Een lang bestaande aanname onder materiaalkundigen in het vakgebied design for additive manufacturing (DfAM) is dat additief vervaardigde thermoplasten inherent onderdoen voor hun spuitgegoten tegenhangers. Bij conventionele Fused Filament Fabrication (FFF) hebben onderdelen vaak te maken met anisotrope mechanische eigenschappen, waarbij de verticale (ZX-)as slechts een fractie van de sterkte vertoont die in het horizontale (XY-)bouwvlak wordt gevonden.

Orion AM ontwikkelt oplossingen voor deze beperkingen door de thermische verwerking te verbeteren en toont daarmee aan dat deze zwakte geen intrinsieke beperking is van polymeren zoals polyetheretherketon (PEEK) en verwante ultrahogetemperatuurpolymeren. Het is veeleer een gevolg van een niet-geoptimaliseerde thermische geschiedenis tijdens de depositie.

Door een nauwkeurige beheersing van de thermische geschiedenis van PEEK kunnen additive-manufacturingsystemen in 3D-geprinte onderdelen spuitgietsterkte bereiken, met een hoge relatieve dichtheid en bijna isotrope mechanische prestaties, rechtstreeks van de bouwplaat.

Beheersing van de thermische geschiedenis & polymeerfysica

PEEK is een semikristallijne thermoplast met een smeltpunt van 343°C en een glasovergangstemperatuur van 143°C. De mechanische prestaties, waaronder de hoge treksterkte, stijfheid en chemische bestendigheid, hangen sterk af van de vorming en oriëntatie van de kristallijne structuren.

Bij de verwerking van semikristallijne polymeren in standaard printsystemen is de thermische geschiedenis van elke afgezette rups gefragmenteerd:

1. Extrusie en snelle afkoeling: Gesmolten polymeer verlaat de nozzle bij temperaturen boven 380° C en komt direct in contact met koelere omgevingslucht.
2. Temperatuurverschillen tussen de lagen: Als de oppervlaktetemperatuur van de onderliggende laag onder het glasovergangspunt daalt voordat de volgende rups wordt aangebracht, stopt de diffusie van polymeerketens over het grensvlak.
3. Vorming van microholten: Onvolledige moleculaire verstrengeling veroorzaakt openingen tussen de lagen en interne porositeit daarbinnen, met relatieve dichtheden tussen 87% en 95% en ernstige onthechting in de Z-as onder belasting als gevolg.

Om structureel gelijkwaardig te zijn aan spuitgieten, moet de thermische geschiedenis van het polymeer zo worden beheerst dat het grensvlak in de optimale thermodynamische toestand blijft voor moleculaire interdiffusie en gelijkmatige kristallisatie.

In-situ kristallisatie: temperen na het proces overbodig

In traditionele verwerkingsworkflows ondergaan geprinte PEEK-componenten vaak een secundaire nabewerking, zoals temperen in een oven, om kristallisatie te bevorderen en interne spanningen te verminderen. Hoewel een warmtebehandeling na het printen de totale kristalliniteit kan verhogen, toont onderzoek echter aan dat zij interne holten niet kan dichten of microporositeit kan herstellen die tijdens de depositie al in de structuur is ingesloten. En het belangrijkste: temperen kan de hechting tussen lagen die tijdens het printen niet goed zijn versmolten niet verbeteren. 

Voor een optimale sterkte tussen de lagen moet de in-situ kristallisatie bij het 3D-printen van PEEK dynamisch tijdens het bouwen plaatsvinden. Het eigen Thermal Radiation Heating-proces (TRH) van Orion AM bereikt dit door middel van een ontkoppelde thermische architectuur met meerdere zones:

• Beheersing van hoge temperaturen: Een afgesloten bouwkamer die werkt tot 315° C (met een verwarmd bed tot 320° C) houdt de omgeving in evenwicht en voorkomt voortijdige thermische krimp.
• Gerichte verwarming: Elke geprinte laag wordt verwarmd tot de ideale versmeltingstemperatuur, waardoor de hechting met de volgende laag verbetert.

Door ongerichte thermische straling voor de algehele geometrische stabiliteit te combineren met gerichte precisieverwarming, behouden polymeerketens voldoende thermische energie om tijdens de depositie over de laaggrenzen heen te kristalliseren. Dit maakt in-situ semikristallisatie tussen en binnen de lagen tijdens het printen mogelijk, waardoor temperen na het printen overbodig wordt

Empirische casestudy: mechanische prestaties van Solvay KetaSpire® PEEK 

Om het mechanische resultaat van deze beheerste thermische geschiedenis te beoordelen, zijn onafhankelijke tests door derden uitgevoerd op commercieel Syensqo (voorheen Solvay) KetaSpire® PEEK, verwerkt met het TRH-systeem van Orion AM.

1. Dichtheid en porositeit

Micro-CT-scans en dichtheidsmetingen volgens Archimedes bevestigen dat met TRH geprinte PEEK-componenten een relatieve dichtheid tot 99,95% bereiken. De vrijwel volledige eliminatie van interne holten levert een homogene interne structuur op, vergelijkbaar met massief, spuitgegoten materiaal.

2. Treksterkte en isotropie

Trekproeven in de standaardoriëntaties tonen aan dat stralingsverwarming het mogelijk maakt dat de hechtsterkte in de verticale Z-as gelijk is aan of hoger is dan de referentiewaarden van spuitgieten:

Gegevens: tests door derden van Solvay KetaSpire® PEEK via het TRH-proces van Orion AM.

Syensqo (Solvay) KetaSpire® PEEK, geprint in de verticale (ZX-)oriëntatie, bereikte een treksterkte van 95,4 MPa en overtrof daarmee de referentiewaarde van 91,0 MPa voor standaard spuitgieten. Omdat de hechtsterkte tussen de lagen de intrinsieke sterkte van de geëxtrudeerde polymeerstreng benadert, worden de mechanische prestaties vrijwel onafhankelijk van de printoriëntatie of de vulhoek

Conclusie

De aanname dat 3D-geprinte polymeren inherent zwakker zijn dan gegoten componenten weerspiegelt de thermodynamische beperkingen van traditionele omgevingsverwarming, niet de materiaalgrenzen van PEEK en verwante polymeren. Door de thermische geschiedenis van het polymeer te beheersen met gerichte Thermal Radiation Heating kunnen additieve systemen een relatieve dichtheid tot 99,95%, in-situ semikristallisatie en verticale trekeigenschappen bereiken die gelijk zijn aan of hoger zijn dan de referentiewaarden van spuitgieten.