Mezi materiálovými inženýry v oblasti konstruování pro aditivní výrobu (DfAM) dlouho přetrvává předpoklad, že aditivně vyrobené termoplasty jsou ze své podstaty horší než jejich vstřikované protějšky. Při konvenční technologii Fused Filament Fabrication (FFF) díly často trpí anizotropními mechanickými vlastnostmi, kdy svislá osa (ZX) vykazuje jen zlomek pevnosti dosahované v horizontální rovině sestavení (XY).

Orion AM vyvíjí řešení těchto omezení pokročilým tepelným zpracováním a dokazuje, že tato slabina není vnitřním omezením polymerů, jako je polyetheretherketon (PEEK) a jeho ultravysokoteplotní příbuzné materiály. Jde spíše o důsledek neoptimalizované tepelné historie během nanášení.

Díky přesnému řízení tepelné historie PEEK mohou systémy aditivní výroby dosáhnout u 3D tištěných dílů pevnosti vstřikovaných dílů, vysoké relativní hustoty a téměř izotropních mechanických vlastností přímo z tiskové podložky.

Řízení tepelné historie & fyzika polymerů

PEEK je semikrystalický termoplast s teplotou tání 343°C a teplotou skelného přechodu 143°C. Jeho mechanické vlastnosti, včetně vysoké pevnosti v tahu, tuhosti a chemické odolnosti, do značné míry závisí na tvorbě a uspořádání jeho krystalických struktur.

Při zpracování semikrystalických polymerů ve standardních tiskových systémech je tepelná historie každé nanesené stopy roztříštěná:

1. Extruze a rychlé ochlazení: Roztavený polymer vystupuje z trysky při teplotách nad 380° C a okamžitě se setkává s chladnějším okolním vzduchem.
2. Teplotní rozdíly mezi vrstvami: Pokud povrchová teplota spodní vrstvy klesne pod bod skelného přechodu dříve, než se nanese další stopa, difuze polymerních řetězců přes rozhraní se zastaví.
3. Vznik mikrodutin: Neúplné propletení molekul vytváří mezery mezi vrstvami a vnitřní porozitu uvnitř nich, což vede k relativní hustotě mezi 87% a 95% a k závažné delaminaci v ose Z při zatížení.

Dosažení konstrukční rovnocennosti se vstřikováním vyžaduje řízení tepelné historie polymeru tak, aby rozhraní zůstávalo v optimálním termodynamickém stavu pro vzájemnou difuzi molekul a rovnoměrnou krystalizaci.

Krystalizace in situ: odstranění žíhání po tisku

V tradičních výrobních postupech tištěné součásti z PEEK často procházejí sekundárním dodatečným zpracováním, například žíháním v peci, ve snaze vyvolat krystalizaci a uvolnit vnitřní pnutí. Tepelné zpracování po tisku sice může zvýšit celkovou krystalinitu, výzkum však ukazuje, že nedokáže uzavřít vnitřní dutiny ani opravit mikroporozitu, která se ve struktuře zafixovala již během nanášení. A co je nejdůležitější, žíhání nedokáže zlepšit mezivrstvové spojení mezi vrstvami, které se během tisku řádně nespojily. 

K dosažení optimální mezivrstvové pevnosti musí krystalizace in situ při 3D tisku PEEK probíhat dynamicky během stavby. Proprietární proces Thermal Radiation Heating (TRH) společnosti Orion AM toho dosahuje díky oddělené vícezónové tepelné architektuře:

• Vysokoteplotní řízení: Uzavřená tisková komora s provozní teplotou až 315° C (s řízením vyhřívané podložky až do 320° C) udržuje tepelnou rovnováhu prostředí a zabraňuje předčasnému tepelnému smrštění.
• Cílený ohřev: Každá tištěná vrstva se zahřeje na svou ideální teplotu natavení, čímž se zlepší spojení s následující vrstvou.

Kombinací nesoustředěného tepelného záření pro celkovou geometrickou stabilitu s cíleným přesným ohřevem si polymerní řetězce zachovávají dostatek tepelné energie, aby během nanášení krystalizovaly přes hranice vrstev. To umožňuje semikrystalizaci in situ mezi vrstvami i uvnitř nich během tisku, čímž odpadá potřeba žíhání po tisku

Empirická případová studie: mechanické vlastnosti Solvay KetaSpire® PEEK 

K vyhodnocení mechanických výsledků této řízené tepelné historie byly provedeny nezávislé zkoušky třetí stranou na komerčním materiálu Syensqo (dříve Solvay) KetaSpire® PEEK zpracovaném systémem TRH společnosti Orion AM.

1. Hustota a porozita

Skenování mikro-CT a měření hustoty Archimédovou metodou potvrzují, že součásti z PEEK tištěné technologií TRH dosahují relativní hustoty až 99.95%. Téměř úplné odstranění vnitřních dutin vytváří homogenní vnitřní strukturu srovnatelnou s plným vstřikovaným materiálem.

2. Pevnost v tahu a izotropie

Tahové zkoušky ve standardních orientacích ukazují, že radiační ohřev umožňuje, aby pevnost spoje ve svislé ose Z dosáhla referenčních hodnot vstřikování nebo je překročila:

Data: zkoušky Solvay KetaSpire® PEEK třetí stranou, proces Orion AM TRH.

Syensqo (Solvay) KetaSpire® PEEK vytištěný ve svislé orientaci (ZX) dosáhl meze pevnosti v tahu 95.4 MPa, čímž překonal referenční hodnotu 91.0 MPa pro standardní vstřikování. Protože pevnost mezivrstvového spoje se blíží vlastní pevnosti extrudovaného polymerního vlákna, mechanické vlastnosti se stávají prakticky nezávislými na orientaci tisku nebo úhlu výplně

Závěr

Předpoklad, že 3D tištěné polymery jsou ze své podstaty slabší než lisované součásti, odráží termodynamická omezení tradičního ohřevu okolního prostředí, nikoli materiálové limity PEEK a příbuzných materiálů. Řízením tepelné historie polymeru pomocí cíleného Thermal Radiation Heating mohou aditivní systémy dosáhnout relativní hustoty až 99.95%, semikrystalizace in situ a pevnosti v tahu ve svislém směru, která dosahuje referenčních hodnot vstřikování nebo je překračuje.