3D打印PEEK和PEI等熱塑性材料介紹
魔猴君 行業(yè)資訊 1875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?？量痰膽?yīng)用。盡管它們占所有熱塑性塑料總市場份額的不到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，可以制造出優(yōu)化的、高質(zhì)量的零件供實際使用。
“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?！?/span>
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，因為材料的耐熱性、高強(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現(xiàn)功能原型設(shè)計。
醫(yī)療級和可植入生物材料，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所考慮的因素之一：
“當(dāng)3D打印時，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)境中的許多溫度對打印層產(chǎn)生影響，例如腔室溫度、腔室對流和噴嘴溫度等。因此，擠出機(jī)和環(huán)境之間的溫度快速變化可能會導(dǎo)致整體結(jié)晶率變低?！?/span>
“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，偽非晶等級熔點(diǎn)為305°C，半晶結(jié)級熔點(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?！?/span>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獨(dú)特的挑戰(zhàn)，因為結(jié)晶會導(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)都會保持冷卻，腔室和床層中包含的環(huán)境溫度對第一層沉積時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?！彼f，“像PEEK和PEI這樣的高強(qiáng)度材料需要一個主動加熱的建造室，否則它們就會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，因為所有第一層粘合都會導(dǎo)致翹曲，而過高的床層溫度會導(dǎo)致第一層著床時粘附力過強(qiáng)，最后難以拆除部件，可能會損壞床和部件；但如果床太冷，則第一層可能不會牢固地附著，該部件就可能在打印過程中發(fā)生翹曲。
“對于非晶體和半結(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?！?/span>
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，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。對于高性能聚合物，在半結(jié)晶聚合物的情況下，您需要一個能達(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?！?/span>
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，這可以延長組件的使用壽命，并可以精確控制熱端的長絲軟化過程。
此外，她聲稱打印機(jī)應(yīng)該有一個封閉的腔室，以及一個可加熱的構(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，可能為實現(xiàn)高質(zhì)量打印帶來不必要的挑戰(zhàn)?！?/span>
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，以及如果專業(yè)人員可以從計算機(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?，F(xiàn)在針對專業(yè)工業(yè)領(lǐng)域，這些打印機(jī)正變得越來越普遍。
