Tra gli ingegneri dei materiali che si occupano di progettazione per la produzione additiva (DfAM) è diffusa da tempo l'idea che i termoplastici prodotti in modo additivo siano intrinsecamente inferiori ai loro equivalenti stampati a iniezione. Nella Fused Filament Fabrication (FFF) convenzionale, i pezzi presentano spesso proprietà meccaniche anisotrope, con l'asse verticale (ZX) che mostra solo una frazione della resistenza del piano di costruzione orizzontale (XY).

Orion AM progetta soluzioni a questi limiti facendo progredire la lavorazione termica e dimostrando che questa debolezza non è un limite intrinseco di polimeri come il polietere etere chetone (PEEK) e dei suoi omologhi ad altissima temperatura, bensì la conseguenza di una storia termica non ottimizzata durante la deposizione.

Implementando un controllo preciso della storia termica del PEEK, i sistemi di produzione additiva possono raggiungere nei pezzi stampati in 3D la resistenza dello stampaggio a iniezione, ottenendo un'elevata densità relativa e prestazioni meccaniche quasi isotrope direttamente dal piano di stampa.

Controllo della storia termica & fisica dei polimeri

Il PEEK è un termoplastico semicristallino con un punto di fusione di 343°C e una temperatura di transizione vetrosa di 143°C. Le sue prestazioni meccaniche, tra cui l'elevata resistenza a trazione, la rigidità e la resistenza chimica, dipendono in larga misura dalla formazione e dall'allineamento delle sue strutture cristalline.

Quando si lavorano polimeri semicristallini con i sistemi di stampa standard, la storia termica di ciascun cordone depositato è frammentata:

1. Estrusione e raffreddamento rapido: Il polimero fuso esce dall'ugello a temperature superiori a 380° C e incontra immediatamente l'aria ambiente più fredda.
2. Differenze di temperatura tra gli strati: Se la temperatura superficiale dello strato sottostante scende al di sotto della temperatura di transizione vetrosa prima che venga applicato il cordone successivo, la diffusione delle catene polimeriche attraverso l'interfaccia si arresta.
3. Formazione di microvuoti: Un entanglement molecolare incompleto crea spazi tra gli strati e porosità interna al loro interno, con densità relative comprese tra l'87% e il 95% e un grave distacco lungo l'asse Z sotto carico.

Per ottenere una parità strutturale con lo stampaggio a iniezione occorre gestire la storia termica del polimero in modo che l'interfaccia rimanga nello stato termodinamico ottimale per l'interdiffusione molecolare e una cristallizzazione uniforme.

Cristallizzazione in situ: eliminare la ricottura post-processo

Nei flussi di lavoro tradizionali, i componenti in PEEK stampati sono spesso sottoposti a post-lavorazioni secondarie, come la ricottura in forno, nel tentativo di indurre la cristallizzazione e ridurre le tensioni interne. Tuttavia, sebbene il trattamento termico post-stampa possa aumentare la cristallinità complessiva, la ricerca dimostra che non è in grado di eliminare le sacche di vuoto interne né di riparare la microporosità già fissata nella struttura durante la deposizione. E, soprattutto, la ricottura non può migliorare l'adesione tra strati che non si sono fusi correttamente durante la stampa. 

Per ottenere una resistenza ottimale tra gli strati, la cristallizzazione in situ nella stampa 3D del PEEK deve avvenire dinamicamente durante la costruzione. Il processo proprietario Thermal Radiation Heating (TRH) di Orion AM ottiene questo risultato grazie a un'architettura termica disaccoppiata e multizona:

• Controllo ad alta temperatura: Una camera di costruzione chiusa che opera fino a 315° C (con controllo del piano riscaldato fino a 320° C) mantiene l'equilibrio ambientale, impedendo una contrazione termica prematura.
• Riscaldamento focalizzato: Ogni strato stampato viene riscaldato alla sua temperatura di fusione ideale, migliorando l'adesione con lo strato successivo.

Combinando la radiazione termica non focalizzata, per la stabilità geometrica complessiva, con un riscaldamento focalizzato di precisione, le catene polimeriche conservano un'energia termica sufficiente a cristallizzare attraverso i confini tra gli strati durante la deposizione. Ciò consente una semicristallizzazione in situ tra gli strati e al loro interno durante la stampa, eliminando la necessità di fasi di ricottura post-stampa

Caso di studio empirico: prestazioni meccaniche del PEEK Solvay KetaSpire® 

Per valutare il risultato meccanico di questa storia termica controllata, sono state condotte prove indipendenti da parte di terzi su PEEK commerciale KetaSpire® di Syensqo (ex Solvay) lavorato con il sistema TRH di Orion AM.

1. Densità e porosità

Le scansioni micro-CT e le misurazioni di densità secondo il metodo di Archimede confermano che i componenti in PEEK stampati con TRH raggiungono una densità relativa fino al 99.95%. L'eliminazione pressoché totale dei vuoti interni produce una struttura interna omogenea, paragonabile a quella del materiale pieno stampato a iniezione.

2. Resistenza a trazione e isotropia

Le prove di trazione nei diversi orientamenti standard dimostrano che il riscaldamento radiativo consente alla resistenza dei legami lungo l'asse verticale Z di eguagliare o superare i valori di riferimento dello stampaggio a iniezione:

Dati: prove di terze parti su Solvay KetaSpire® PEEK con processo TRH di Orion AM.

Il PEEK KetaSpire® di Syensqo (Solvay) stampato in orientamento verticale (ZX) ha raggiunto una resistenza a trazione a rottura di 95.4 MPa, superando il valore di riferimento di 91.0 MPa dello stampaggio a iniezione standard. Poiché la resistenza dei legami tra gli strati si avvicina alla resistenza intrinseca del filo di polimero estruso, le prestazioni meccaniche diventano praticamente indipendenti dall'orientamento di stampa o dall'angolo di riempimento

Conclusione

L'idea che i polimeri stampati in 3D siano intrinsecamente più deboli dei componenti stampati riflette i limiti termodinamici del tradizionale riscaldamento dell'ambiente, non i limiti del PEEK e dei materiali analoghi. Gestendo la storia termica del polimero con il Thermal Radiation Heating mirato, i sistemi additivi possono raggiungere fino al 99.95% di densità relativa, la semicristallizzazione in situ e proprietà di trazione verticali pari o superiori ai valori di riferimento dello stampaggio a iniezione.