В условиях стремительного роста спроса на легкие и изготовленные по индивидуальному заказу компоненты для человекоподобных роботов, аэрокосмической отрасли и высокотехнологичных медицинских имплантатов, полиэфирэфиркетон (PEEK), особый конструкционный пластик, открывает новую парадигму производства благодаря технологии 3D-печати. Однако преобразование PEEK, обладающего характеристиками, сравнимыми с металлами, в точные и надежные компоненты, напечатанные на 3D-принтере, — задача непростая. Эксперты отрасли отмечают, что чрезвычайно высокие температуры обработки и сложный контроль процесса кристаллизации являются двумя основными техническими проблемами, ограничивающими в настоящее время крупномасштабное применение аддитивного производства PEEK.
"Принятие огня за петушка ddhhh: Точное температурное поле выше 400℃
3D-печать из PEEK — это, прежде всего, вызов экстремальным температурам. Температура плавления PEEK достигает 343 °C.℃а его температура стеклования также составляет 143.℃, что значительно выше, чем у распространенных материалов для 3D-печати, таких как PLA и ABS.
«Для этого необходимо, чтобы вся среда печати создавала чрезвычайно стабильное и однородное высокотемпературное поле», — пояснил отраслевой специалист. Взяв в качестве примера наиболее распространенный процесс послойного наплавления (FDM/FFF), температура сопла должна оставаться стабильной на уровне около 400°C.℃при этом камеру печати необходимо нагреть примерно до 100°C.℃а температура опорной плиты (нагревательного стола) должна достигать 200-300°C.℃Любые незначительные колебания температуры могут вызвать сильное коробление, расслоение между слоями и даже сбой печати во время нанесения и охлаждения расплавленной нити PEEK.
Управление кристаллами: кинетика кристаллизации определяет конечные характеристики.
Если высокая температура является пороговым значением, то точный контроль процесса кристаллизации PEEK — это более важная проблема. PEEK — это полукристаллический полимер, и его превосходные механические свойства, износостойкость и коррозионная стойкость во многом обусловлены примерно 30% кристаллической составляющей в материале.
«Температурный режим в процессе печати напрямую определяет форму и скорость кристаллизации, что в конечном итоге влияет на прочность, стабильность размеров и долговечность детали», — отметила исследовательская группа из Сианьского университета Цзяотун. В процессах лазерного спекания (таких как SLS или HT-LPBF) расплавленный материал подвергается быстрому нагреву и охлаждению, что включает в себя динамические неизотермические процессы кристаллизации и квазистатические изотермические процессы кристаллизации. Исследования показали, что путем оптимизации процесса для достижения более эффективной изотермической кристаллизации напечатанные детали могут обладать большей прочностью.
Интеграция процессов: от проверки осуществимости до окончательного изготовления компонентов.
Несмотря на многочисленные трудности, техническая осуществимость 3D-печати PEEK уже подтверждена. С 2015 года, когда отрасль успешно напечатала на 3D-принтере воздухозаборный патрубок для автомобиля (заменив алюминиевый), способный выдерживать температуру до 240°C и обладающий превосходной механической надежностью, эта технология перешла от производства прототипов к непосредственному изготовлению компонентов конечного использования.
В настоящее время двумя основными процессами являются селективное лазерное спекание (SLS) и послойное наплавление (FDM). SLS больше подходит для изготовления сложных геометрических форм и высокоточных компонентов конечного использования, таких как упомянутый выше черепной имплантат; в то время как FDM имеет преимущества с точки зрения стоимости и времени при изготовлении крупногабаритных конструкционных компонентов и специализированных приспособлений. Общая проблема, с которой сталкиваются оба процесса, заключается в том, как сохранить характеристики материала без ухудшения в процессе высокотемпературной обработки и обеспечить хорошую молекулярную диффузию и слияние слоев, чтобы избежать внутренних напряжений, вызванных кристаллической усадкой и, как следствие, ухудшением характеристик.
Перспективы на будущее: инновации в материалах и интеллектуальные технологические процессы.
Для преодоления существующих узких мест отрасль сейчас одновременно работает как над материалами, так и над технологическими процессами. С одной стороны, композиты из полиэфирэфиркетона, армированного непрерывным углеродным волокном (CF/PEEK), стали ведущим направлением, позволяющим значительно повысить прочность на растяжение и ударопрочность компонентов, но также предъявляющим более высокие требования к пропитке волокнами и процессам печати. С другой стороны, оптимизация траектории печати и контроль температурного поля с помощью алгоритмов искусственного интеллекта для достижения интеллектуального прогнозирования и корректировки процесса кристаллизации стали ключом к модернизации процесса.
Поскольку рыночные потребности в таких областях, как легкие аэрокосмические конструкции, компоненты на заказ для электромобилей и суставы роботов, все более очевидны, преодоление технических трудностей 3D-печати PEEK перестало быть просто академической проблемой; это превратилось в промышленную конкуренцию за лидерство в будущем производстве. Все отечественные научно-исследовательские, образовательные и промышленные сектора ускоряют сотрудничество для продвижения этой комбинации нового материала и новой технологии, переходя из лаборатории в более широкий промышленный «голубой океан».
