PAEK-filamenten: High-Performance materialen voor 3D-printen

In de wereld van 3D-printen is FDM/FFF al enkele jaren een familie materialen die duidelijk uitsteekt boven alle anderen: de PAEK-familie (polyaryletherketon of polyaryl ether keton). De materialen die tot deze klasse behoren, zijn halfkristallijne kunststoffen die hoge temperaturen (rond 200 °C) weerstaan terwijl ze hoge waarden van mechanische weerstand behouden.

PEEK-filament (PolyEtherEtherKetone)

PEEK (PolyEtherEtherKetone) is het meest kristallijne van de drie materialen. Dit duidt op de hoogste waarden van mechanische sterkte van alle (zonder rekening te houden met legeringen met koolstofvezel). Maar dit levert een probleem op: omdat de moleculen een patroon van herhalende ordening in de drie dimensies van de ruimte in de vaste toestand volgen, is het onstabieler bij het smelten. Dit impliceert een hoge moeilijkheidsgraad bij het gebruik van PEEK-filament in 3D-printen, zelfs voor expertgebruikers met geavanceerde 3D-printers.

PEKK-filament (PolyEtherKetoneKetone)

PEKK (PolyEtherKetoneKetone) heeft een halfkristallijne structuur (minder kristallijn dan PEEK). Dit type structuur ontstaat wanneer een materiaal twee duidelijk gedefinieerde regio's heeft, een amorfe en een kristallijne. Deze structurele voorwaarde biedt een toename in de gemakkelijkheid van printen (lagere kristallisatiesnelheid) terwijl vergelijkbare weerstandswaarden en zelfs hogere dan die van PEEK behouden blijven.

PEKK onderscheidt zich boven PEEK door zijn weerstand tegen compressie, tot 80% hoger. Bovendien heeft dit type filament een chemische weerstand tegen een enorme hoeveelheid vloeistoffen: halogeenkoolwaterstoffen (benzeen), autovloeistoffen (koelvloeistof), alcohol en waterige oplossingen (zeewater).

Toepassingen van PEKK

Het gebruik van PEKK is wijdverspreid, van geneeskunde tot militaire toepassingen. Zelfs de NASA gebruikt dit materiaal in de 3D-print die het in de ruimte maakt. In de geneeskunde hebben sommige ontwikkelingscentra knieën, heupen en andere typen functionele implantaten gemaakt met een kloppend succes bij hun patiënten. De combinatie van al zijn voordelen heeft geholpen bij de ontwikkeling van lichte, weerstandsbare en antireflecterende militaire helmen om ontdekking te voorkomen door het licht dat door een vijandelijke lantaarn wordt uitgezonden. Ten slotte gebruiken grote luchtvaartmaatschappijen PEKK om functionele onderdelen voor hun vliegtuigen te maken.

PEI-filament (ULTEM 1010 en ULTEM 9085)

PEI (ULTEM 1010 en ULTEM 9085) is het meest gemodificeerde materiaal binnen de PAEK-familie, zelfs tot het punt dat experts het als hars benoemen. De thermische weerstand van dit materiaal is een van de hoogste op het gebied van 3D-printen FDM/FFF, met een glasovergangstemperatuur van 215 °C en een maximale constante werktemperatuur met een druk van 0,45 MPa van 200 °C.

Het voordeel van PEI is dat de mechanische eigenschappen bij deze temperaturen nauwelijks veranderen. Dit komt door de grote dimensionale stabiliteit die de structurele vorm behoudt zelfs bij temperatuurverhoging, iets wat ondenkbaar is met de meerderheid van de bestaande materialen in 3D FDM/FFF-printen.

Toepassingen van PEI

ULTEM 1010 wordt veel gebruikt om korte cycli injectiegietgereedschappen, koolstofvezel lamineringsgereedschappen en andere typen matten te maken die aan hoge druk- en temperatuurwaarden worden blootgesteld (autoclaaf). Binnen dit type hoge-weerstandsmatten vallen die gebruikt voor het vulcanisatieproces van kunststoffen, zoals rubber. Dankzij PEI ULTEM 1010 kunnen matten sneller, eenvoudiger en goedkoper gemaakt worden dan de huidige staalmatten. Aan de andere kant is ULTEM 9085 het onthullende materiaal van de luchtvaartindustrie. Zijn thermische weerstand, chemische weerstand, breukweerstand en hoge prestaties maken het mogelijk dat dit materiaal voldoet aan de meest strenge test- en tracerbaarheidscriteria die de lucht- en ruimtevaartindustrie en de certificeringsinstanties vereisen.

Continue innovatie in materialenverbetering

Grote filamentfabrikanten zoals de Franse Nanovia hebben de markt gerevolutioneerd door zowel PEKK als PEI (ULTEM 1010) te verbeteren met koolstofvezel. Koolstofvezel is een pseudo-amorf materiaal dat deze materialen een lager smeltpunt, langzamere kristallisatie en hoge kristallisatietemperatuur (Tg = 160 °C) biedt, wat vertaalt in een toename van de printgemak. Bovendien versterkt deze combinatie ook de structurele stabiliteit, wat de mechanische eigenschappen verbetert. Om al deze redenen hebben PEKK CF en PEI CF een plaats verdiend in de categorie van de meest krachtige en gemakkelijk te gebruiken materialen binnen 3D-printen FDM/FFF. Bovendien concurreren deze twee materialen op algemeen niveau met de thermoplasten die het meest in de ingenieursindustrie worden gebruikt (polysulfonen, polyfeensulfiden en polyketonen).

Vereisten voor het gebruik van PAEK-materialen

Ten slotte moet worden vermeld dat het gebruik van deze geavanceerde materialen bedoeld is voor ervaren gebruikers met geavanceerde 3D-printers. De minimumeisen die een 3D FDM/FFF-printer moet hebben om deze materialen te gebruiken zijn: extrudertemperatuur 370-400 °C, basistemperatuur hoger dan 150 °C, kamertemperatuur hoger dan 80 °C. Deze waarden zijn noodzakelijk vanwege de gevoeligheid voor structurele vervorming bij contact met luchtzones bij verschillende temperaturen van deze materialen.

De conclusie is dat alle materialen behorende tot de PAEK-familie (PEEK, PEKK, PEI, PEKK CF, PEI CF) aan de top staan van industriële toepassing dankzij hun hoge ontvlambaarheidstemperatuur, hun chemische weerstand, hun mechanische weerstand en hun goede sterkte/gewichtsverhouding.