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材料PEEK的3D打印应用指南

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2019-05-17 09:59

    PEEK是一种有机热塑性聚合物,具有耐人寻味的力学性能,包括高温性能、机械强度和优异的耐化学性。这使其成为适用于各种增材制造(AM)技术的可行材料。在传统制造业中,基于PEEK的组件已经被许多行业所采用,得到了广泛的认可。

  今天,我们就来聊聊这种机械敏感的聚合物的性能、功能、限制、常见应用。

  什么是PEEK?

  总部位于英国的帝国化学工业公司(ICI)在20世纪80年代推出了聚醚醚酮(PEEK)。该材料的基本形态为半结晶、高纯度聚合物,其包含两个醚基团和一个酮基的重复单体。 

  PEEK属于聚酮聚合物(PAEK)家族,其家族成员还有PEK、PEEKK、PEKK或PEKEKK等。然而,由于其优异的性能和广泛的可用性,它的光芒比其"亲属"更胜一筹,使其成为该特定聚合物群中应用最广泛的一种。

  PEEK的性质

  PEEK具有一些引人注目的特性,特别是在生产功能原型和零件时。它最重要的属性包括:

  1、高度耐受高达260°C(480°F)的极端温度,以及耐受腐蚀性液体、气体和高压;

  2、不溶于普通溶剂,防止水解,使其不会因高压水或蒸汽而降解;

  3、轻量化:PEEK具有1.3g/cm?的固有低比重,不到铝的一半,是钢的六分之一;

  4、高自润滑能力和低摩擦力;

  5、出色的抗蠕变性;

  6、很少消耗;

  7、良好的尺寸稳定性;

  8、燃烧时易燃性低,烟雾排放少;

  9、卓越的绝缘阻热性能;

  10、高温下具有优异的耐消毒性;

  11、完全生物兼容。

  通过将PEEK与复合材料如玻璃纤维、石墨、二硫化钼或碳增强剂等复合材料结合,可以进一步提高这些材料的电阻率。

  PEEK的局限性

  不幸的是,与增材制造领域中所有材料一样,PEEK也有一些局限性。

  首先,它必须在非常高的温度下进行处理。PEEK的熔点为343°C(649.4°F)。

  在耐化学性方面,PEEK难以抵抗氯/溴、浓硫和硝酸以及酮类和硝基苯。PEEK也会受到卤素和钠的侵蚀,限制了它在某些工业领域的使用。

  此外,PEEK对紫外线的抵抗力低。这可以通过添加一层由特殊煤烟颗粒组成的颜料层来解决。碳填充等级提供更好的紫外线稳定性,可用于需要更高抗紫外线性质的某些应用。

  总体而言,使用基于PEEK的物体和零件,技术优势和可能性远远超过了材料的局限性,开辟了广泛的应用领域,甚至可以替代金属或铝材等常用材料。

  PEEK的常见应用

  由于其极具吸引力的特性,PEEK已广泛应用于汽车、航空航天、医疗和电气工程等行业。让我们仔细看看一些应用程序:

  1、航空航天

  航空航天业需要安全可靠的材料。PEEK即使暴露在高温和腐蚀性燃料中,也保持其出色的材料性能。此外,PEEK的氟塑料摩擦系数低,适合在狭小空间内加工。

  在航空航天领域中使用PEEK零件的范围很广,用于外部零件是因为它具有出色的抗雨水侵蚀性能,而在内部使用,则可降低火灾的危险,因为它的烟雾和有毒气体排放性低,且具有很好的阻燃性。

  总体而言,聚醚醚酮正在替代飞机中越来越多的铝和金属零件。如夹子、高压软管或电线管等。这样可以节省高达70%的重量并大幅降低燃料成本。例如,在500架飞机的机队中,将飞机重量减少45公斤,每年便可节省高达500万美元的燃油成本。

  2、汽车

  PEEK具有优异的抗疲劳和耐化学性能,因此可用于汽车燃料管理系统。由于其轻量性,它正在取代传动、制动和空调系统中使用的各种活性金属或铝组件,包括活塞单元、密封件、垫圈或轴承等,这可使汽车重量和噪音显著降低。

  此外,面向老爷车的3D打印定制零件是一个快速发展的领域。它们的成本比原始部件低90%,即是说,即便已经停产的零件,它们也仍然可以获得"老款式"的制造部件。

  3、电气工程

  PEEK优异的电气特性使其成为理想的绝缘体。凭借出色的热性能,PEEK聚合物部件能够承受传统绝缘体没有办法承受的高温。这些优势及它长期运行的可靠性,以及温度、压力和频率耐用性,使其可应用于海底环境控制设备或高压水泵的连接器销上。

  此外,PEEK正在移动设备中使用。人们对更薄、更轻、更智能的移动设备的追求,使基于PEEK材料的组件大有用武之地,例如,为手机扬声器或耳机创造了超薄膜。

  4、医疗

  在医疗领域,PEEK则提供了具有优异耐磨性、耐热性、耐电性和耐化学性的经济型创新部件。它在医疗保健领域的应用主要包括牙科器械、内窥镜、透析器等,主要用于骨科。

  PEEK虽然比铝轻,但在3D打印时,它可以为解剖正确的假肢或植入物提供一个新的精度水平,这些假肢与植入物都是针对每个使用者的需求专门设计的。虽然还在研发期,但这一部分具有惊人的增长潜力。

  例如,在牙科医学中, PEEK用于替换牙科注射器上的金属手柄或用于根管锉的无菌盒。 PEEK之所以适用于此,是因为该聚合物可承受高达3000次高压釜灭菌循环(通常在130°C),并在热水、蒸汽、溶剂或化学品中保持优异的机械强度和水解稳定性。

  PEI/ULTEM--PEEK的替代方案

  虽然军工、制药、石化或食品包装等行业对PEEK零件需求呈指数级增长,但因其成本较高,使其距离非工业领域还很遥远。幸运的是,对于所有的消费者来说,还有另一种选择:ULTEM--聚醚酰亚胺(PEI)的衍生物。

  聚醚酰亚胺(PEI)是一种无定形、琥珀到透明的热塑性塑料。虽然PEEK和PEI这两种材料具有相似的耐高温性,但它们来自不同的热塑性家庭。PEEK有一个多样化的塑料家族,PEIs,分子结构中缺乏酮。

  GE的塑料部门于1982年制定了PEI。2007年,SABIC购买了它供使用。除了ULTEM和ULTEM变体之外,它没有主要的家族成员,这些变体通常较便宜,但也有一些不同的特性,例如冲击强度和可用温度稍低。

  尽管这可能使其在极端条件下显得不那么实用,但在过去几年中,ULTEM的制造商SABIC已获得多项航空航天认证,使其成为商用飞机3D打印性能塑料零件的首选材料。

  基于PEI的材料由许多制造商以其各自的商标名出售。如SABIC(Ultem),Ensinger(Tecapei),RTP(RTP PEI)或Quadrant(Duratron)。

  PEEK的3D打印技巧

  随着允许高喷嘴温度和加热床的3D打印机的兴起,使用PEEK的3D打印允许构造更复杂的设计几何形状,这是使用其他技术无法生产的。它也是熔融沉积成型(FDM)的理想选择,因为它具有低吸湿性,特别是与其他常见材料(如ABS)相比。

  以下是使用PEEK或PEI进行3D打印时要记住的几个基本提示和技巧:

  1、一致的温度

  PEEK / PEI在波动或不稳定的温度下反应不佳。因此,如果没有必要,强烈建议使用带有密封室的打印机。为了在3D打印PEEK / PEI时获得最佳效果,我们建议您将3D打印机保持在温度变化最小的环境中,并远离太阳辐射和频繁出现的区域。

  2、小心斑点

  有时用户在使用PEEK / PEI打印时会遇到黑斑。虽然这可能有许多原因,但最常见的解释是所使用的打印材料的杂质或3D打印机在处理所需温度时遇到问题。

  3、保持喷嘴清洁

  打印过程完成后,应经常清洁喷嘴,从喷嘴中取出所有剩余材料,否则喷嘴可能会被堵塞并最终导致斑点。

  4、注意结晶

  有时,使用PEEK / PEI材料进行打印时,可能会发生不适当的结晶。如果打印的部分颜色不同,例如褐色变色而不是默认的米色,则这可能表明结晶不正确。这可能是由于打印过程中温度波动造成的。

  5、在干燥的地方存放丝材

当您不使用PEEK / PEI进行3D打印时,应将材料放在袋子中并存放在阴凉、干燥和黑暗的地方。通过这样做,您将保持材料的质量,并确保您将获得最佳打印结果。