Högpresterande material för 3D-utskrift: PEEK, ULTEM och andra polymerer

Källa: 3dnatives.com

Under de senaste åren har högpresterande material blivit ett mycket omdiskuterat ämne inom 3D-printing-communityn. I en värld som ständigt förändras och anpassar sig till ny teknik och nya material var det bara en tidsfråga innan högpresterande termoplastiska polymerer skulle utmärka sig bland andra 3D-utskriftsmaterial. Polyaryleterketon (PAEK) är en familj av semikristallina termoplastiska material som tål höga temperaturer samtidigt som de bibehåller exceptionell styrka. PAEK används främst i form av polyetereterketon (PEEK) och polyeterketonketon (PEKK), två material med hög styvhet. Ett betydligt billigare alternativ, polyeterimid (PEI), även känt som ULTEM, har dock fått stor uppmärksamhet eftersom det på grund av sin avsaknad av keton kostar mycket mindre. Här hittar du allt du behöver veta om PAEK- och PEI-familjerna.

Produktion och egenskaper hos högpresterande polymerer

Det första man bör notera om högpresterande polymerer är att även om de delar gemensamma egenskaper, är de inte alla exakt likadana. Med detta sagt kan man generellt notera att högpresterande termoplaster, och PEEK i synnerhet, är lika starka som stål och 80 % lättare än metall, vilket gör dem extremt eftertraktade inom tillverkningsindustrin. Dessutom, utöver den exceptionella mekaniska och termiska styrkan upp till 250 °C (482 °F) för kontinuerlig drift, är PAEK-material också resistenta mot upplösning i oljor och andra ämnen, till skillnad från de flesta andra plaster. När de utsätts för eld frigörs nästan inga skadliga gaser eller rök.

I själva verket har dessa material funnits i över trettio år och används främst för formsprutning eller mekanisk bearbetning. Till en början var Stratasys det enda företaget som tillverkade skrivare som kunde hantera de höga temperaturer som krävs för att smälta PAEK- och PEI-polymerer. I takt med att marknaden öppnades har dock fler företag fått möjlighet att experimentera med dessa material, vilket lett till en masskommersialisering av deras uppfinningar. Med tiden, och i takt med att inträdesbarriärerna minskar, ser vi ett allt större antal företag som tar sig in i sektorn och börjar tillverka skrivare som kan hantera PAEK-termoplaster.

PEI utvecklades ursprungligen av plastavdelningen på General Electric i slutet av 1980-talet. År 2007 förvärvade dock SABIC, ett av Saudiarabiens främsta publika bolag, avdelningen och därmed rättigheterna till varumärket ULTEM. Eftersom detta material är ett billigare alternativ till PEEK genererade det snabbt ett stort intresse ur ett ekonomiskt perspektiv. Kombinerat med dess varierande och betydande fysikaliska egenskaper såsom motståndskraft mot hög värme, lösningsmedel och flammor, dielektrisk styrka och termisk ledningsförmåga, är det en fantastisk lösning för ett flertal ingenjörsprojekt. ULTEM har blivit förstahandsvalet för extremt krävande tekniska tillämpningar, vanligtvis inom flyg- och rymdindustrin.

3D-printing med högpresterande polymerer

PAEK- och PEI-polymerer skrivs främst ut med FDM (fused deposition modeling) eller SLS (selektiv lasersintring). Med tanke på de höga temperaturer som dessa polymerer arbetar vid är det förståeligt att inga vanliga 3D-skrivare kan bearbeta dessa filament. En 3D-skrivare för PAEK/PEI måste ha ett extruderingsmunstycke som kan hantera temperaturer på över 300°C, vilket är smältpunkten för dessa polymerer. Dessutom måste den uppvärmda plattan nå minst 150°C för att föremålet ska kunna lossas. Slutligen krävs kraftfulla kylmekanismer för att garantera rätt termisk balans i den slutna kammaren.

Efterbehandling (post-processing) av högpresterande material är ett nödvändigt förfarande. Precis som vid alla komplexa delar som skrivs ut med FDM behövs stödstrukturer. När det gäller PAEK och PEI kan det dock vara komplicerat att ta bort stödet på grund av det färdiga föremålets styvhet. Följaktligen används ofta en rad olika verktyg för att slutföra efterbearbetningen av en detalj.

Å andra sidan, när det gäller SLS, skrivs detaljen ut praktiskt taget perfekt, utan behov av extra mekanisk bearbetning. Tillverkare måste dock ta hänsyn till fenomenet deformering (warping). När utskriften av ett föremål är klar och temperaturen inuti kammaren har sjunkit, tenderar polymererna att dra ihop sig. Följaktligen används PAEK och PEI mycket för utskrift av små föremål, eftersom ju större del desto större blir deformationseffekten (warping). Även om detta kan kontrolleras i viss utsträckning genom att optimera utskriftsparametrar som hastighet och temperatur.

Användningen av högpresterande termoplaster är fortfarande under förfining. Man arbetar fortfarande med produktionsprocessen som ständigt förbättras. Till exempel, som nämnts tidigare, krävs ofta fortfarande en komplex efterbearbetning när ett föremål väl skrivits ut i PAEK. Nya innovationer förbättrar dock ständigt processen. Flera företag arbetar för närvarande på en FDM-lösning där föremålets stöd skrivs ut i ett annat material så att det kan tas bort enklare och snabbare när utskriften är klar. Andra företag, som Kimya, har också börjat fokusera på materialkombinationer som gör att man kan utnyttja det bästa av varje material. På så sätt kan slutprodukten till exempel bestå av 70 % PEEK och 30 % kolfiber.

Tillämpningar

Som man kan föreställa sig används en materialfamilj med så många egenskaper och kvaliteter inom en mängd olika sektorer. Fordonsindustrin började tidigt utnyttja de unika möjligheterna hos PAEK och PEI för en rad olika tillämpningar. Ett av de områden där PAEK och PEI har varit mest störande är produktionen av billiga snabba verktyg för formsprutning, termoformning, fixturer och tillbehör. Detta gör det möjligt för företag att producera små till medelstora volymer av detaljer till en låg kostnad utan att behöva investera i storskalig produktion. Dessutom efterfrågas produktion av kundanpassade detaljer i allt högre grad, eftersom de kan modifieras för att passa specifika krav och tåla komplexa förändringar för att förbättra sin struktur.

Precis som för många andra 3D-utskriftsmaterial används PAEK- och PEI-familjerna i stor utsträckning inom det medicinska området. PEEK är känt för att användas vid skärmning av MRI-utrustning. Det anses också vara ett avancerat biologiskt material som används för medicinska implantat samt i förstärkningsstag och spinala fusionsenheter. Att det tål kokande vatten och överhettad ånga gör det perfekt för föremål som måste steriliseras vid extremt höga temperaturer.

Högpresterande termoplaster används också flitigt inom flyg- och rymdindustrin. Kemisk resistens, högt förhållande mellan vikt och styrka, samt låg risk för brand, rök och toxicitet gör dessa polymerer till idealiska ersättare för metaller, ofta använda för flygplansdelar och maskinkomponenter. Termoakustisk isolering, strukturella fästen, klämmor och distanser, fästelement, kontakter och rörledningar är bara några exempel på element där flyg- och rymdtekniksektorn har börjat använda PAEK och PEI, ofta genom att minska vikten på delarna med 70 %. Andra sektorer som använder högpresterande material är: marin-, kärnkrafts-, olje- och gasindustrin och många andra.

Huvudtillverkare och pris på högpresterande material

Många av de stora kemiföretagen insåg snabbt relevansen av högpresterande termoplaster inom additiv tillverkning. Följaktligen är ledande företag som Arkema, Lehmann & Voss och Solvay (för att nämna några) bland de främsta tillverkarna av PAEK-material. När det gäller PEI är SABIC:s varumärke ULTEM det enda som för närvarande finns tillgängligt på marknaden.

När det gäller skrivare som kan hantera PAEK och PEI har den kinesiska tillverkaren INTAMSYS fått stor uppmärksamhet eftersom de erbjuder ett sortiment av professionella 3D-skrivare och skrivare för skrivbordsbruk. Ändå blir nederländska Tractus3D allt populärare, liksom den tyska jätten EOS, som har lanserat HTLS-skrivaren (High Temperature Laser Sintering) som kan hantera dessa material.

Med detta sagt, som man kan förvänta sig, är dessa högpresterande polymerer inte billiga. PEEK, ULTEM och PEKK är några av de dyraste 3D-utskriftsmaterialen som finns på marknaden. Även om ULTEM är ett något billigare alternativ börjar en 1 kg spole med filament på över 200 dollar och kostar ofta mycket mer beroende på märke och materialegenskaper. PEEK kostar å andra sidan ofta mer än 300 dollar och upp till över 700 dollar för 1 kg material, medan PEKK i genomsnitt kostar mellan 400 och 500 dollar för samma mängd.

Inte nog med det, men om du är intresserad av filament måste du också ha i åtanke att utskriften inte kan utföras av vilken skrivare som helst. Du måste investera i en skrivare som är designad för högpresterande polymerer, som tidigare nämnts. Dessa skrivare är begripligt nog dyrare än en vanlig FDM-modell. Faktum är att vissa börjar på över 5 000 euro, men de är generellt sett mycket dyrare. Under årens lopp har vi dock sett att i takt med att marknaden växer, ökar även valmöjligheterna för konsumenterna. Kanske kommer vi inom en snar framtid att se prissänkningar på både skrivare och material, i takt med att tillämpningar med högpresterande polymerer sprider sig inom additiv tillverkning.