compositi

La densità dei metalli varia in un ampio intervallo: per le leghe di alluminio è di circa 2,7 g/cm3 per l'acciaio inossidabile 8 g/cm3, per l'ottone di circa 8,7 g/cm3. La densità dei polimeri è molto bassa, generalmente almeno la metà di quella dei metalli, essendo compresa tra 0,9 e 1,5 g/cm3. Ad esempio, il PEEK è l'84% più leggero dell'SS316 e il 52% più leggero dell'alluminio 6063. Alcuni settori, come quello aerospaziale e dei trasporti, sono favorevoli alla riduzione del peso dei loro componenti, perché si traduce in un aumento dell'autonomia o nella riduzione del carburante consumato. Ad esempio, il prezzo per inviare 1 kg di carico utile con il lanciatore Falcon 9 di SpaceX è di circa $ 2720. Riducendo il peso delle parti, è quindi possibile ottenere un notevole risparmio.

• Elevata resistenza meccanica di polimeri e compositi

I metalli utilizzati nell'industria sono noti per avere proprietà meccaniche molto elevate. Con lo sviluppo di nuovi compositi, principalmente rinforzati con fibre di carbonio, il carico di rottura ha visto enormi miglioramenti. Ad esempio, il Carbon PEEK di Roboze può avere un UTS fino a 138 MPa, addirittura superiore a quello di alcune leghe di alluminio come l'Aluminium 6063 (carico di rottura di 130 MPa). Ciò consente al Carbon PEEK e al Carbon PA di sostituire l'alluminio nell'industria manifatturiera.

• Elevata resistenza specifica di polimeri e compositi

La resistenza specifica di qualsiasi materiale è calcolata come il rapporto tra il carico di rottura e la densità. I metalli hanno generalmente elevate proprietà meccaniche ma anche un'elevata densità. D'altra parte, polimeri e compositi ad alte prestazioni hanno proprietà meccaniche piuttosto elevate e bassa densità, con conseguente resistenza specifica molto elevata. È il caso della Carbon PA, un materiale composito che ha una resistenza specifica di 98,6 MPa*cm3/g, cioè più del doppio della resistenza specifica dell'alluminio 6063 e quasi un terzo superiore all'acciaio inossidabile 316.

• Elevata resistenza alle temperature di polimeri e compositi

È noto che i metalli industriali comuni fondono a temperature molto elevate. I polimeri standard non resistono bene a temperature superiori a 100 °C. Con la diffusione di polimeri e compositi ad alte performance, le temperature di utilizzo continuo sono aumentate fino a raggiungere i 280 °C. Tale proprietà consente l'uso di questi materiali in un intervallo di temperatura più ampio, finora considerato esclusivamente in relazione ai metalli.

• Resistenza chimica e alla corrosione di polimeri e compositi

La corrosione è un grande problema per i metalli. Non solo provoca danni, ma riduce anche l'efficienza di un prodotto, che necessita di essere sostituito più frequentemente. Al contrario, i polimeri possono essere resistenti a una vasta gamma di sostanze chimiche, sia acidi che basi, incrementando la loro vita utile. Questo è l'esempio del PEEK e dei suoi compositi, estremamente resistenti a un'ampia gamma di sostanze chimiche, ad esempio carburanti, lubrificanti, idrogeno, cloro, acqua di mare, nitrato di ammonio e molti altri.

Applicazioni di metal replacement: come identificare una parte per metal replacement

Molte altre applicazioni possono essere rese possibili grazie al metal replacement con polimeri e compositi ad alte prestazioni. Qui di seguito una breve guida per verificare se il metal replacement è adatto alla tua applicazione:

• Temperatura di esercizio inferiore a 300 °C.
• Da bassi a medi carichi, resistenza a trazione necessaria inferiore a 140 MPa.
• Ambiente altamente corrosivo, ad es., settore Oil&Gas.
• Applicazioni in cui il peso è un fattore critico, ad es. applicazioni aerospaziali.
• Richiesta di parti isolanti, ad es. industria elettrica.

Cosa può essere utilizzato al posto del metallo? Alcuni esempi

I metalli sostituiti dai polimeri sono alluminio, acciaio inossidabile e ottone. Contatta il nostro team di ingegneri per verificare se i materiali tradizionalmente da te utilizzati possono essere sostituiti dai nostri polimeri e compositi ad alte performance.

Alcuni esempi di applicazioni di metal replacement:

• Metal Replacement nell'industria nautica: l'ottone è ampiamente utilizzato nell'industria nautica, nonostante il suo peso elevato, perché è facile da lavorare ed è resistente all'acqua di mare e antibatterico, il che significa che la sua buona resistenza chimica non consente a batteri e alghe di crescere su di esso. Grazie alla resistenza chimica all'acqua di mare, PEEK e Carbon PEEK possono sostituire l'ottone. Un recente caso di studio vede la stampa 3D di un ingranaggio in Carbon PEEK che sostituisce l'ottone piombato nell'ambiente marino.
• Metal Replacement nell'industria manifatturiera: le applicazioni si concentrano maggiormente su una discreta resistenza meccanica delle parti a basso costo e peso contenuto; pertanto, l'alluminio è ampiamente utilizzato. Grazie alle sue eccezionali proprietà meccaniche, con un carico di rottura fino a 138 MPa, la Carbon PA può sostituire maschere e dispositivi in alluminio in qualsiasi officina. È il caso delle dime di foratura, solitamente realizzate in alluminio, che vengono sostituite dal Carbon PA.
• Metal Replacement nell'industria chimica: l'acciaio inossidabile è famoso per avere una buona resistenza chimica, da qui il suo utilizzo nell'industria chimica. La sostituzione con PEEK e Carbon PEEK, grazie alla loro superlativa resistenza chimica, consente massicce riduzioni di peso, quindi una migliore ergonomia. Ad esempio, l'acciaio inossidabile può corrodersi se viene a contatto con cloruro, acido cloridrico, acido acetico o acido solfidrico, mentre il PEEK resiste senza problemi in questi ambienti.