高性能熱塑性塑料:PEEK、ULTEM和其他聚合物
魔猴君 知識堂 154天前
近年來,高性能熱塑性塑料已成為3D打印領(lǐng)域的熱門話題,其市場增長迅速。這些材料因其強(qiáng)度和重量輕而在工業(yè)上很有吸引力,并且其中有許多可用于增材制造。一個(gè)例子是聚芳醚酮(PAEK),這是一種半結(jié)晶塑料,能夠承受高溫,同時(shí)保持相當(dāng)大的強(qiáng)度。PAEK主要以聚醚醚酮(PEEK)和聚醚醚酮酮(PEKK)兩種高剛性材料的形式使用。一種更便宜的替代品聚醚酰亞胺(PEI),也稱為ULTEM,也變得越來越普遍。但到底什么是高性能塑料呢?如何打印它們?制造商有哪些?以下PAEK和PEI系列指南將告訴您有關(guān)這些材料所需了解的一切。
高性能聚合物的制備及性能
關(guān)于高性能聚合物,首先要了解的是,盡管它們具有共同的特性,但它們并不完全相同。然而,總的來說,高性能熱塑性塑料,特別是PEEK,強(qiáng)度與鋼一樣,比金屬輕80%,使其在制造業(yè)中備受追捧。與大多數(shù)其他塑料不同,PAEK材料除了在連續(xù)運(yùn)行中具有出色的機(jī)械性能和高達(dá)250°C的耐熱性外,還能夠耐油和其他物質(zhì)的溶解。發(fā)生火災(zāi)時(shí),幾乎不會(huì)釋放出有害氣體或蒸氣。
盡管它們在增材制造中變得越來越普遍,但不可否認(rèn)的是,它們的增長速度比其他聚合物要慢。事實(shí)上,這些材料已經(jīng)存在了三十多年,特別是通過注塑或機(jī)械加工。最初,Stratasys是唯一一家能夠生產(chǎn)能夠承受熔化PAEK和PEI聚合物所需高溫的打印機(jī)的公司。然而,隨著市場開始開放,其他公司也有機(jī)會(huì)嘗試這些打印機(jī),從而導(dǎo)致其發(fā)明大規(guī)模商業(yè)化。隨著時(shí)間的推移和進(jìn)入壁壘的降低,我們看到越來越多的公司進(jìn)入這一領(lǐng)域并開始制造能夠加工PAEK熱塑性塑料的3D打印機(jī)。
另一種材料PEI最初由通用電氣塑料部門于20世紀(jì)80年代末開發(fā),但在2007年,沙特阿拉伯最大的國有公司之一SABIC收購了該部門,并獲得了ULTEM品牌的權(quán)利。由于這種材料是PEEK的更便宜的替代品,因此從財(cái)務(wù)角度來看它立即引起了極大的興趣。結(jié)合其各種重要的物理特性,例如高耐熱性、耐溶劑性和阻燃性、介電強(qiáng)度和導(dǎo)熱性,它代表了工程項(xiàng)目的出色解決方案。ULTEM已成為要求非常高的工程應(yīng)用(例如航空航天工業(yè))的首選材料。
高性能塑料3D打印
通常,PAEK和PEI聚合物采用熔融沉積成型(FDM)技術(shù)或選擇性激光燒結(jié)(SLS)工藝進(jìn)行打印。然而,考慮到這些聚合物的高溫能力,普通3D打印機(jī)無法處理這些細(xì)絲也是可以理解的。PAEK/PEI 3D打印機(jī)必須具有能夠承受300°C以上溫度的噴嘴,因?yàn)檫@是這些聚合物的熔點(diǎn)。此外,加熱板必須達(dá)到至少150°C才能移除物體。最后,需要更強(qiáng)大的冷卻機(jī)制來確保封閉室內(nèi)的正確溫度平衡。
高性能熱塑性塑料的后處理是必要的,并且與任何復(fù)雜的FDM打印部件一樣,需要支撐結(jié)構(gòu)。然而,對于PAEK和PEI,由于最終產(chǎn)品的硬度,很難去除背襯。因此,通常使用一系列工具來完成零件。
另一方面,通過SLS工藝,無需額外工具即可幾乎完美地打印零件。然而,制造商必須考慮變形。一旦物體停止打印并且室內(nèi)溫度下降,聚合物就會(huì)收縮。因此,PAEK和PEI在打印小物體時(shí)非常受歡迎,但零件越大,翹曲效果越強(qiáng)。盡管可以通過優(yōu)化速度和溫度等關(guān)鍵打印參數(shù)在一定程度上控制這一點(diǎn),但這仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
此外,高性能熱塑性塑料的使用還遠(yuǎn)未得到充分開發(fā)。制造過程的某些方面仍在研究并不斷改進(jìn)。然而,新的創(chuàng)新正在不斷改善這種體驗(yàn)。許多公司目前正在研究FDM解決方案,該解決方案涉及用不同的材料打印物體的支撐結(jié)構(gòu),以便在打印后可以更快、更輕松地將其移除。此外,Kimya等其他公司已開始提供材料組合,以充分利用多種材料。這樣,最終產(chǎn)品可以由例如70%PEEK和30%碳纖維組成。
可能的應(yīng)用
正如您所料,具有如此多重要特性的一系列材料可用于多種行業(yè)。汽車行業(yè)很快開始將PAEK和PEI的獨(dú)特功能用于各種應(yīng)用。這些材料影響最大的領(lǐng)域之一是用于注塑成型、熱成型和固定裝置的低成本、高速模具的生產(chǎn)。這使得公司能夠以低成本生產(chǎn)中小批量產(chǎn)品,而無需投資大批量生產(chǎn)。定制零件的生產(chǎn)需求也越來越大,因?yàn)樗鼈兛梢愿鶕?jù)特定要求進(jìn)行定制,并且可以進(jìn)行復(fù)雜的修改以改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
與許多其他3D打印材料一樣,PAEK和PEI系列廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。眾所周知,PEEK可以保護(hù)磁共振成像(MRI)掃描儀。它也被認(rèn)為是一種用于醫(yī)療植入物、加強(qiáng)棒和脊柱融合裝置的先進(jìn)生物材料。由于它可以承受沸水和過熱蒸汽,因此非常適合需要在極高溫度下滅菌的產(chǎn)品。
高性能熱塑性塑料也常用于航空航天工業(yè)。耐化學(xué)性、高強(qiáng)度重量比以及低火、低煙和低毒性水平使這些聚合物成為金屬的理想替代品,通常用于航天器零件和工具。隔熱隔音、結(jié)構(gòu)支撐、支架和支柱、緊固件、連接器和管道系統(tǒng)只是航空航天工程使用PAEK和PEI的幾個(gè)例子,通??梢詫⒘慵亓繙p輕70%。使用先進(jìn)熱塑性塑料的其他行業(yè)包括航運(yùn)、核能、石油和天然氣等。
主要生產(chǎn)廠家及材料價(jià)格
正如預(yù)期的那樣,許多大公司已經(jīng)認(rèn)識到從高性能熱塑性塑料向增材制造的轉(zhuǎn)變。因此,在制造PAEK材料時(shí)看到阿科瑪、Lehmann&Voss和Solvay(僅舉幾例)等名字就不足為奇了。然而,說到愛德華王子島,SABIC的ULTEM品牌是目前市場上唯一的品牌。
當(dāng)談到能夠加工PAEK和PEI的打印機(jī)時(shí),中國制造商INTAMSYS引起了廣泛關(guān)注,因?yàn)樗峁┝艘幌盗羞m用于高性能聚合物的專業(yè)和桌面3D打印機(jī)。但荷蘭Tractus3D也越來越受歡迎,德國巨頭EOS也越來越受歡迎,該公司最近推出了一款能夠處理這些材料的新型HTLS(高溫激光燒結(jié))打印機(jī)。
然而,正如您所料,這些高性能聚合物并不便宜。PEEK、UTLEM和PEKK是市場上最昂貴的3D打印材料。盡管ULTEM是一種稍便宜的替代品,但一公斤長絲線軸的起價(jià)超過180歐元,而且根據(jù)品牌和材料特性,成本通常要高得多。目前,1公斤材料的PEEK成本通常為270歐元至650歐元以上,而同等數(shù)量的PEKK平均成本為370至460歐元。
如果您對這些材料制成的細(xì)絲感興趣,您還應(yīng)該記住,您不能僅使用任何打印機(jī)進(jìn)行打印。如上所述,您應(yīng)該投資專門為高性能聚合物設(shè)計(jì)的打印機(jī)。這些打印機(jī)自然也比便宜的FDM型號更昂貴。許多起價(jià)超過4,500歐元,而且大多數(shù)都遠(yuǎn)高于此。然而,多年來我們發(fā)現(xiàn),隨著市場的增長,消費(fèi)者的選擇也在不斷增加。也許在不久的將來,隨著使用高性能聚合物的增材制造應(yīng)用變得更加廣泛,我們將看到打印機(jī)和材料價(jià)格下降。
來源:3dnatives