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Ultem、PEEK还是PEKK?如何选择合适的高性能3D打印材料
2024-06-12
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过去几年,高性能热塑性塑料已成为 3D 打印领域广泛讨论的话题,其市场增长迅速。这些材料因其强度高、重量轻而在该领域颇具吸引力,并且有许多不同的材料可用于增材制造。例如,聚芳醚酮 (PAEK) 是一种半结晶塑料,可以耐高温,同时保持极高的强度。PAEK 主要以聚醚醚酮 (PEEK) 和聚醚酮酮 ( PEKK ) 的形式使用,这两种材料具有高刚度,耐化学腐蚀的特性。同时,成本稍低的的替代品——聚醚酰亚胺 (PEI)(也称为 ULTEM)也越来越普及。但高性能3D打印材料到底是什么?如何选择它们进行打印?制造商是谁?在以下有关 PAEK 和 PEI 系列的指南中了解有关这些材料的所有信息。


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高性能聚合物的生产和特性


关于高性能聚合物,首先要注意的是,虽然它们当然具有共同的特性,但它们并不完全相同。话虽如此,总体而言,可以注意到高性能热塑性塑料,尤其是 PEEK,与钢一样坚固,比金属轻 80%,这使得它们在生产行业中非常受欢迎。此外,除了在连续运行中高达 250°C (482°F) 的卓越机械和耐热性外,与大多数其他塑料不同,PAEK 材料还耐油和其他物质溶解。暴露在火中时,几乎不会释放任何气体或有毒烟雾。


尽管它们在增材制造领域越来越普遍,但不可否认的是,它们的增长速度比其他聚合物要慢。事实是,这种材料已经存在了三十多年,尽管它们是通过注塑或机械加工来利用的。最初,Stratasys 是唯一一家能生产可处理熔化PAEK和PEI聚合物所需高温环境的打印机的公司。随着时间的推移和进入门槛的降低,越来越多的公司进入该领域并开始生产能够处理PAEK热塑性塑料的打印机。


PEEK与 PEKK同属于聚芳醚酮(PAEK)半结晶聚合物家族,主要区别在于PEKK的结晶速度要低得多,因此可以像无定形聚合物一样进行加工,这意味着PEKK在低温构建室中受冷却的影响较小,因此具有更好的层粘合性和更少的翘曲。


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另一种材料PEI最早由通用电气的塑料部门于1980年代末开发。然而,2007年,沙特阿拉伯最大的上市公司之一SABIC收购了该部门,从而获得了ULTEM品牌的使用权。由于这种材料是比PEEK更实惠的替代品,因此从财务角度来看,它立即引起了人们的极大兴趣。结合其各种重要的物理特性,例如耐高温、耐化学腐蚀、V0级阻燃性、介电强度和导热性,它为工程项目提供了绝佳的解决方案。另外,最引人注目的是,因具备FST(阻燃、烟雾和毒性)认证,ULTEM 9085已成为要求非常严格的工程应用(如航空航天工业)的首选材料。 

 

使用高性能聚合物进行 3D 打印


一般来说,PAEK 和 PEI 聚合物是使用 FDM(熔融沉积成型)或 SLS(选择性激光烧结)打印的。然而,考虑到这些聚合物的耐高温能力,普通的 3D 打印机无法处理这些细丝也是可以理解的。PAEK/PEI 3D 打印机必须有一个能够处理超过 300 °C (572 °F) 温度的挤出机喷嘴,因为这是这些聚合物的熔点。此外,加热床必须达到至少 150 °C (302 °F) 才能将物体从加热床上取下。最后,需要更强大的冷却机制来确保密闭室内的温度保持正确平衡。


应用


正如预期的那样,具有如此多重要特性的材料系列可用于各种行业。汽车行业迅速开始利用 PAEK 和 PEI 的独特能力进行各种应用。PAEK 和 PEI 最具颠覆性的领域之一是生产用于注塑、热成型、夹具和固定装置的低成本快速模具。这使公司能够以低成本生产中小批量的零件,而无需投资大量生产。此外,定制零件的生产需求日益增长,因为它们可以根据某些要求进行修改,并可以获得增强其结构构造的复杂变化。


与许多其他 3D 打印材料一样,PAEK 和 PEI (ULTEM)系列在医疗领域得到广泛应用。Ultem 1010因具备生物相容性,且能承受沸水和高温蒸汽,因此非常适合用于需要在极高温度下消毒的医疗器械。而PEEK被认为是一种用于医疗植入物、加固杆和脊柱融合装置的先进生物材料。


PEI (ULTEM)也广泛应用于航空航天工业,耐化学性、高强度重量比和低火、低烟、低毒性等级使此类聚合物成为常用于航天器部件和工具的金属的理想替代品。隔热隔音材料、结构支架、夹具和支架、紧固件、连接器和管道系统只是航空航天工程领域开始使用 PAEK 和 PEI 的一些例子,通常可将部件重量减轻 70%。此外,其他受到先进热塑性塑料影响的行业还有海洋、核能、石油和天然气等。


主要材料制造商与支持打印的设备厂商


正如人们所料,许多大型化工公司已经意识到增材制造领域高性能热塑性塑料即将发生的变化。因此,当谈到生产PAEK材料时,提到 Arkema、Lehmann & Voss和Solvay(仅举几例)等名字也就不足为奇了。然而,说到PEI,目前市场上唯一可用的品牌是SABIC的ULTEM 品牌。


在支持PAEK和PEI材料的打印机方面,全球工业3D打印机领导品牌Stratasys仍是备受关注的存在,呈形作为Stratasys品牌在亚太区最高级白金级合作伙伴,以及规模化3D打印服务基地,自有多台 Stratasys F900Fortus 450mc 等工业级3D打印设备,支持上述如 PEKK、ULTEM9085、ULTEM1010材料打印,并能保障批量成品定制的快速交付。


呈形3D打印高性能材料案例