3D打印PEEK和PEI等熱塑性材料介紹
魔猴君 行業(yè)資訊 1906天前
第一種合成聚合物是由John Wesley Hyatt于1869年開發(fā)的，作為象牙的替代品。我們現(xiàn)在根本無法想象沒有聚合物的生活。據(jù)了解，2015年，全球生產(chǎn)了超過3.2億噸聚合物（不包括纖維），大量熱塑性塑料進(jìn)入汽車行業(yè)（減輕重量并達(dá)到更高的燃油效率標(biāo)準(zhǔn)），每年超過7000萬噸熱塑性塑料用于紡織品，主要是服裝和地毯。但最有趣的熱塑性塑料之一是高性能的熱塑性塑料，專門用于非常苛刻的應(yīng)用。盡管它們占所有熱塑性塑料總市場(chǎng)份額的不到1％，但由于其在需要高耐熱、化學(xué)反應(yīng)性、機(jī)械強(qiáng)度、可回收和輕質(zhì)材料的行業(yè)中的可能性，它們變得越來越重要。
熱塑性材料的性能？
今天工業(yè)3D打印已經(jīng)將高強(qiáng)度熱塑性塑料PEEK，PEKK和PEI用于困難環(huán)境中的許多工程應(yīng)用。當(dāng)3D打印與熱塑性塑料結(jié)合使用時(shí)，可以制造出優(yōu)化的、高質(zhì)量的零件供實(shí)際使用。
“超高分子在高溫下（超過300°C）穩(wěn)定、耐化學(xué)和耐輻照，與許多增強(qiáng)劑兼容，比許多金屬更強(qiáng)，并具有高機(jī)械特性，使其在各種工業(yè)的工業(yè)應(yīng)用中極具吸引力，如航空航天、石油和天然氣、核能、海洋、生物醫(yī)學(xué)、工具和汽車行業(yè)。”AON3D的研究科學(xué)家之一Avalos說。
1985年以后，3D打印中經(jīng)常使用的材料配方是聚合物，PEEK和PEKK都是半結(jié)晶的（現(xiàn)在已有非晶態(tài)的PEKK），而PEI是非晶態(tài)的。根據(jù)Avalos的說法，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）決定了聚合物的狀態(tài)，即“聚合物從無定形狀態(tài)變?yōu)楦犴g的橡膠狀態(tài)的溫度”。這些“半結(jié)晶聚合物同時(shí)具有結(jié)晶性（例如，PEEK與大多數(shù)其他塑料相比具有極強(qiáng)的耐受性，Tg為143°C，熔化溫度為343°C。
“熱彈性還意味著一些高性能熱塑性塑料可以抵抗熱降解，并且與超高真空應(yīng)用兼容，這對(duì)于航空航天工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的許多用例來說都是必需的——這使之成為需要在高溫下滅菌的零部件的理想選擇。”
此外，PEEK具有出色的機(jī)械和化學(xué)耐受性能，這是汽車行業(yè)非常感興趣的特性，因?yàn)椴牧系哪蜔嵝浴⒏邚?qiáng)度和耐用性，可以承受引擎蓋下的溫度，并且能夠以比以往更低的成本實(shí)現(xiàn)功能原型設(shè)計(jì)。
醫(yī)療級(jí)和可植入生物材料，如PEEK，也可用于神經(jīng)系統(tǒng)應(yīng)用，以幫助控制癲癇、帕金森病、腦外傷，甚至用于脊柱融合裝置。PEEK在脊柱植入物設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有最大的臨床影響，現(xiàn)在已被廣泛接受為脊柱共同體中金屬生物材料的一種放射性替代品。在二十年前確認(rèn)其生物相容性后，PAEK越來越多地被用作整形外科、創(chuàng)傷和脊柱植入物的生物材料。
Avalos解釋說，耐熱性是熱塑性塑料的一個(gè)重要品質(zhì)，而能夠承受極端溫度條件是人們將之用于制造過程時(shí)所考慮的因素之一：
“當(dāng)3D打印時(shí)，結(jié)晶速率從來都不是恒定的，并且很大程度上受到擠出熔融聚合物的環(huán)境的影響。打印環(huán)境中的許多溫度對(duì)打印層產(chǎn)生影響，例如腔室溫度、腔室對(duì)流和噴嘴溫度等。因此，擠出機(jī)和環(huán)境之間的溫度快速變化可能會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)晶率變低。”
“PEKK看起來很像PEEK，結(jié)晶行為也相似，但它的Tg略高于160°C，而PEEK為143°C，偽非晶等級(jí)熔點(diǎn)為305°C，半晶結(jié)級(jí)熔點(diǎn)為332°C。與PEEK不同，PEKK結(jié)晶速率稍慢，這使得它更容易控制，可以導(dǎo)致更好的層焊。”Avalos聲稱。
用PEKK來3D打印的零件
然而，許多專家還認(rèn)為，即使最現(xiàn)代版本的PEKK也仍然比PEEK更難以結(jié)晶，這可能是PEEK是打印市場(chǎng)上最受關(guān)注的熱塑性塑料之一的原因。
非晶態(tài)、高性能熱塑性PEI也具有很強(qiáng)的耐受性，與大多數(shù)非晶態(tài)聚合物一樣，具有熱成型能力、半透明性、易與粘合劑或溶劑粘合等特點(diǎn)。因其對(duì)許多流體具有耐化學(xué)性，因此在航空航天和汽車工業(yè)中非常受歡迎。此外，PEI比其他高性能熱塑性塑料便宜得多，并且具有很好的物理性能，例如耐高熱、耐溶劑和阻燃性。
熱塑性材料的3D打印面臨什么挑戰(zhàn)？
PEI的3D打印
Avalos表示3D打印高性能材料時(shí)的一些挑戰(zhàn)包括翹曲、收縮和變形。
“半結(jié)晶聚合物提供了一個(gè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)，因?yàn)榻Y(jié)晶會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的收縮，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致變形。下層的結(jié)晶可以改變與下一層之間焊接中的位移。熱塑性塑料通常體積減小，并且從熔融狀態(tài)到固態(tài)都會(huì)保持冷卻，腔室和床層中包含的環(huán)境溫度對(duì)第一層沉積時(shí)收縮的程度有很大影響，下面的沉積層也將經(jīng)歷相同的冷卻和收縮過程，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，存在于部件內(nèi)并逐層累積。”他說，“像PEEK和PEI這樣的高強(qiáng)度材料需要一個(gè)主動(dòng)加熱的建造室，否則它們就會(huì)受到層合不良和零件強(qiáng)度極低的影響。”
Avalos聲稱，為了避免收縮，材料從熔融狀態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，并減少部件內(nèi)的殘余應(yīng)力，擠出機(jī)、加熱室和床的溫度環(huán)境非常重要。聚合物目前非常流行，但在過去，溫度是一個(gè)很大的障礙，所以他建議“在盡可能高的室溫和床屋溫度下打印非晶態(tài)聚合物，保持床溫盡可能接近Tg，以保持整體環(huán)境的溫度一致。”目前，已經(jīng)有一些3D打印機(jī)這么設(shè)計(jì)了。
他還建議，“了解建造板的材料及其與打印材料的相互作用”是關(guān)鍵，因?yàn)樗械谝粚诱澈隙紩?huì)導(dǎo)致翹曲，而過高的床層溫度會(huì)導(dǎo)致第一層著床時(shí)粘附力過強(qiáng)，最后難以拆除部件，可能會(huì)損壞床和部件；但如果床太冷，則第一層可能不會(huì)牢固地附著，該部件就可能在打印過程中發(fā)生翹曲。
“對(duì)于非晶體和半結(jié)晶材料，必須仔細(xì)控制層焊的環(huán)境，以確保良好的零件強(qiáng)度。”
熱塑性塑料產(chǎn)品在重量比和剛度比方面的表現(xiàn)在某些情況下甚至優(yōu)于金屬，但熱塑性塑料在批量生產(chǎn)時(shí)不具備成本效益，而且還不能打印體積非常大的部件。
熱塑性材料3D打印機(jī)應(yīng)具備什么功能？
“在選擇用于PEEK、PEKK和PEI的工業(yè)3D打印機(jī)時(shí)，有許多關(guān)鍵組件需要考慮，尤其是管理打印機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵環(huán)境溫度方面所涉及的元素：熱端、建造板和腔室。對(duì)于高性能聚合物，在半結(jié)晶聚合物的情況下，您需要一個(gè)能達(dá)到并超過材料熔化溫度的熱端，或者遠(yuǎn)高于非晶態(tài)聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。”
她建議專業(yè)人士尋找能提供冷卻系統(tǒng)的打印機(jī)，例如連接在熱端的液體冷卻回路，這可以延長(zhǎng)組件的使用壽命，并可以精確控制熱端的長(zhǎng)絲軟化過程。
此外，她聲稱打印機(jī)應(yīng)該有一個(gè)封閉的腔室，以及一個(gè)可加熱的構(gòu)建板，可以達(dá)到合適的溫度，使熔融的聚合物深深地抓住表面的空腔，并在兩種材料之間產(chǎn)生良好的吸引力——特別是3D打印PEEK——由于來自構(gòu)建板表面的熱流有助于加速結(jié)晶過程。她還建議使用帶有活動(dòng)室加熱的封閉室，這意味著有一種機(jī)制可以使室內(nèi)的空氣循環(huán)，以確保在整個(gè)打印過程中產(chǎn)生衡溫條件。
“有些3D打印機(jī)提供的腔室加熱缺乏活性成分，導(dǎo)致熱量分布不均勻，可能為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量打印帶來不必要的挑戰(zhàn)。”
買方應(yīng)該探索用于3D打印的3D切片軟件以及用于控制機(jī)器的任何軟件，無論供應(yīng)商是否包括關(guān)鍵材料的機(jī)器特定構(gòu)建配置文件，系統(tǒng)是否是開放式或封閉式材料平臺(tái)，以及如果專業(yè)人員可以從計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制3D打印機(jī)。
在過去幾年中，許多公司開始開發(fā)用于使用熱塑性塑料進(jìn)行3D打印的FDM（熔融沉積成型）機(jī)器。現(xiàn)在針對(duì)專業(yè)工業(yè)領(lǐng)域，這些打印機(jī)正變得越來越普遍。
