Ilość materiałów do druku 3D w technologii FDM może przyprawić o zawrót głowy. Chociaż z punktu widzenia zastosowania profesjonalnego większość z nich ma jedynie charakter ciekawostki, wśród szerokiej gamy filamentów można znaleźć również te o interesujących właściwościach. Pod względem świetnych własności wytrzymałościowych prym wiodą tworzywa z rodziny poliaryloeteroketonów (PEAK) – m.in. PEEK i PEI.
Ich potencjał wykorzystywany jest w wielu branżach m.in. lotniczej, automotive oraz medycynie. Dziś przyjrzymy się bliżej ich licznym zaletom, a także problemom z jakimi muszą zmierzyć się konstruktorzy drukarek 3D przystosowanych do wytwarzania z termoplastów jak ULTEM czy PEEK.
Właściwości
PEEK
Jednym z najbardziej wytrzymałych mechanicznie i termicznie materiałów do druku addytywnego w technologii FDM jest PEEK – półkrystaliczny polimer z rodziny poliaryloeteroketonów (PEAK). Wykazuje świetną odporność termiczną (do 350°C) oraz chemiczną, a opary uwalniane podczas podgrzewania nie wykazują dużej toksyczności.
Początkowo PEEK był materiałem używanym w technologii selektywnego spiekania laserowego. Dopiero od niedawana stał się tworzywem wykorzystywanym również podczas druku 3D z termoplastów metodą FDM, dzięki opracowaniu technologii, która pozwoliła na jego drukowanie w bardzo wysokich temperaturach. W przypadkach gdzie świetne właściwości mechaniczne nie są koniecznością, PEEK ze względu na stosunkowo wysoka cenę jest zastępowany przez polimer PEI. Jednocześnie materiał jest lżejszy i tańszy od aluminium, co sprawia, że jest to opłacalna alternatywa w wielu z tych gałęzi przemysłu o wysokiej wydajności.
ULTEM
Tańszą alternatywą dla PEEK jest polieteroimid PEI. Nigdy nie spotkałeś się z taką nazwą materiału? Nic dziwnego – tworzywo jest szerzej znane pod swoją nazwą handlową – ULTEM.
Metoda wytwarzania opracowana przez specjalistów z General Electric w latach osiemdziesiątych pozwoliła na uzyskanie niespotykanie wytrzymałego materiału do druku przestrzennego. Wśród jego właściwości wyróżniamy:
- odporność na wysokie temperatury (160 – 300°C),
- odporność na syntetyczne i naturalne rozpuszczalniki,
- wysoka wytrzymałość dielektryczna,
- dobra przewodność cieplna.
Jednak w porównaniu do PEEK, ULTEM wykazuje mniejszą odporność użytkową, jak i słabszą stabilność oraz wytrzymałość temperaturową. Dzięki niższej cenie jest bardziej przystępny dla indywidualnych użytkowników.
Zastosowanie
Zarówno PEEK i PEI stosowane są tam, gdzie głównym kryterium jest wytrzymałość. Wybór pomiędzy tymi dwoma materiałami warunkowany jest przez cenę – jak już zostało wspomniane, PEEK jest kilkakrotnie droższy niż ULTEM.
ULTEM
ULTEM 9085 jest materiałem, który uzyskał certyfikację Airbusa i jest wykorzystywany w produkcji elementów umieszczanych na pokładach samolotów z uwagi na spełnianie restrykcyjnych norm dotyczących łatwopalności czy toksyczności. Dzięki świetnej wytrzymałości mechanicznej zapewnionej przez wysoki stosunek siły do masy może naleźć zastosowanie w roli substytutu niektórych części aluminiowych w przypadku wypadku maszyn, gdzie zakup części zapasowych jest wręcz niemożliwy. Obecnie prowadzone są testy nad stosowaniem ULTEMU w roli pełnoprawnych elementów samolotów, również tych obarczonych stosunkowo wysokim ryzykiem awarii.
PEEK
PEEK domieszkowany odpowiednimi dodatkami stosowany jest coraz szerzej w nowoczesnej implantologii. Oxford Performance Materials opracowało własne marki PEKK klasy medycznej i lotniczej. Z kolei materiały produkowane przez niszowe firmy (m.in. OsteoFab) zostały zatwierdzone przez FDA, pozwalając na stworzenie personalizowanych implantów twarzoczaszki czy stabilizatorów kręgosłupa poprzez funkcjonalizację powierzchni porowatym proszkiem hydroksyapatytowym. Dobra wytrzymałość mechaniczna, moduł Younga zbliżony do kości, lepszy rozkład obciążeń w porównaniu z implantami tytanowymi oraz mniejsza sztywność niż w przypadku implantów metalowych sprawia ze materiał okazał się świetnym zamiennikiem standardowych rozwiązań stosowanych w implantacji kręgów.
PEEK jest doskonałą kombinacją właściwości mechanicznych materiałów metalicznych, pozbawioną jednak ich wad – jak występowanie ognisk korozyjnych w agresywnym środowisku organizmu, czy brak możliwości uwalniania jonów, prowadzącej do metalozy. Co więcej, PEEK jako tworzywo w stosowane do wszczepów twarzoczaszkowych wykazuje stabilność temperaturową w zmiennych warunkach środowiska, nie powodując dyskomfortu u biorcy.
Sposób wytwarzania
Wśród producentów, którzy zdecydowali się na dostosowanie swoich urządzeń do materiałów można wymienić włoskie Roboze czy polski Verashape. Wszyscy jednak jednoznacznie przyznają, że sposób druku przestrzennego przy zachowaniu jednocześnie wysokiej jak i stabilnej temperatury jest objęty tajemnicą handlową.
ULTEM
Początkowo jedyną firmą zdolną do wydruków z ULTEMu był Stratasys, posiadający patenty nie tylko dotyczące procesu wytwarzania, ale również działania mechanizmu utrzymującego idealne warunki podczas wydruków z materiałów odpornych na wysokie temperatury. Jednak kiedy w 2009 roku patenty wygasły, do gry wkroczyli członkowie środowiska RepRap, próbując sił we własnych modyfikacjach PEI. Początkowy entuzjazm został dość szybko zgaszony – obecnie tylko kilka firm produkuje drukarki 3D, które dają możliwość wydruków z PEI i PEEK.
Jak przyznaje prezes 3DXTech, Matt Howlett, proces przygotowywania filamentu z materiałów PEEK nie różni się znacząco od tworzenia standardowych materiałów do druku w technologii FDM, jednak ze względu na odrębne właściwości mechaniczne uzyskanie precyzyjnych elementów o dużej objętości jest karkołomnym zadaniem.
ULTEM jest obecnie jedyną dostępną formą PEI na rynku.
PEEK
Sprawa wygląda inaczej jeżeli mówimy o PEEK – te materiał jest produkowany obecnie przez wielu producentów, co często skutkuje niewielkimi rozbieżnościami w właściwościach fizykochemicznych. Zwiększenie ilości producentów, według prognoz, może zaowocować obniżeniem cen materiałów.
Przyszłość
PEEK i PEI stanowią nową szansę na produkcję detali końcowych, zastępując nawet metale. Zbliżona wytrzymałość przy braku skłonności do tworzenia ognisk korozyjnych sprawia, że materiały z grupy PEAK mogą z powodzeniem być stosowane jako funkcjonalne zamienniki, o dostępnych kosztach wytwarzania w porównaniu z ceramiką jak i również materiałami metalicznymi.
Co więcej, drukowanie proszkowe w przypadku PEAK’ów jest o wiele droższe niż w produkcja takich samych detali w technologii FDM – jeśli w grę wchodzi równocześnie wysoka jakość tworzywa, jej cena również wzrośnie. Sukcesywnie rośnie liczba producentów wykorzystujących technologie addytywne już nie tylko do szybkiego prototypownia, ale również tworzenia detali końcowych o jakości dorównywającej klasycznym technikom.
Źródło: engineering.com, makeitfrom.com
