Wśród inżynierów materiałowych zajmujących się projektowaniem dla wytwarzania przyrostowego (DfAM) od dawna panuje przekonanie, że tworzywa termoplastyczne wytwarzane przyrostowo są z natury gorsze od swoich odpowiedników formowanych wtryskowo. W konwencjonalnej technologii Fused Filament Fabrication (FFF) części często mają anizotropowe właściwości mechaniczne – w osi pionowej (ZX) wytrzymałość stanowi zaledwie ułamek wytrzymałości w płaszczyźnie poziomej (XY).

Orion AM rozwiązuje te ograniczenia, rozwijając obróbkę termiczną i wykazując, że ta słabość nie jest wewnętrznym ograniczeniem polimerów takich jak polieteroeteroketon (PEEK) i pokrewnych tworzyw ultrawysokotemperaturowych. Jest ona raczej konsekwencją niezoptymalizowanej historii termicznej podczas nanoszenia materiału.

Dzięki precyzyjnej kontroli historii termicznej PEEK systemy wytwarzania przyrostowego mogą zapewnić częściom drukowanym w 3D wytrzymałość jak przy formowaniu wtryskowym, wysoką gęstość względną i niemal izotropowe właściwości mechaniczne prosto z płyty roboczej.

Kontrola historii termicznej & fizyka polimerów

PEEK jest semikrystalicznym tworzywem termoplastycznym o temperaturze topnienia 343°C i temperaturze zeszklenia 143°C. Jego właściwości mechaniczne, w tym wysoka wytrzymałość na rozciąganie, sztywność i odporność chemiczna, w dużej mierze zależą od tworzenia się i orientacji struktur krystalicznych.

Podczas przetwarzania polimerów semikrystalicznych w standardowych systemach druku historia termiczna każdej nałożonej ścieżki jest rozdrobniona:

1. Wytłaczanie i szybkie chłodzenie: Stopiony polimer opuszcza dyszę w temperaturze powyżej 380° C i natychmiast styka się z chłodniejszym powietrzem otoczenia.
2. Różnice temperatur między warstwami: Jeśli temperatura powierzchni warstwy leżącej poniżej spadnie poniżej temperatury zeszklenia przed nałożeniem kolejnej ścieżki, dyfuzja łańcuchów polimerowych przez granicę warstw zostaje zatrzymana.
3. Powstawanie mikropustek: Niepełne splątanie cząsteczek tworzy szczeliny między warstwami i porowatość wewnątrz nich, co skutkuje gęstością względną od 87% do 95% i silnym rozwarstwianiem w osi Z pod obciążeniem.

Osiągnięcie parytetu konstrukcyjnego z formowaniem wtryskowym wymaga takiego zarządzania historią termiczną polimeru, aby granica warstw pozostawała w optymalnym stanie termodynamicznym dla wzajemnej dyfuzji cząsteczek i równomiernej krystalizacji.

Krystalizacja in situ: eliminacja wyżarzania po procesie

W tradycyjnych procesach drukowane komponenty z PEEK często poddaje się dodatkowej obróbce, np. wyżarzaniu w piecu, aby wywołać krystalizację i zredukować naprężenia wewnętrzne. Jednak choć obróbka cieplna po druku może zwiększyć ogólną krystaliczność, badania pokazują, że nie usuwa ona wewnętrznych pustek ani nie naprawia mikroporowatości utrwalonej w strukturze podczas nanoszenia. A co najważniejsze, wyżarzanie nie może poprawić połączenia między warstwami, które nie zostały prawidłowo zespolone podczas druku. 

Aby uzyskać optymalną wytrzymałość międzywarstwową, krystalizacja in situ w druku 3D z PEEK musi zachodzić dynamicznie w trakcie budowy części. Autorski proces Thermal Radiation Heating (TRH) firmy Orion AM osiąga to dzięki rozdzielonej, wielostrefowej architekturze termicznej:

• Kontrola wysokiej temperatury: Zamknięta komora robocza pracująca w temperaturze do 315° C (z kontrolą temperatury podgrzewanego stołu do 320° C) utrzymuje równowagę termiczną otoczenia, zapobiegając przedwczesnemu skurczowi termicznemu.
• Grzanie skupione: Każda drukowana warstwa jest podgrzewana do idealnej temperatury zespolenia, co poprawia jej połączenie z kolejną warstwą.

Dzięki połączeniu nieskupionego promieniowania cieplnego, zapewniającego ogólną stabilność geometryczną, z precyzyjnym grzaniem skupionym łańcuchy polimerowe zachowują wystarczającą energię cieplną, aby krystalizować na granicach warstw podczas nanoszenia. Umożliwia to semikrystalizację in situ między warstwami i w ich obrębie w trakcie druku, eliminując potrzebę wyżarzania po druku

Empiryczne studium przypadku: właściwości mechaniczne Solvay KetaSpire® PEEK 

Aby ocenić efekt mechaniczny kontrolowanej historii termicznej, niezależne podmioty zewnętrzne przeprowadziły badania komercyjnego Syensqo (dawniej Solvay) KetaSpire® PEEK przetwarzanego w systemie TRH firmy Orion AM.

1. Gęstość i porowatość

Skanowanie micro-CT oraz pomiary gęstości metodą Archimedesa potwierdzają, że komponenty z PEEK drukowane w technologii TRH osiągają gęstość względną do 99.95%. Niemal całkowita eliminacja pustek wewnętrznych daje jednorodną strukturę wewnętrzną porównywalną z litym materiałem formowanym wtryskowo.

2. Wytrzymałość na rozciąganie i izotropia

Próby rozciągania w standardowych orientacjach pokazują, że grzanie radiacyjne pozwala uzyskać wytrzymałość połączeń w pionowej osi Z równą lub wyższą od referencyjnych wartości dla formowania wtryskowego:

Dane: badania Solvay KetaSpire® PEEK przeprowadzone przez podmiot zewnętrzny w procesie TRH firmy Orion AM.

Syensqo (Solvay) KetaSpire® PEEK wydrukowany w orientacji pionowej (ZX) osiągnął wytrzymałość na rozciąganie 95.4 MPa, przewyższając wartość referencyjną 91.0 MPa dla standardowego formowania wtryskowego. Ponieważ wytrzymałość połączenia międzywarstwowego zbliża się do wytrzymałości własnej wytłaczanej ścieżki polimeru, właściwości mechaniczne stają się praktycznie niezależne od orientacji druku czy kąta wypełnienia

Podsumowanie

Przekonanie, że polimery drukowane w 3D są z natury słabsze od komponentów formowanych, odzwierciedla ograniczenia termodynamiczne tradycyjnego ogrzewania otoczenia, a nie ograniczenia materiałowe PEEK i pokrewnych tworzyw. Zarządzając historią termiczną polimeru za pomocą ukierunkowanego grzania promieniowaniem cieplnym (Thermal Radiation Heating), systemy przyrostowe mogą osiągnąć gęstość względną do 99.95%, semikrystalizację in situ oraz pionowe właściwości wytrzymałościowe na rozciąganie spełniające lub przewyższające wartości referencyjne formowania wtryskowego.