En langvarig antagelse blandt materialeingeniører inden for design til additiv fremstilling (DfAM) er, at additivt fremstillede termoplaster i sig selv er ringere end deres sprøjtestøbte modstykker. Ved konventionel Fused Filament Fabrication (FFF) lider emner ofte af anisotrope mekaniske egenskaber, hvor den vertikale (ZX) akse kun har en brøkdel af styrken i det horisontale (XY) byggeplan.

Orion AM udvikler løsninger på disse begrænsninger ved at videreudvikle den termiske forarbejdning og viser, at denne svaghed ikke er en iboende begrænsning ved polymerer som polyetheretherketon (PEEK) og tilsvarende ultrahøjtemperaturpolymerer. Den er derimod en følge af en uoptimeret termisk historik under aflejringen.

Ved at implementere præcis styring af den termiske historik for PEEK kan systemer til additiv fremstilling opnå styrke som ved sprøjtestøbning i 3D-printede emner med høj relativ densitet og næsten isotrop mekanisk ydeevne direkte fra byggepladen.

Styring af termisk historik & polymerfysik

PEEK er en semikrystallinsk termoplast med et smeltepunkt på 343°C og en glasovergangstemperatur på 143°C. Dens mekaniske ydeevne, herunder høj trækstyrke, stivhed og kemisk modstandsdygtighed, afhænger i høj grad af dannelsen og orienteringen af dens krystallinske strukturer.

Når semikrystallinske polymerer forarbejdes i standardprintsystemer, bliver den termiske historik for hver aflejret streng fragmenteret:

1. Ekstrudering og hurtig afkøling: Smeltet polymer forlader dysen ved temperaturer over 380° C og møder straks køligere omgivende luft.
2. Temperaturforskelle mellem lagene: Hvis overfladetemperaturen på det underliggende lag falder under glasovergangspunktet, før den næste streng påføres, standses diffusionen af polymerkæder på tværs af grænsen.
3. Dannelse af mikrohulrum: Ufuldstændig molekylær sammenfiltring skaber mellemrum mellem lagene og indre porøsitet i dem, hvilket giver relative densiteter mellem 87% og 95% og alvorlig delaminering i Z-aksen under belastning.

For at opnå strukturel ligestilling med sprøjtestøbning skal polymerens termiske historik styres, så grænsefladen forbliver i den optimale termodynamiske tilstand for molekylær interdiffusion og ensartet krystallisation.

In-situ krystallisation: Ingen udglødning efter processen

I traditionelle arbejdsgange gennemgår printede PEEK-komponenter ofte sekundær efterbehandling, såsom udglødning i ovn, for at fremkalde krystallisation og afhjælpe indre spændinger. Men selvom varmebehandling efter print kan øge den samlede krystallinitet, viser forskning, at den ikke kan lukke indre hulrum eller reparere mikroporøsitet, der allerede er låst fast i strukturen under aflejringen. Og vigtigst af alt kan udglødning ikke forbedre bindingen mellem lag, der ikke er smeltet ordentligt sammen under printningen. 

For at opnå optimal styrke mellem lagene skal in-situ krystallisation ved 3D-print af PEEK ske dynamisk under opbygningen. Orion AM’s patenterede Thermal Radiation Heating (TRH)-proces opnår dette gennem en afkoblet termisk arkitektur med flere zoner:

• Højtemperaturstyring: Et lukket byggekammer, der arbejder ved op til 315° C (med styring af den opvarmede byggeplade op til 320° C), opretholder ligevægt i omgivelserne og forhindrer for tidlig termisk sammentrækning.
• Fokuseret opvarmning: Hvert printet lag opvarmes til sin ideelle sammensmeltningstemperatur, hvilket forbedrer bindingen til det efterfølgende lag.

Ved at kombinere ufokuseret termisk stråling for overordnet geometrisk stabilitet med fokuseret præcisionsopvarmning bevarer polymerkæderne tilstrækkelig varmeenergi til at krystallisere på tværs af laggrænserne under aflejringen. Det muliggør in-situ semikrystallisation mellem og inden for lagene under printningen og eliminerer behovet for udglødning efter print

Empirisk casestudie: Mekanisk ydeevne for Solvay KetaSpire® PEEK 

For at evaluere det mekaniske resultat af denne styrede termiske historik blev der udført uafhængige tredjepartstests af kommerciel Syensqo (tidligere Solvay) KetaSpire® PEEK forarbejdet med Orion AM’s TRH-system.

1. Densitet og porøsitet

Mikro-CT-scanning og densitetsmålinger efter Arkimedes' princip bekræfter, at TRH-printede PEEK-komponenter opnår en relativ densitet på op til 99.95%. Den næsten fuldstændige eliminering af indre hulrum giver en homogen indre struktur, der kan sammenlignes med massivt, sprøjtestøbt materiale.

2. Trækstyrke og isotropi

Trækprøvning i standardorienteringer viser, at strålingsopvarmning gør det muligt for bindingsstyrken i den vertikale Z-akse at matche eller overgå referenceværdierne for sprøjtestøbning:

Data: Tredjepartstest af Solvay KetaSpire® PEEK med Orion AM TRH-processen.

Syensqo (Solvay) KetaSpire® PEEK printet i vertikal (ZX) orientering opnåede en brudstyrke på 95.4 MPa og overgik dermed referenceværdien på 91.0 MPa for standard sprøjtestøbning. Fordi bindingsstyrken mellem lagene nærmer sig den iboende styrke af den ekstruderede polymerstreng, bliver den mekaniske ydeevne praktisk talt uafhængig af printorientering og infill-vinkel

Konklusion

Antagelsen om, at 3D-printede polymerer i sig selv er svagere end støbte komponenter, afspejler de termodynamiske begrænsninger ved traditionel opvarmning af omgivelserne, ikke materialegrænserne for PEEK og tilsvarende polymerer. Ved at styre polymerens termiske historik med målrettet Thermal Radiation Heating kan additive systemer opnå op til 99.95% relativ densitet, in-situ semikrystallisation og vertikale trækegenskaber, der lever op til eller overgår referenceværdierne for sprøjtestøbning.