Всем привет, сегодня как и обещали ранее, подробно отвечаем на один из вопросов из нашей предыдущей статьи https://dzen.ru/a/aOVG2ixI_j8Csq43?share_to=link
С быстрым развитием аддитивных технологий, особенно в области конструкционных и суперконструкционных полимеров, на текущий момент на рынке образовался некоторый информационный вакуум по пониманию взаимосвязей параметров печати и свойствам конечных изделий. Из-за чего зачастую пользователи не могут получить результат, на который изначально рассчитывали, либо из-за неправильных параметров печати, либо из-за невозможности 3D-принтера их обеспечить.
Если «обычные» полимеры типа ABS, PETG, PLA… более или менее исследованы и знакомы пользователям, то по высокотемпературным суперконструкционным материалам таким как PEI ,PEEK, PEKK, PSU информации мало и зачастую она противоречивая. Этот пробел мы и постараемся заполнить в данной статье)
В настоящий момент термопласт PEEK всё больше и больше находит применение в аддитивном производстве в различных областях :от медицины до авиационной и космической отраслей. При этом возрастают требования к конечным изделиям и их свойствам, а соответственно и к соблюдению оптимальных параметров при 3D-печати из данного материала (здесь и далее мы будем говорить про FDM технологию).
PEEK – это полукристаллический полимер, физические свойства которого напрямую зависят от сформированной кристаллической решетки в изделии, т.е. процент кристаллической части по отношению к аморфной, и чем выше процент кристаллической решетки, тем изделие прочнее и жестче.
Отсюда возникает два вопроса, которые необходимо решить для FDM печати PEEK’ом. Первый - это определить оптимальные параметры для получения изделия в максимально кристаллическом состоянии (такими параметрами являются: температура экструзии, температура камеры, температура стола, скорость остывания модели после печати). Второй вопрос — это можно ли изготовить изделие в аморфном состоянии и далее его «запечь» и как физико-механические свойства такого изделия будут отличаться от того, что сразу было изготовлено в полукристаллическом состоянии
Каковы же реальные параметры , необходимые для получения оптимальных результатов?
Анализируя доступные научные статьи, все их можно разделить на несколько групп по используемому 3D принтеру:
1.Отсутствует высокотемпературный 3D принтер (имеется либо «открытый», либо с минимальной температурой камеры), при этом исследуется зависимость свойств получаемой детали (в аморфном состоянии) от остальных параметров (скорость печати, диаметр сопла, температура экструдера, температура стола)
2. 3D принтер позволяет нагревать камеру до температуры кристаллизации и чуть выше, но не может провести исследование во всем диапазоне температур камеры 200-2500С.
3.Имеется 3D принтер с подогреваемой камерой минимум до 2500С (верхний диапазон оптимальных температур кристаллизации)
Для объективности будем рассматривать только те работы, где параметры оборудования позволяют проводить исследования во всем диапазоне интересуемых значений.
Для наглядности приведем и проанализируем несколько научных работ: В первой рассматриваемой работе https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33673299/авторы рассматривают влияние различных параметров печати, включая температуру камеры (используемый 3D принтер позволяет разогревать камеру до 260 0С) на «чистый» PEEK , а также композиты на его основе. И приходят к выводу, что оптимальной температурой камеры является 230 0С, при этом отмечается (в том числе показана корреляция с другими работами), что чем выше температура камеры, тем выше процент кристалличности и выше прочностные параметры во всех направлениях, включая вдоль оси Z (межслойная прочность). Остальные параметры печати: температура экструдера 400 0C, температура стола 280 0С. В данной работе также обращается внимание на то, что при повышении температуры геометрия модели начинает немного уплывать.
Отдельно эффект и влияние параметров печати на деформацию конечного изделия исследуется в работе https://www.researchgate.net/publication/355903836_Investigation_of_the_Processability_of_different_High-performance_Materials_in_the_FDM_Process_with_regard_to_the_Shrinkage_Behavior В результате авторы выводят закономерность, что минимальные деформации наблюдаются при температуре камеры вблизи температуры стеклования около 1500С, далее в диапазоне от 150 0С до 200 0С деформация нарастает, а от 200 0С до 250 0С- опять уменьшается, но при этом в данной работе не проводятся никакие испытания на определение прочностных характеристик.
Еще одна работа, на которой хотелось остановиться -это работа https://www.researchgate.net/publication/358739269_Evaluation_of_process_parameters_for_the_manufacture_of_tiny_biomedical_devices_via_3D_printing_of_PEEK. Она интересна тем, что в ней используются 3D-принтеры специально разработанные и сертифицированные для 3D-печати PEEK’ом медицинских изделий от компании Apium и Orion.
Лучшая геометрия с минимальными деформациями была получена при диаметре сопла 0.5мм, температура экструдера 430 0С и скорости печати 5 мм/сек. При этом температура камеры и стола была установлена на 250 0С, что связано с тем , что данные принтеры являются сертифицированными для медицинского использования, где основной параметр готового изделия – это прочность. И температура камеры в 250 0С является стандартом, обеспечивающим максимальную прочность во всех направлениях (но при этом возможны деформации, которые в данной работе и пытались минимизировать за счет других параметров).
Что касается второго вопроса по возможности печати с дельнейшим отжигом, то тут можно сослаться на статью (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1751616119306824) где показывается, что отжиг не улучшает межслойную адгезию (при этом за счет кристаллической решетки внутри одного слоя прочность увеличивается, но не между слоями).
Чтож, вывод, который можно сделать для FDM 3D печати PEEK’ом:
Если необходимо получить максимально прочные изделия, то необходимо оборудование с подогреваемой термостатированной камерой до 250 0С.
Если прочностные характеристики не являются критичными (например когда более важны температурные характеристики PEEK), то возможно обойтись камерой 150-180 0С.
Температура экструдера должна быть не менее 450 0С.
Если камера прогревается до 150-180 0С и не выше, то желательно иметь еще подогреваемый стол до 250-280 0С.
Если же ставиться задача возможности печати любыми высокотемпературными
материалами, то 3D принтер должен в обязательном порядке иметь термостатированную камеру не менее 250 0С, максимальную температуру сопла не менее 450 0С. Для таких материалов как ULTEM, PSU эти условия являются необходимы.
Если прочностные свойства не являются определяющими, а материал PEEK был выбран из-за температурных свойств или химической стойкости, то возможно использование 3D принтера с максимальной температурой камеры в районе 150 0С. Также стоит отметить, что при выборе параметров печати PEEK большая температура камеры способствует более высоким прочностным свойствам конечного изделия, но при этом возможны деформации, впрочем, которые минимизируются за счет других параметров печати (скорости, диаметра сопла, оптимизации модели).
Надеемся, что данная статья была для Вас полезна и информативна)
Подписывайтесь на канал, здесь вы найдете много интересного по 3D печати )