С нарастващото търсене на леки и персонализирани компоненти в хуманоидните роботи, аерокосмическата индустрия и висок клас медицински импланти, полиетеретеркетонът (PEEK), висококачествена специална инженерна пластмаса, открива нова производствена парадигма чрез технологията за 3D печат. Превръщането на PEEK, който има характеристики, сравними с металите, в прецизни и надеждни 3D отпечатани компоненти обаче не е лесна задача. Експерти от индустрията посочват, че изключително високите температури на обработка и сложният контрол на процеса на кристализация са двете основни технически предизвикателства, които понастоящем ограничават мащабното приложение на адитивно производство с PEEK.
дддхххПод огън за пиеддххх: Прецизно температурно поле над 400℃
3D печатът на PEEK е преди всичко предизвикателство, свързано с екстремни температури. Точката на топене на PEEK е до 343 градуса по Фаренхайт.℃, а температурата му на стъкловиден преход също е 143℃, далеч по-високи от обичайните печатни материали като PLA и ABS.
„Това изисква цялата печатна среда да изгради изключително стабилно и равномерно високотемпературно поле“, обясни техник от индустрията. Вземайки за пример най-разпространения процес на моделиране на стопено отлагане (FDM/FFF), температурата на дюзата трябва да остане стабилна на около 400°F (400°F).℃, докато печатащата камера трябва да се загрее до приблизително 100℃, а основната плоча (нагряващото легло) трябва да достигне 200-300℃Всяко незначително температурно колебание може да причини сериозно изкривяване, разделяне на междуслойните слоеве и дори неуспех при печат по време на отлагането и охлаждането на разтопения PEEK филамент.
"Контролиране на кристалиddhhh: Кинетиката на кристализацията определя крайните характеристики
Ако високата температура е прагът на d"hardwareddhhh, тогава прецизният контрол на процеса на кристализация на PEEK е по-същественият проблем. PEEK е полукристален полимер и неговите отлични механични свойства, износоустойчивост и устойчивост на корозия се дължат до голяма степен на приблизително 30% кристална част в материала.
„Температурната история по време на процеса на печат директно определя формата и скоростта на кристализация, което в крайна сметка влияе върху здравината, размерната стабилност и издръжливостта на детайла“, посочи изследователски екип от университета Xi'an Jiaotong. При процесите на лазерно синтероване (като SLS или HT-LPBF), разтопената вана претърпява бързо нагряване и охлаждане, включващи динамична неизотермична кристализация и квазистатични изотермични процеси на кристализация. Проучванията показват, че чрез оптимизиране на процеса за постигане на по-достатъчна изотермична кристализация, отпечатаните части могат да постигнат по-висока якост.
Интеграция на процесите: от проверка на осъществимостта до производство на крайни компоненти
Въпреки многобройните предизвикателства, техническата осъществимост на 3D печата с PEEK вече е потвърдена. От 2015 г., когато индустрията успешно отпечата всмукателен канал за гориво на превозно средство (заменяйки алуминий), който може да издържи на температури от 240°C и има отлична механична надеждност, тази технология се е преместила от производство на прототипи до директно производство на компоненти за крайно приложение.
В момента селективното лазерно синтероване (SLS) и моделирането чрез сливане и отлагане (FDM) са двата основни процеса. SLS е по-подходящ за производство на сложни геометрии и високопрецизни компоненти за крайно приложение, като например гореспоменатия черепен имплант; докато FDM има предимства по отношение на разходите и времето при производството на големи структурни компоненти и персонализирани приспособления. Общото предизвикателство, пред което са изправени и двата метода, е как да се поддържат характеристиките на материала без влошаване по време на обработка при висока температура и да се осигури добра молекулярна дифузия и сливане между слоевете, за да се избегне вътрешно напрежение, причинено от кристално свиване и произтичащото от това влошаване на характеристиките.
Пътят напред: Иновации в материалите и интелигентност на процесите
За да преодолее съществуващите пречки, индустрията работи едновременно както върху материалния, така и върху технологичния фронт. От една страна, композитите от PEEK (CF/PEEK), подсилени с непрекъснати въглеродни влакна, се превърнаха във водеща насока, която може значително да подобри устойчивостта на опън и удар на компонентите, но също така поставя по-високи изисквания към процесите на импрегниране на влакната и печат. От друга страна, оптимизирането на пътя на печат и контрола на температурното поле чрез алгоритми с изкуствен интелект за постигане на интелигентно прогнозиране и регулиране на процеса на кристализация се превърна в ключ към модернизирането на процесите.
Тъй като пазарните изисквания надолу по веригата в области като леки конструкции в аерокосмическата индустрия, персонализирани компоненти за превозни средства с нова енергия и роботизирани съединения с човешка форма стават все по-ясни, преодоляването на техническите трудности при 3D печата с PEEK вече не е просто академичен въпрос; то се е превърнало в индустриално съревнование за завземане на бъдещите производствени висоти. Всички местни научноизследователски, образователни и индустриални сектори ускоряват сътрудничеството си, за да популяризират тази нова комбинация от материал и нова технология, преминавайки от лабораторията към по-широк индустриален син океан.
