3D打印PEEK和PEI等熱塑性材料介紹

魔猴君  行業資訊   1871天前

第一種合成聚合物是由John Wesley Hyatt于1869年開發的，作為象牙的替代品。我們現在根本無法想象沒有聚合物的生活。據了解，2015年，全球生產了超過3.2億噸聚合物（不包括纖維），大量熱塑性塑料進入汽車行業（減輕重量并達到更高的燃油效率標準），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、化學反應性、機械強度、可回收和輕質材料的行業中的可能性，它們變得越來越重要。

熱塑性材料的性能？

今天工業3D打印已經將高強度熱塑性塑料PEEK，PEKK和PEI用于困難環境中的許多工程應用。當3D打印與熱塑性塑料結合使用時，可以制造出優化的、高質量的零件供實際使用。

“超高分子在高溫下（超過300°C）穩定、耐化學和耐輻照，與許多增強劑兼容，比許多金屬更強，并具有高機械特性，使其在各種工業的工業應用中極具吸引力，如航空航天、石油和天然氣、核能、海洋、生物醫學、工具和汽車行業。”AON3D的研究科學家之一Avalos說。

1985年以后，3D打印中經常使用的材料配方是聚合物，PEEK和PEKK都是半結晶的（現在已有非晶態的PEKK），而PEI是非晶態的。根據Avalos的說法，玻璃化轉變溫度（Tg）決定了聚合物的狀態，即“聚合物從無定形狀態變為更柔韌的橡膠狀態的溫度”。這些“半結晶聚合物同時具有結晶性（例如，PEEK與大多數其他塑料相比具有極強的耐受性，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，并且與超高真空應用兼容，這對于航空航天工業和生物醫學領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具有出色的機械和化學耐受性能，這是汽車行業非常感興趣的特性，因為材料的耐熱性、高強度和耐用性，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功能原型設計。

醫療級和可植入生物材料，如PEEK，也可用于神經系統應用，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在脊柱植入物設計領域具有最大的臨床影響，現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。在二十年前確認其生物相容性后，PAEK越來越多地被用作整形外科、創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，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3D打印時，結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境的影響。打印環境中的許多溫度對打印層產生影響，例如腔室溫度、腔室對流和噴嘴溫度等。因此，擠出機和環境之間的溫度快速變化可能會導致整體結晶率變低。”

“PEKK看起來很像PEEK，結晶行為也相似，但它的Tg略高于160°C，而PEEK為143°C，偽非晶等級熔點為305°C，半晶結級熔點為332°C。與PEEK不同，PEKK結晶速率稍慢，這使得它更容易控制，可以導致更好的層焊。”Avalos聲稱。

用PEKK來3D打印的零件

然而，許多專家還認為，即使最現代版本的PEKK也仍然比PEEK更難以結晶，這可能是PEEK是打印市場上最受關注的熱塑性塑料之一的原因。

非晶態、高性能熱塑性PEI也具有很強的耐受性，與大多數非晶態聚合物一樣，具有熱成型能力、半透明性、易與粘合劑或溶劑粘合等特點。因其對許多流體具有耐化學性，因此在航空航天和汽車工業中非常受歡迎。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？

PEI的3D打印

 Avalos表示3D打印高性能材料時的一些挑戰包括翹曲、收縮和變形。

“半結晶聚合物提供了一個獨特的挑戰，因為結晶會導致進一步的收縮，從而產生內應力，進而導致變形。下層的結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，并且從熔融狀態到固態都會保持冷卻，腔室和床層中包含的環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歷相同的冷卻和收縮過程，產生殘余應力，存在于部件內并逐層累積。”他說，“像PEEK和PEI這樣的高強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度極低的影響。”

Avalos聲稱，為了避免收縮，材料從熔融狀態變為固態，并減少部件內的殘余應力，擠出機、加熱室和床的溫度環境非常重要。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聚合物，保持床溫盡可能接近Tg，以保持整體環境的溫度一致。”目前，已經有一些3D打印機這么設計了。

他還建議，“了解建造板的材料及其與打印材料的相互作用”是關鍵，因為所有第一層粘合都會導致翹曲，而過高的床層溫度會導致第一層著床時粘附力過強，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生翹曲。

“對于非晶體和半結晶材料，必須仔細控制層焊的環境，以確保良好的零件強度。”

熱塑性塑料產品在重量比和剛度比方面的表現在某些情況下甚至優于金屬，但熱塑性塑料在批量生產時不具備成本效益，而且還不能打印體積非常大的部件。

熱塑性材料3D打印機應具備什么功能？

“在選擇用于PEEK、PEKK和PEI的工業3D打印機時，有許多關鍵組件需要考慮，尤其是管理打印機內部關鍵環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，在半結晶聚合物的情況下，您需要一個能達到并超過材料熔化溫度的熱端，或者遠高于非晶態聚合物的玻璃化轉變溫度。”

她建議專業人士尋找能提供冷卻系統的打印機，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，她聲稱打印機應該有一個封閉的腔室，以及一個可加熱的構建板，可以達到合適的溫度，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生良好的吸引力——特別是3D打印PEEK——由于來自構建板表面的熱流有助于加速結晶過程。她還建議使用帶有活動室加熱的封閉室，這意味著有一種機制可以使室內的空氣循環，以確保在整個打印過程中產生衡溫條件。

“有些3D打印機提供的腔室加熱缺乏活性成分，導致熱量分布不均勻，可能為實現高質量打印帶來不必要的挑戰。”

買方應該探索用于3D打印的3D切片軟件以及用于控制機器的任何軟件，無論供應商是否包括關鍵材料的機器特定構建配置文件，系統是否是開放式或封閉式材料平臺，以及如果專業人員可以從計算機遠程控制3D打印機。

在過去幾年中，許多公司開始開發用于使用熱塑性塑料進行3D打印的FDM（熔融沉積成型）機器。現在針對專業工業領域，這些打印機正變得越來越普遍。

來源：中國3D打印網