3D打印PEEK材料應(yīng)用指南
魔猴君 知識堂 1998天前
PEEK是一種有機熱塑性聚合物,具有耐人尋味的力學(xué)性能,包括高溫性能、機械強度和優(yōu)異的耐化學(xué)性。這使其成為適用于各種增材制造(AM)技術(shù)的可行材料。在傳統(tǒng)制造業(yè)中,基于PEEK的組件已經(jīng)被許多行業(yè)所采用,得到了廣泛的認(rèn)可。
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今天,我們就來聊聊這種機械敏感的聚合物的性能、功能、限制、常見應(yīng)用。
什么是PEEK?
總部位于英國的帝國化學(xué)工業(yè)公司(ICI)在20世紀(jì)80年代推出了聚醚醚酮(PEEK)。該材料的基本形態(tài)為半結(jié)晶、高純度聚合物,其包含兩個醚基團和一個酮基的重復(fù)單體。
PEEK屬于聚酮聚合物(PAEK)家族,其家族成員還有PEK、PEEKK、PEKK或PEKEKK等。然而,由于其優(yōu)異的性能和廣泛的可用性,它的光芒比其"親屬"更勝一籌,使其成為該特定聚合物群中應(yīng)用最廣泛的一種。
PEEK的性質(zhì):
PEEK具有一些引人注目的特性,特別是在生產(chǎn)功能原型和零件時。它最重要的屬性包括:
1、高度耐受高達260°C(480°F)的極端溫度,以及耐受腐蝕性液體、氣體和高壓;
2、不溶于普通溶劑,防止水解,使其不會因高壓水或蒸汽而降解;
3、輕量化:PEEK具有1.3g/cm?的固有低比重,不到鋁的一半,是鋼的六分之一;
4、高自潤滑能力和低摩擦力;
5、出色的抗蠕變性;
6、很少消耗;
7、良好的尺寸穩(wěn)定性;
8、燃燒時易燃性低,煙霧排放少;
9、卓越的絕緣阻熱性能;
10、高溫下具有優(yōu)異的耐消毒性;
11、完全生物兼容。
通過將PEEK與復(fù)合材料如玻璃纖維、石墨、二硫化鉬或碳增強劑等復(fù)合材料結(jié)合,可以進一步提高這些材料的電阻率。
PEEK的局限性:
不幸的是,與增材制造領(lǐng)域中所有材料一樣,PEEK也有一些局限性。
首先,它必須在非常高的溫度下進行處理。PEEK的熔點為343°C(649.4°F)。
在耐化學(xué)性方面,PEEK難以抵抗氯/溴、濃硫和硝酸以及酮類和硝基苯。PEEK也會受到鹵素和鈉的侵蝕,限制了它在某些工業(yè)領(lǐng)域的使用。
此外,PEEK對紫外線的抵抗力低。這可以通過添加一層由特殊煤煙顆粒組成的顏料層來解決。碳填充等級提供更好的紫外線穩(wěn)定性,可用于需要更高抗紫外線性質(zhì)的某些應(yīng)用。
總體而言,使用基于PEEK的物體和零件,技術(shù)優(yōu)勢和可能性遠遠超過了材料的局限性,開辟了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,甚至可以替代金屬或鋁材等常用材料。
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PEEK的常見應(yīng)用:
由于其極具吸引力的特性,PEEK已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、醫(yī)療和電氣工程等行業(yè)。讓我們仔細看看一些應(yīng)用程序:
1、航空航天
航空航天業(yè)需要安全可靠的材料。PEEK即使暴露在高溫和腐蝕性燃料中,也保持其出色的材料性能。此外,PEEK的氟塑料摩擦系數(shù)低,適合在狹小空間內(nèi)加工。
在航空航天領(lǐng)域中使用PEEK零件的范圍很廣,用于外部零件是因為它具有出色的抗雨水侵蝕性能,而在內(nèi)部使用,則可降低火災(zāi)的危險,因為它的煙霧和有毒氣體排放性低,且具有很好的阻燃性。
總體而言,聚醚醚酮正在替代飛機中越來越多的鋁和金屬零件。如夾子、高壓軟管或電線管等。這樣可以節(jié)省高達70%的重量并大幅降低燃料成本。例如,在500架飛機的機隊中,將飛機重量減少45公斤,每年便可節(jié)省高達500萬美元的燃油成本。
2、汽車
PEEK具有優(yōu)異的抗疲勞和耐化學(xué)性能,因此可用于汽車燃料管理系統(tǒng)。由于其輕量性,它正在取代傳動、制動和空調(diào)系統(tǒng)中使用的各種活性金屬或鋁組件,包括活塞單元、密封件、墊圈或軸承等,這可使汽車重量和噪音顯著降低。
此外,面向老爺車的3D打印定制零件是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域。它們的成本比原始部件低90%,即是說,即便已經(jīng)停產(chǎn)的零件,它們也仍然可以獲得"老款式"的制造部件。
3、電氣工程
PEEK優(yōu)異的電氣特性使其成為理想的絕緣體。憑借出色的熱性能,PEEK聚合物部件能夠承受傳統(tǒng)絕緣體沒有辦法承受的高溫。這些優(yōu)勢及它長期運行的可靠性,以及溫度、壓力和頻率耐用性,使其可應(yīng)用于海底環(huán)境控制設(shè)備或高壓水泵的連接器銷上。
此外,PEEK正在移動設(shè)備中使用。人們對更薄、更輕、更智能的移動設(shè)備的追求,使基于PEEK材料的組件大有用武之地,例如,為手機揚聲器或耳機創(chuàng)造了超薄膜。
4、醫(yī)療
在醫(yī)療領(lǐng)域,PEEK則提供了具有優(yōu)異耐磨性、耐熱性、耐電性和耐化學(xué)性的經(jīng)濟型創(chuàng)新部件。它在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括牙科器械、內(nèi)窺鏡、透析器等,主要用于骨科。
PEEK雖然比鋁輕,但在3D打印時,它可以為解剖正確的假肢或植入物提供一個新的精度水平,這些假肢與植入物都是針對每個使用者的需求專門設(shè)計的。雖然還在研發(fā)期,但這一部分具有驚人的增長潛力。
例如,在牙科醫(yī)學(xué)中, PEEK用于替換牙科注射器上的金屬手柄或用于根管銼的無菌盒。 PEEK之所以適用于此,是因為該聚合物可承受高達3000次高壓釜滅菌循環(huán)(通常在130°C),并在熱水、蒸汽、溶劑或化學(xué)品中保持優(yōu)異的機械強度和水解穩(wěn)定性。
PEI/ULTEM--PEEK的替代方案
雖然軍工、制藥、石化或食品包裝等行業(yè)對PEEK零件需求呈指數(shù)級增長,但因其成本較高,使其距離非工業(yè)領(lǐng)域還很遙遠。幸運的是,對于所有的消費者來說,還有另一種選擇:ULTEM--聚醚酰亞胺(PEI)的衍生物。
聚醚酰亞胺(PEI)是一種無定形、琥珀到透明的熱塑性塑料。雖然PEEK和PEI這兩種材料具有相似的耐高溫性,但它們來自不同的熱塑性家庭。PEEK有一個多樣化的塑料家族,PEIs,分子結(jié)構(gòu)中缺乏酮。
GE的塑料部門于1982年制定了PEI。2007年,SABIC購買了它供使用。除了ULTEM和ULTEM變體之外,它沒有主要的家族成員,這些變體通常較便宜,但也有一些不同的特性,例如沖擊強度和可用溫度稍低。
盡管這可能使其在極端條件下顯得不那么實用,但在過去幾年中,ULTEM的制造商SABIC已獲得多項航空航天認(rèn)證,使其成為商用飛機3D打印性能塑料零件的首選材料。
基于PEI的材料由許多制造商以其各自的商標(biāo)名出售。如SABIC(Ultem),Ensinger(Tecapei),RTP(RTP PEI)或Quadrant(Duratron)。
PEEK的3D打印技巧:
隨著允許高噴嘴溫度和加熱床的3D打印機的興起,使用PEEK的3D打印允許構(gòu)造更復(fù)雜的設(shè)計幾何形狀,這是使用其他技術(shù)無法生產(chǎn)的。它也是熔融沉積成型(FDM)的理想選擇,因為它具有低吸濕性,特別是與其他常見材料(如ABS)相比。
以下是使用PEEK或PEI進行3D打印時要記住的幾個基本提示和技巧:
1、一致的溫度
PEEK / PEI在波動或不穩(wěn)定的溫度下反應(yīng)不佳。因此,如果沒有必要,強烈建議使用帶有密封室的打印機。為了在3D打印PEEK / PEI時獲得最佳效果,我們建議您將3D打印機保持在溫度變化最小的環(huán)境中,并遠離太陽輻射和頻繁出現(xiàn)的區(qū)域。
2、小心斑點
有時用戶在使用PEEK / PEI打印時會遇到黑斑。雖然這可能有許多原因,但最常見的解釋是所使用的打印材料的雜質(zhì)或3D打印機在處理所需溫度時遇到問題。
3、保持噴嘴清潔
打印過程完成后,應(yīng)經(jīng)常清潔噴嘴,從噴嘴中取出所有剩余材料,否則噴嘴可能會被堵塞并最終導(dǎo)致斑點。
4、注意結(jié)晶
有時,使用PEEK / PEI材料進行打印時,可能會發(fā)生不適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶。如果打印的部分顏色不同,例如褐色變色而不是默認(rèn)的米色,則這可能表明結(jié)晶不正確。這可能是由于打印過程中溫度波動造成的。
5、在干燥的地方存放絲材
當(dāng)您不使用PEEK / PEI進行3D打印時,應(yīng)將材料放在袋子中并存放在陰涼、干燥和黑暗的地方。通過這樣做,您將保持材料的質(zhì)量,并確保您將獲得最佳打印結(jié)果。