I materiali termoplastici ad alta resistenza PEEK, PEKK e ULTEM ( PEI ) potrebbero essere sufficienti per la stampa 3d di una intera vita

PEEK, PEKK e ULTEM possono essere solo i materiali termoplastici per stampa 3D di cui hai bisogno nella tua vita

C’era sicuramente la vita prima della plastica, ma oggi non possiamo immaginare di vivere senza di loro. Prima che venissero inventati (il primo polimero sintetico fu sviluppato nel 1869 da John Wesley Hyatt come sostituto dell’avorio) avevamo alternative e il riutilizzo era una tendenza piuttosto grande – per fortuna sta tornando indietro. Nel 2015, oltre 320 milioni di tonnellate di polimeri (escluse le fibre) sono state prodotte in tutto il mondo , un gran numero di materiali termoplastici è andato al settore automobilistico – per ridurre il peso e raggiungere maggiori standard di efficienza del carburante – e oltre 70 milioni di tonnellate di materiali termoplastici all’anno sono stati utilizzati nel settore tessile, principalmente abbigliamento e moquette. Ma uno dei termoplastici più interessanti là fuori sono quelli ad alte prestazioni, specializzati per applicazioni molto esigenti. Sebbene rappresentino meno dell’1% della quota di mercato totale di tutti i materiali termoplastici, stanno diventando sempre più importanti grazie alle sue possibilità in settori che richiedono materiali resistenti al calore, chimicamente non reattivi, meccanicamente resistenti, riciclabili e leggeri.

In un recente webinar, Abraham Avalos, uno degli scienziati di AON3D , con sede a Montreal , insieme allo specialista dell’applicazione Viv Campbell, ha spiegato come oggi la stampa 3D industriale stia sfruttando i materiali termoplastici ad alta resistenza PEEK, PEKK e ULTEM (chiamati anche PEI), che sono utilizzati in molte applicazioni ingegneristiche in ambienti difficili. Quando la stampa 3D è combinata con materiali termoplastici, è possibile produrre componenti ottimizzati e di alta qualità per un uso reale. Originariamente commercializzato per l’industria negli anni ’80, PAEK (una famiglia di polimeri termoplastici per alte temperature che includono PEEK, PEKK) era molto popolare ma costosa ed esclusiva a causa della brevettazione. Ora, questi materiali, anche se costosi, costano meno di altri filamenti di produzione.

“Gli ultra polimeri sono stabili alle alte temperature (superiori a 300 ° C), resistenti ai danni chimici e alle radiazioni, compatibili con molti agenti rinforzanti, più resistenti di molti metalli e con elevate caratteristiche meccaniche, che li rendono estremamente interessanti nelle applicazioni industriali in vari settori, come il settore aerospaziale, il petrolio e il gas, il nucleare, la marina, la biomedicina, gli utensili e il settore automobilistico “, ha affermato Avalos, uno dei ricercatori della AON3D .

Dopo il 1985, le formulazioni usate frequentemente nella stampa 3D erano polimeri, sia PEEK che PEKK sono semicristallini (ora sono disponibili gradi amorfi di PEKK) mentre ULTEM è amorfo. Secondo Avalos, è la Glass Transition Temperature (Tg) che definisce lo stato del polimero, cioè “la temperatura in cui il nostro polimero passa da uno stato amorfo a uno stato di gomma più flessibile.” Questi “polimeri semicristallini mostrano entrambi i cristalli ( disposti in modo ordinato) e strutture amorfe. ” PEEK, ad esempio, è estremamente resistente rispetto alla maggior parte delle altre plastiche e ha una Tg di 143 ° C e una temperatura di fusione di 343 ° C.

“Resilienza termica significa anche che alcuni materiali termoplastici ad alte prestazioni resistono al degrado termico e sono compatibili con le applicazioni di ultra alto vuoto, che sono necessari per molti casi d’uso nell’industria aerospaziale e in campo biomedico (che lo rendono ideale per le parti che devono essere sterilizzato ad alte temperature) . “

Inoltre, PEEK offre eccellenti proprietà di resistenza meccanica e chimica, una caratteristica che il settore automobilistico è molto interessato perché i materiali resistono alla resistenza termica, all’elevata resistenza e alla durabilità possono resistere alle temperature sotto il cofano e consentire la prototipazione funzionale a un costo inferiore che mai prima che sia possibile

I biomateriali medicali e impiantabili, come il PEEK, potrebbero essere utilizzati anche in applicazioni neurologiche per aiutare a controllare l’epilessia, il morbo di Parkinson e persino i traumi cerebrali; o addirittura utilizzato in dispositivi di fusione spinale. Il PEEK ha avuto il maggiore impatto clinico nel campo del design implantare della colonna vertebrale ed è ora ampiamente accettato come alternativa radiotrasparente ai biomateriali metallici nella comunità del rachide. A seguito della conferma della sua biocompatibilità due decenni fa , i PAEK sono stati sempre più impiegati come biomateriali per protesi ortopediche, traumatologiche e spinali.

Avalos spiega che la resistenza termica è una qualità importante dei materiali termoplastici e che il mantenimento di condizioni termiche estreme è una delle considerazioni che le persone fanno quando cercano di usarli nei loro processi produttivi:

” Quando si stampa in 3D, il tasso di cristallizzazione non è mai costante ed è ampiamente influenzato dall’ambiente in cui viene estruso il polimero fuso. L’ambiente di stampa ha molte temperature che influiscono sugli strati, come la temperatura della camera, le correnti di convezione nella camera e la temperatura all’ugello. Quindi i rapidi cambiamenti di temperatura tra l’estrusore e l’ambiente possono determinare una bassa percentuale complessiva di cristallizzazione. ”

“PEKK assomiglia molto al PEEK e il suo comportamento di cristallizzazione è simile, ma ha un Tg leggermente superiore di 160 ° C rispetto a 143 ° C per PEEK, 305 ° C di fusione per il suo grado pseudo amorfo e fusione di 332 ° C punto per il suo grado semicristallino. A differenza del PEEK, il tasso di cristallizzazione del PEKK è leggermente più lento, il che rende molto più facile il controllo e può portare a una migliore saldatura dei livelli “, ha affermato Avalos.

Tuttavia, molti esperti considerano anche che le versioni più moderne di PEKK siano ancora più difficili da cristallizzare di PEEK, il che probabilmente è il motivo per cui PEEK è uno dei materiali termoplastici più chiacchierati nel mercato della stampa.

Il termoplastico amorfo e ad alte prestazioni ULTEM ™ è anche molto resistente e, come la maggior parte dei polimeri amorfi, è termoformabile, traslucido e facilmente legato con adesivi o solventi, molto utile nell’industria aerospaziale e automobilistica grazie alla sua resistenza chimica a molti fluidi. Inoltre, ULTEM ™ è sostanzialmente meno costoso rispetto ad altri materiali termoplastici ad alte prestazioni e ha grandi proprietà fisiche, come calore elevato, solvente e resistenza alla fiamma.

Avalos suggerisce che alcune delle sfide in cui la stampa 3D di materiali ad alte prestazioni includono deformazione, ritiro e deformazione.

“I polimeri semicristallini offrono una sfida unica poiché la cristallizzazione può portare a un ulteriore restringimento, che genera stress interni che a loro volta possono portare a deformazioni. La cristallizzazione allo strato inferiore può cambiare la migrazione nella saldatura interstrato con il seguente strato. Tipicamente i materiali termoplastici diminuiscono di volume e rimangono freschi dagli stati fusi a quelli solidi, la temperatura ambientale inclusa nella camera e nel letto ha un impatto maggiore su quanto il primo strato si restringe mentre viene depositato, lo strato successivo che viene depositato passerà anche attraverso lo stesso raffreddamento e il processo di restringimento che crea lo stress residuo che esiste all’interno della parte e si accumula strato dopo strato “, ha detto. “I materiali ad alta resistenza come PEEK e ULTEM ™ necessitano di una camera di costruzione riscaldata attivamente, altrimenti risentiranno di uno strato di adesivo scadente e di una parte estremamente bassa.”

Avalos sostiene che per evitare il restringimento, il cambiamento di materiale da stato fuso a stato solido e ridurre lo stress residuo all’interno della parte, l’ambiente di temperatura dell’estrusore, la camera riscaldata e il letto sono davvero importanti. I polimeri sono piuttosto popolari in questo momento, ma in passato la temperatura era un grosso ostacolo, quindi raccomanda che “i polimeri amorfi vengano stampati alla massima temperatura possibile della camera e del letto, mantenendo la temperatura del letto il più vicino possibile al Tg per mantenere un’uniforme profilo di temperatura per l’ambiente generale, “qualcosa che alcune stampanti sono costruite per fare ora.

Suggerisce inoltre che è fondamentale “capire il materiale della lastra di costruzione” e la sua “interazione con il materiale stampato”, poiché tutte le adesioni del primo strato possono causare deformazioni, mentre temperature eccessive del letto possono causare il primo strato che aderisce troppo fortemente il letto, rendendo quasi impossibile la rimozione del pezzo e potenzialmente danneggiando il letto e la parte. Se il letto è troppo freddo, il primo strato potrebbe non aderire con forza e la parte potrebbe deformarsi nel mezzo di una tiratura .

” Sia per i materiali amorfi che per quelli semicristallini, è fondamentale che l’ambiente in cui avviene la saldatura a strati sia attentamente controllato per garantire la buona resistenza delle parti”.

I prodotti termoplastici possono avere prestazioni eccellenti e, in alcuni casi, persino sovraperformare i metalli in rapporto peso / resistenza e rigidità / rigidità, tuttavia i materiali termoplastici non sono economicamente convenienti quando si tratta di produzione di massa e non possono ancora stampare molto grandi parti.

Infine, Campbell ha dato i punti chiave per scegliere la stampante giusta per il lavoro.

“Ci sono un certo numero di componenti che sono fondamentali da considerare quando si guarda una stampante 3D industriale per PEEK, PEKK e ULTEM ™, non ultimo dei quali sono gli elementi coinvolti nella gestione della temperatura degli ambienti chiave all’interno della stampante: le estremità calde , la piastra di costruzione e la camera. Per polimeri ad alte prestazioni, avrete bisogno di una punta calda che possa raggiungere e superare la temperatura di fusione dei materiali nel caso di polimeri semicristallini, o ben al di sopra delle temperature di transizione vetrosa nei polimeri amorfi. “

Raccomanda ai professionisti di cercare stampanti che offrano sistemi di raffreddamento, come un circuito di raffreddamento a liquido collegato alle estremità calde, che prolungano la durata dei componenti e offrono anche un controllo preciso sul profilo di ammorbidimento dei filamenti all’interno dell’hot end.

AON3D stampa componenti ULTEM riempiti in fibra di carbonio, densi e pesanti

Inoltre, afferma che la stampante dovrebbe avere una camera chiusa, oltre a una piastra di costruzione riscaldata che può raggiungere temperature adeguate per consentire al polimero fuso di afferrare in profondità nelle cavità della superficie e creare anche una buona attrazione tra i due materiali – in in particolare, mentre la stampa 3D PEEK – dal momento che il flusso di calore dalla superficie della piastra di costruzione aiuta ad accelerare il processo di cristallizzazione. Raccomanda anche una camera chiusa con riscaldamento della camera attivo, il che significa che c’è un meccanismo per far circolare l’aria nella camera per garantire che crei condizioni isotermiche durante tutta la tiratura.

“Alcune stampanti 3D offrono un riscaldamento della camera che manca di quel componente attivo che si traduce in una distribuzione irregolare del calore e può creare ulteriori sfide per ottenere stampe di alta qualità.”

Campbell ritiene inoltre che l’acquirente debba esplorare il software 3D slicer per la stampa 3D e qualsiasi software utilizzato per controllare la macchina, indipendentemente dal fatto che il fornitore includa profili di build specifici per macchina per materiali chiave, se il sistema è una piattaforma di materiali aperta o chiusa e se il professionista può controllare la stampante 3D da remoto da un computer.

“A differenza di altre materie plastiche che potrebbero prestarsi a tecniche di post-elaborazione, come l’incollaggio che consente di assemblare parti più piccole, le parti PEEK, PEKK e ULTEM ™ offrono alcune sfide in questa arena, motivo per cui è incredibilmente utile stampare più grandi parti tutte insieme in un unico pezzo. Ecco perché, a 450x450x640 millimetri, l’ultima stampante AON-M2 di AON3D ha una camera costruita che è enorme “, ha rivelato.

Negli ultimi anni, molte aziende hanno iniziato a sviluppare macchine FDM (Fused Deposition Modeling) per la stampa 3D con materiali termoplastici. Ora rivolti all’arena industriale professionale, queste stampanti stanno diventando più comuni. In origine, Stratasys era l’unica azienda che sviluppava stampanti in grado di gestire le alte temperature necessarie per fondere i polimeri. Ma questo è cambiato rapidamente e ora vediamo molte aziende che creano approcci innovativi per la stampa di PEEK, PEKK e ULTEM ™ in stampanti FDM, come AON3D, China’s Intamsys o Finland’s MiniFactory .

AON-M2 è una riprogettazione completa di AON-M, con un’architettura completamente nuova, componenti migliorati e operazioni automatizzate. È in grado di stampare parti di grande formato come strumenti, maschere, proiettori e componenti su larga scala. AON-M2 ha due testine di stampa indipendenti e ha affrontato alcuni dei problemi più complessi relativi a questi polimeri .

Circa l’azienda

AON3D è stata fondata da un team di ingegneri dei materiali con l’obiettivo di migliorare l’accessibilità all’AM con materiali funzionali. Ritengono che la stampa 3D di materiali termoplastici di alta qualità e il raggiungimento di componenti di alta qualità richiedano esperienza al di là del sistema desktop PLA, quindi raccomandano di investire in un produttore di hardware originale che sia anche un fornitore di soluzioni. Il Canada è un grande ambiente in cui lavorare poiché il governo sta dedicando molto denaro allo sviluppo di ecosistemi e cluster nelle sue principali città. A Montreal, c’è un cluster di IA e apprendimento automatico e Ontario ha sviluppato l’ Advanced Manufacturing Supercluster che svilupperà capacità produttive di prossima generazione, incorporando tecnologie come la robotica avanzata e la stampa 3D, concentrandosi sulla formazione e l’adozione della tecnologia.

Be the first to comment on "I materiali termoplastici ad alta resistenza PEEK, PEKK e ULTEM ( PEI ) potrebbero essere sufficienti per la stampa 3d di una intera vita"

Leave a comment