高性能熱塑性塑料：PEEK、ULTEM和其他聚合物

魔猴君  知識堂   173天前

近年來，高性能熱塑性塑料已成為3D打印領域的熱門話題，其市場增長迅速。這些材料因其強度和重量輕而在工業上很有吸引力，并且其中有許多可用于增材制造。一個例子是聚芳醚酮(PAEK)，這是一種半結晶塑料，能夠承受高溫，同時保持相當大的強度。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這些材料所需了解的一切。

高性能聚合物的制備及性能

關于高性能聚合物，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，強度與鋼一樣，比金屬輕80%，使其在制造業中備受追捧。與大多數其他塑料不同，PAEK材料除了在連續運行中具有出色的機械性能和高達250°C的耐熱性外，還能夠耐油和其他物質的溶解。發生火災時，幾乎不會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，但不可否認的是，它們的增長速度比其他聚合物要慢。事實上，這些材料已經存在了三十多年，特別是通過注塑或機械加工。最初，Stratasys是唯一一家能夠生產能夠承受熔化PAEK和PEI聚合物所需高溫的打印機的公司。然而，隨著市場開始開放，其他公司也有機會嘗試這些打印機，從而導致其發明大規模商業化。隨著時間的推移和進入壁壘的降低，我們看到越來越多的公司進入這一領域并開始制造能夠加工PAEK熱塑性塑料的3D打印機。

另一種材料PEI最初由通用電氣塑料部門于20世紀80年代末開發，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品牌的權利。由于這種材料是PEEK的更便宜的替代品，因此從財務角度來看它立即引起了極大的興趣。結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、介電強度和導熱性，它代表了工程項目的出色解決方案。ULTEM已成為要求非常高的工程應用（例如航空航天工業）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)技術或選擇性激光燒結(SLS)工藝進行打印。然而，考慮到這些聚合物的高溫能力，普通3D打印機無法處理這些細絲也是可以理解的。PAEK/PEI 3D打印機必須具有能夠承受300°C以上溫度的噴嘴，因為這是這些聚合物的熔點。此外，加熱板必須達到至少150°C才能移除物體。最后，需要更強大的冷卻機制來確保封閉室內的正確溫度平衡。

高性能熱塑性塑料的后處理是必要的，并且與任何復雜的FDM打印部件一樣，需要支撐結構。然而，對于PAEK和PEI，由于最終產品的硬度，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溫度下降，聚合物就會收縮。因此，PAEK和PEI在打印小物體時非常受歡迎，但零件越大，翹曲效果越強。盡管可以通過優化速度和溫度等關鍵打印參數在一定程度上控制這一點，但這仍然是一個挑戰。

此外，高性能熱塑性塑料的使用還遠未得到充分開發。制造過程的某些方面仍在研究并不斷改進。然而，新的創新正在不斷改善這種體驗。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構，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，最終產品可以由例如70%PEEK和30%碳纖維組成。

可能的應用

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。汽車行業很快開始將PAEK和PEI的獨特功能用于各種應用。這些材料影響最大的領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。這使得公司能夠以低成本生產中小批量產品，而無需投資大批量生產。定制零件的生產需求也越來越大，因為它們可以根據特定要求進行定制，并且可以進行復雜的修改以改進其結構設計。

與許多其他3D打印材料一樣，PAEK和PEI系列廣泛應用于醫療領域。眾所周知，PEEK可以保護磁共振成像(MRI)掃描儀。它也被認為是一種用于醫療植入物、加強棒和脊柱融合裝置的先進生物材料。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品。

高性能熱塑性塑料也常用于航空航天工業。耐化學性、高強度重量比以及低火、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、結構支撐、支架和支柱、緊固件、連接器和管道系統只是航空航天工程使用PAEK和PEI的幾個例子，通?？梢詫⒘慵亓繙p輕70%。使用先進熱塑性塑料的其他行業包括航運、核能、石油和天然氣等。

主要生產廠家及材料價格

正如預期的那樣，許多大公司已經認識到從高性能熱塑性塑料向增材制造的轉變。因此，在制造PAEK材料時看到阿科瑪、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。

當談到能夠加工PAEK和PEI的打印機時，中國制造商INTAMSYS引起了廣泛關注，因為它提供了一系列適用于高性能聚合物的專業和桌面3D打印機。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）打印機。

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超過180歐元，而且根據品牌和材料特性，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絲感興趣，您還應該記住，您不能僅使用任何打印機進行打印。如上所述，您應該投資專門為高性能聚合物設計的打印機。這些打印機自然也比便宜的FDM型號更昂貴。許多起價超過4,500歐元，而且大多數都遠高于此。然而，多年來我們發現，隨著市場的增長，消費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用變得更加廣泛，我們將看到打印機和材料價格下降。

來源：3dnatives