PAEK-filamenten in 3D-printen

In de wereld van 3D-printen is FDM/FFF al enkele jaren een familie van materialen die er duidelijk bovenuit steekt, de familie PAEK (polyaryletherketon of polyaryletherketon). De materialen die tot deze klasse behoren zijn semi-kristallijne kunststoffen, die bestand zijn tegen hoge temperaturen (bijna 200 ºC) en hoge waarden van mechanische weerstand behouden.

Binnen de PAEK-familie bestaat de PEEK, de PEKK en de PEI (ULTEM 1010 en ULTEM 9085). Al deze hebben een hoge mechanische sterkte, chemische weerstand en hoge ontvlambaarheidstemperatuur.

PEEK-filament (PolyEtherEtherKetone)

De PEEK (PolyEtherEtherKetone) is de meest kristallijne van de drie materialen. Dit geeft aan dat het de hoogste waarden van mechanische sterkte van allemaal heeft (zonder rekening te houden met legeringen met koolstofvezel). Maar dit vormt een probleem, omdat de moleculen een patroon volgen van zich herhalende ordening in de drie dimensies van de ruimte in de vaste toestand, het is onstabieler op het moment van smelten. Dit houdt in dat het erg moeilijk is om het PEEK-filament te gebruiken bij 3D-printen, zelfs voor ervaren gebruikers met geavanceerde 3D-printers.

PEKK-filament (PolyEtherKetoneKetone)

PEKK (PolyEtherKetoneKetone) heeft een semikristallijne structuur (minder kristallijn dan PEEK). Dit type structuur verschijnt wanneer een materiaal twee duidelijk gedefinieerde gebieden heeft, een amorfe en een kristallijne. Deze structurele toestand biedt een toename van het printgemak (lagere kristallisatiesnelheid) met behoud van vergelijkbare weerstandswaarden en zelfs hoger dan die van de PEEK.

De PEKK steekt boven de PEEK uit in zijn weerstand tegen compressie, die tot 80% hoger is. Bovendien heeft dit type filament een chemische weerstand tegen een enorme hoeveelheid vloeistoffen:halogeenkoolwaterstoffen (benzeen), autovloeistoffen (koelvloeistof), alcohol en waterige oplossingen (zeewater).

Toepassingen van de PEKK

Het gebruik van PEKK is zeer wijdverbreid, van medicijnen tot militaire toepassingen. Het potentieel is zo groot dat zelfs NASA dit materiaal gebruikt in de 3D-afdrukken die het in de ruimte maakt. In de geneeskunde hebben sommige ontwikkelingscentra knieën, heupen en andere soorten functionele implantaten gemaakt met een doorslaand succes bij hun patiënten. De combinatie van al zijn voordelen heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van lichte, resistente en anti-reflecterende militaire helmen om te voorkomen dat ze worden ontdekt door het licht dat wordt uitgestraald door een vijandelijke lantaarn. Ten slotte gebruiken grote luchtvaartbedrijven de PEKK om functionele onderdelen voor hun vliegtuigen te maken.

PEI-filament (ULTEM 1010 en ULTEM 9085)

De PEI (ULTEM 1010 en ULTEM 9085) is het meest gemodificeerde materiaal binnen de PAEK-familie en krijgt zelfs de aanduiding van hars door experts in het veld. De thermische weerstand van dit materiaal is een van de hoogste op het gebied van 3D-printen FDM/FFF, met een glasovergangstemperatuur van 215 ºC en een maximale constante werktemperatuur met een druk van 0,45 MPa van 200 ºC

Het voordeel van PEI is dat bij deze temperaturen de mechanische eigenschappen nauwelijks veranderen. Dit komt omdat de grote vormvastheid de structurele vorm behoudt, zelfs wanneer de temperatuur stijgt, iets wat ondenkbaar is bij de meeste bestaande materialen in 3D FDM/FFF-printen.

Toepassingen van de PEI

De ULTEM 1010 wordt vaak gebruikt voor het maken van spuitgietgereedschappen met een korte cyclus, koolstofvezellamineergereedschappen en andere soorten matrijzen die onderhevig zijn aan hoge druk- en temperatuurwaarden (autoclaaf). Binnen dit type matrijzen met hoge sterkte zijn die gebruikt voor het vulkanisatieproces van kunststoffen, zoals rubber. Dankzij PEI ULTEM 1010 kunnen matrijzen sneller, makkelijker en goedkoper gemaakt worden dan de huidige stalen matrijzen. Aan de andere kant is de ULTEM 9085 het onthullingsmateriaal van de luchtvaartindustrie. De thermische weerstand, chemische weerstand, weerstand tegen breuk en hoge prestaties maken het mogelijk dat dit materiaal voldoet aan de strengste test- en traceerbaarheidscriteria vereist door de lucht- en ruimtevaartindustrie en de regelgevende instanties van de certificaten.

Continue innovatie in het verbeteren van materialen

Grote filamentfabrikanten zoals het Franse Nanovia hebben een revolutie teweeggebracht in de markt 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 biedt en de hoge kristallisatietemperatuur (Tg=160 ºC) behoudt, wat zich vertaalt in een toename van het printgemak. Bovendien verbetert deze unie ook de structurele stabiliteit, waardoor de mechanische eigenschappen worden verbeterd. Voor al het bovenstaande hebben de PEKK CF en de PEI CF een plaats verdiend in de categorie van de krachtigste en meest gebruiksvriendelijke materialen binnen 3D-printen FDM/FFF. Bovendien concurreren deze twee materialen op algemeen niveau met de thermoplasten die het meest worden gebruikt in de technische industrie (polysulfonen, polyfenyleensulfiden en polyketonen).

Afbeelding 2:PEI CF. Bron:Nanovia

Vereisten voor het gebruik van PAEK-materialen

Tot slot moeten we vermelden dat het gebruik van deze geavanceerde materialen is voor ervaren gebruikers met geavanceerde technologie 3D-printers. De minimale vereisten waaraan een 3D FDM/FFF-printer moet voldoen om deze materialen te gebruiken zijn:Extrudertemperatuur 370-400 ºC, basistemperatuur hoger dan 150 ºC, kamertemperatuur hoger dan 80 ºC. Deze waarden zijn nodig vanwege de gevoeligheid van structurele vervorming in contact met luchtzones bij verschillende temperaturen van deze materialen.

De eindconclusie is dat alle materialen die behoren tot de PAEK-familie (PEEK, PEKK, PEI, PEKK CF, PEI CF) aan de top staan ​​van industrieel gebruik dankzij hun hoge ontvlambaarheidstemperatuur, hun chemische weerstand, hun mechanische weerstand en hun goede sterkte /gewichtsverhouding.