Materiały do druku 3D o wysokiej wydajności: PEEK, ULTEM i inne polimery

Źródło: 3dnatives.com

W ostatnich latach materiały wysokowydajne stały się bardzo kontrowersyjnym tematem w społeczności druku 3D. W świecie, który nieustannie zmienia się i adaptuje do nowych technologii oraz materiałów, kwestią czasu było, kiedy polimery termoplastyczne o wysokich osiągach wyróżnią się na tle innych materiałów do druku 3D. Poliaryloeteroketon (PAEK) to rodzina półkrystalicznych tworzyw termoplastycznych, zdolnych do pracy w wysokich temperaturach przy jednoczesnym zachowaniu wyjątkowej wytrzymałości. PAEK jest wykorzystywany głównie w postaci polieteroeteroketonu (PEEK) oraz polieteroketonoketonu (PEKK) – dwóch materiałów o wysokiej sztywności. Niemniej jednak znacznie tańsza alternatywa, polieteroimid (PEI), znany również jako ULTEM, zyskał dużą uwagę, ponieważ ze względu na brak ketonu w strukturze jest znacznie tańszy. Poniżej znajdziesz wszystko, co musisz wiedzieć o rodzinach PAEK i PEI.

Produkcja i właściwości polimerów wysokowydajnych

Pierwszą rzeczą, którą warto zauważyć w odniesieniu do polimerów wysokowydajnych, jest to, że choć dzielą one wspólne cechy, nie wszystkie są identyczne. Mimo to, ogólnie można stwierdzić, że tworzywa termoplastyczne o wysokich osiągach, a w szczególności PEEK, są tak wytrzymałe jak stal i o 80% lżejsze od metalu, co czyni je niezwykle pożądanymi w sektorze produkcyjnym. Ponadto, poza wyjątkową odpornością mechaniczną i termiczną do 250 °C (482 °F) przy pracy ciągłej, materiały PAEK są również odporne na rozpuszczanie w olejach i innych substancjach, w przeciwieństwie do większości innych tworzyw sztucznych. W przypadku narażenia na ogień nie uwalniają one niemal żadnych szkodliwych gazów ani oparów.

W rzeczywistości materiały te są znane od ponad trzydziestu lat, wykorzystywane głównie w formowaniu wtryskowym lub obróbce mechanicznej. Początkowo firma Stratasys była jedynym producentem drukarek zdolnych do obsługi wysokich temperatur wymaganych do topienia polimerów PAEK i PEI. Wraz z otwarciem rynku, więcej firm zyskało szansę na eksperymentowanie z tymi materiałami, co doprowadziło do masowej komercjalizacji ich wynalazków. Z biegiem czasu i obniżaniem barier wejścia na rynek, obserwujemy coraz większą liczbę firm, które wkraczają do sektora i rozpoczynają produkcję drukarek zdolnych do obsługi termoplastów PAEK.

PEI został opracowany pod koniec lat 80. przez dział tworzyw sztucznych firmy General Electric. Jednak w 2007 roku SABIC, jedna z głównych spółek publicznych Arabii Saudyjskiej, przejęła ten dział, a tym samym prawa do marki ULTEM. Ponieważ materiał ten jest tańszą alternatywą dla PEEK, od razu wzbudził duże zainteresowanie z finansowego punktu widzenia. W połączeniu z jego różnorodnymi i istotnymi właściwościami fizycznymi, takimi jak odporność na wysokie temperatury, rozpuszczalniki i płomienie, wytrzymałość dielektryczna oraz przewodność cieplna, stanowi on fantastyczne rozwiązanie dla licznych projektów inżynieryjnych. ULTEM stał się materiałem pierwszego wyboru w przypadku niezwykle trudnych zastosowań inżynieryjnych, zazwyczaj w sektorze lotniczym.

Druk 3D z użyciem polimerów wysokowydajnych

Polimery PAEK i PEI są drukowane głównie metodą FDM (modelowanie przez osadzanie topionego materiału) lub SLS (selektywne spiekanie laserowe). Biorąc pod uwagę wysokie temperatury, w których pracują te polimery, zrozumiałe jest, że żadna zwykła drukarka 3D nie jest w stanie przetwarzać tych filamentów. Drukarka 3D do materiałów PAEK/PEI musi posiadać dyszę ekstrudera zdolną do pracy w temperaturach przekraczających 300°C, czyli temperaturze topnienia tych polimerów. Co więcej, podgrzewany stół musi osiągnąć co najmniej 150°C, aby obiekt mógł zostać odłączony. Wreszcie, wymagane są zaawansowane mechanizmy chłodzenia, aby zapewnić prawidłowy bilans termiczny w zamkniętej komorze.

Obróbka końcowa (post-processing) materiałów wysokowydajnych jest niezbędną procedurą. Podobnie jak w przypadku każdego złożonego elementu drukowanego metodą FDM, konieczne jest zastosowanie podpór. Jeśli chodzi o PAEK i PEI, ze względu na sztywność finalnego obiektu, odrywanie podpór może być skomplikowane. W rezultacie do sfinalizowania obróbki detalu często wykorzystuje się zestaw odpowiednich narzędzi.

Z drugiej strony, w przypadku technologii SLS detal jest drukowany niemal perfekcyjnie, bez potrzeby dodatkowej obróbki mechanicznej. Niemniej jednak producenci muszą wziąć pod uwagę zjawisko odkształcania (warping). Po zakończeniu drukowania obiektu i spadku temperatury wewnątrz komory, polimery mają tendencję do kurczenia się. Z tego powodu PAEK i PEI są często stosowane do drukowania małych przedmiotów, ponieważ im większa część, tym większy będzie efekt odkształcenia (warping). Można to jednak w pewnym stopniu kontrolować poprzez optymalizację parametrów druku, takich jak prędkość i temperatura.

Wykorzystanie termoplastów o wysokich parametrach jest wciąż udoskonalane. Trwają prace nad procesem produkcyjnym, który jest stale poprawiany. Na przykład, jak wspomniano powyżej, po wydrukowaniu obiektu z PAEK często nadal wymagana jest dodatkowa, skomplikowana obróbka. Niemniej jednak nowe innowacje stale usprawniają ten proces. Wiele firm pracuje obecnie nad rozwiązaniem FDM, w którym podpory obiektu są drukowane z innego materiału, dzięki czemu można je łatwiej i szybciej usunąć po zakończeniu druku. Co więcej, inne firmy, takie jak Kimya, zaczęły koncentrować się na łączeniu materiałów, co pozwala wykorzystać to, co najlepsze w każdym z nich. W ten sposób produkt końcowy może składać się na przykład w 70% z PEEK i w 30% z włókna węglowego.

Zastosowania

Jak można sobie wyobrazić, rodzina materiałów o tak wielu cechach i zaletach znajduje zastosowanie w różnych sektorach. Przemysł motoryzacyjny szybko zaczął wykorzystywać unikalne możliwości PAEK i PEI w szeregu zastosowań. Jednym z obszarów, w którym PAEK i PEI okazały się najbardziej rewolucyjne, jest produkcja niskokosztowych narzędzi do formowania wtryskowego, termoformowania oraz przyrządów mocujących. Pozwala to firmom na produkcję małych i średnich partii detali przy niskich kosztach, bez konieczności inwestowania w produkcję na dużą skalę. Ponadto, produkcja części personalizowanych cieszy się coraz większym zainteresowaniem, ponieważ mogą one być modyfikowane zgodnie z określonymi wymaganiami i wytrzymywać skomplikowane zmiany w celu poprawy ich struktury.

Podobnie jak w przypadku wielu innych materiałów do druku 3D, rodziny PAEK i PEI są szeroko stosowane w medycynie. PEEK jest znany z zastosowania w ekranowaniu urządzeń do rezonansu magnetycznego (MRI). Jest również uważany za zaawansowany biomateriał stosowany w implantach medycznych oraz prętach wzmacniających i urządzeniach do stabilizacji kręgosłupa. Fakt, że materiał ten wytrzymuje gotowanie w wodzie i sterylizację parą wodną, czyni go idealnym do obiektów, które muszą być poddawane sterylizacji w bardzo wysokich temperaturach.

Termoplasty wysokowydajne są również powszechnie stosowane w sektorze lotniczym. Odporność chemiczna, wysoki stosunek wytrzymałości do masy oraz niskie ryzyko pożaru, emisji dymu i toksyczności czynią te polimery idealnymi zamiennikami metali, często wykorzystywanymi do produkcji elementów samolotów i podzespołów maszyn. Izolacja termoakustyczna, wsporniki konstrukcyjne, zaciski, podkładki dystansowe, elementy mocujące, złącza i przewody to tylko niektóre przykłady elementów, w których sektor inżynierii lotniczej zaczął stosować PAEK i PEI, często redukując wagę detali o 70%. Inne sektory wykorzystujące materiały wysokowydajne to: przemysł morski, jądrowy, ropy i gazu oraz wiele innych.

Główni producenci i ceny materiałów wysokowydajnych

Wiele dużych koncernów chemicznych szybko zdało sobie sprawę ze znaczenia termoplastów wysokowydajnych w wytwarzaniu przyrostowym. W rezultacie wiodące firmy, takie jak Arkema, Lehmann & Voss i Solvay (by wymienić tylko kilka), należą do głównych producentów materiałów PAEK. Jeśli chodzi o PEI, marka ULTEM firmy SABIC jest obecnie jedyną dostępną na rynku.

Jeśli chodzi o drukarki obsługujące PAEK i PEI, chiński producent INTAMSYS zyskał ogromną uwagę, oferując gamę profesjonalnych i biurkowych drukarek 3D. Niemniej jednak holenderski Tractus3D staje się coraz bardziej popularny, podobnie jak niemiecki gigant EOS, który wprowadził na rynek drukarkę HTLS (High Temperature Laser Sintering), zdolną do przetwarzania tych materiałów.

Mimo to, jak można się spodziewać, polimery te nie są tanie. PEEK, ULTEM i PEKK należą do najdroższych materiałów do druku 3D dostępnych na rynku. Chociaż ULTEM jest nieco tańszą alternatywą, 1 kg szpula filamentu kosztuje powyżej 200 dolarów, a często znacznie więcej, w zależności od marki i właściwości materiału. PEEK kosztuje zazwyczaj powyżej 300, a nawet 700 dolarów za 1 kg materiału, podczas gdy cena PEKK waha się średnio od 400 do 500 dolarów za tę samą ilość.

Co więcej, jeśli interesujesz się filamentem, musisz pamiętać, że druku nie można wykonać na dowolnym urządzeniu. Jak już wspomniano, konieczna jest inwestycja w drukarkę zaprojektowaną do pracy z polimerami wysokowydajnymi. Drukarki te są zrozumiale droższe od standardowych modeli FDM. Niektóre z nich zaczynają się od ceny ponad 5000 euro, ale zazwyczaj kosztują znacznie więcej. Jednak z biegiem lat widać, że wraz ze wzrostem rynku rośnie również wybór dostępny dla konsumentów. Być może w niedalekiej przyszłości będziemy świadkami spadku cen zarówno drukarek, jak i materiałów, w miarę jak zastosowania polimerów wysokowydajnych będą stawały się coraz powszechniejsze w produkcji przyrostowej.