Eklemeli imalat için tasarım (DfAM) alanındaki malzeme mühendisleri arasında uzun süredir var olan bir varsayım, eklemeli imalatla üretilen termoplastiklerin enjeksiyon kalıplanmış muadillerinden doğası gereği daha düşük nitelikte olduğudur. Geleneksel Eriyik Filament Üretimi’nde (FFF) parçalar sıklıkla anizotropik mekanik özelliklerden muzdariptir; dikey (ZX) eksen, yatay (XY) baskı düzleminde görülen dayanımın yalnızca bir kısmını gösterir.

Orion AM, termal işlemeyi ileri taşıyarak bu sınırlamalara mühendislik çözümleri geliştirir ve bu zayıflığın Polieter eter keton (PEEK) ve ultra yüksek sıcaklık sınıfındaki benzeri polimerlerin içsel bir sınırlaması olmadığını gösterir. Aksine bu, biriktirme sırasında optimize edilmemiş termal geçmişin bir sonucudur.

PEEK için hassas termal geçmiş kontrolü uygulanarak eklemeli imalat sistemleri, 3D baskılı parçalarda enjeksiyon kalıplama dayanımına ulaşabilir ve doğrudan baskı tablasından çıktığı haliyle yüksek bağıl yoğunluk ve izotropiye yakın mekanik performans sağlayabilir.

Termal Geçmiş Kontrolü & Polimer Fiziği

PEEK, 343°C erime noktasına ve 143°C camsı geçiş sıcaklığına sahip yarı kristalin bir termoplastiktir. Yüksek çekme dayanımı, rijitlik ve kimyasal direnç dahil mekanik performansı, büyük ölçüde kristal yapılarının oluşumuna ve yönelimine bağlıdır.

Yarı kristalin polimerler standart baskı sistemlerinde işlendiğinde, biriktirilen her boncuğun termal geçmişi parçalı hale gelir:

1. Ekstrüzyon ve Hızlı Soğuma: Erimiş polimer nozuldan 380° C’nin üzerindeki sıcaklıklarda çıkar ve hemen daha soğuk ortam havasıyla karşılaşır.
2. Katmanlar Arası Sıcaklık Farkları: Alttaki katmanın yüzey sıcaklığı, bir sonraki boncuk uygulanmadan önce camsı geçiş noktasının altına düşerse, polimer zincirlerinin sınır boyunca difüzyonu durur.
3. Mikro Boşluk Oluşumu: Eksik moleküler dolanma, katmanlar arasında boşluklar ve katmanların içinde gözeneklilik oluşturur; bu da %87 ile %95 arasında bağıl yoğunluğa ve yük altında ciddi Z ekseni ayrılmasına yol açar.

Enjeksiyon kalıplamayla yapısal eşitliğe ulaşmak, ara yüzeyin moleküler karşılıklı difüzyon ve homojen kristalleşme için optimum termodinamik durumda kalması amacıyla polimerin termal geçmişinin yönetilmesini gerektirir.

Yerinde Kristalleşme: Süreç Sonrası Tavlamanın Ortadan Kaldırılması

Geleneksel işleme iş akışlarında, basılan PEEK bileşenler kristalleşmeyi sağlamak ve iç gerilimleri gidermek amacıyla genellikle fırında tavlama gibi ikincil son işlemlerden geçirilir. Ancak baskı sonrası ısıl işlem genel kristalliği artırabilse de araştırmalar, bunun biriktirme sırasında yapıya hapsolmuş iç boşlukları kapatamadığını veya mikro gözenekliliği onaramadığını göstermektedir. En önemlisi de tavlama, baskı sırasında düzgün kaynaşmamış katmanlar arasındaki katmanlar arası bağlanmayı iyileştiremez. 

Optimum katmanlar arası dayanımı sağlamak için PEEK 3D baskıda yerinde kristalleşme, baskı sırasında dinamik olarak gerçekleşmelidir. Orion AM’in tescilli Termal Radyasyonla Isıtma (TRH) süreci bunu ayrıştırılmış, çok bölgeli bir termal mimari ile başarır:

• Yüksek Sıcaklık Kontrolü: 315° C’ye kadar çalışan kapalı bir baskı odası (320° C’ye kadar ısıtmalı tabla kontrolü ile) ortam dengesini koruyarak erken termal büzülmeyi önler.
• Odaklanmış Isıtma: Basılan her katman ideal kaynaşma sıcaklığına ısıtılarak bir sonraki katmanla bağlanma iyileştirilir.

Genel geometrik kararlılık için odaklanmamış termal radyasyon ile odaklanmış hassas ısıtmanın birleştirilmesiyle polimer zincirleri, biriktirme sırasında katman sınırları boyunca kristalleşmek için yeterli termal enerjiyi korur. Bu, baskı sırasında katmanlar arasında ve katmanların içinde yerinde yarı kristalleşmeyi mümkün kılarak baskı sonrası tavlama adımlarına olan ihtiyacı ortadan kaldırır

Ampirik Vaka Çalışması: Solvay KetaSpire® PEEK Mekanik Performansı 

Bu kontrollü termal geçmişin mekanik sonucunu değerlendirmek için, Orion AM’in TRH sistemiyle işlenen ticari Syensqo (eski adıyla Solvay) KetaSpire® PEEK üzerinde bağımsız üçüncü taraf testleri yapılmıştır.

1. Yoğunluk ve Gözeneklilik

Mikro-BT taraması ve Arşimet yoğunluk ölçümleri, TRH ile basılan PEEK bileşenlerinin %99.95’e varan bağıl yoğunluğa ulaştığını doğrulamaktadır. İç boşlukların neredeyse tamamen ortadan kaldırılması, katı, enjeksiyon kalıplanmış malzemeyle karşılaştırılabilir homojen bir iç yapı oluşturur.

2. Çekme Dayanımı ve İzotropi

Standart yönlerde yapılan çekme değerlendirmesi, radyatif ısıtmanın dikey Z ekseni bağ dayanımının enjeksiyon kalıplama referans değerlerine ulaşmasını veya bunları aşmasını sağladığını göstermektedir:

Veri: Orion AM TRH Süreci ile Solvay KetaSpire® PEEK üçüncü taraf testleri.

Syensqo (Solvay) KetaSpire® PEEK, dikey (ZX) yönde basıldığında 95.4 MPa nihai çekme dayanımına ulaşarak standart enjeksiyon kalıplama için 91.0 MPa olan referans değeri aşmıştır. Katmanlar arası bağ dayanımı, ekstrüde edilen polimer ipliğinin kendi dayanımına yaklaştığından, mekanik performans baskı yönünden veya dolgu açısından neredeyse bağımsız hale gelir

Sonuç

3D baskılı polimerlerin kalıplanmış bileşenlerden doğası gereği daha zayıf olduğu varsayımı, PEEK ve benzerlerinin malzeme sınırlarını değil, geleneksel ortam ısıtmasının termodinamik sınırlamalarını yansıtmaktadır. Polimerin termal geçmişini hedefli Termal Radyasyonla Isıtma ile yöneten eklemeli sistemler, %99.95’e varan bağıl yoğunluğa, yerinde yarı kristalleşmeye ve enjeksiyon kalıplama referans değerlerine ulaşan veya bunları aşan dikey çekme özelliklerine ulaşabilir.