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为什么PEEK是最有潜力的材料

发布时间:2022-6-25 19:51 来源:江子聪(一迈智能) 观看:

传统方式使用注塑及CNC减材的方式来加工制件,3D打印是一种新的加工方式,在全球范围内,能够打印PEEK材料的厂商极少。但为何PEEK被认为是最有潜力的材料之一呢?6月7日,一迈智能科技有限公司联合创始人江子聪在霍尔榜直播间分享了《PEEK材料与3D打印》,为我们展示了有关PEEK的知识及信息。接下来小编将整理的直播文字稿分享给大家。

PEEK材料是一种性能优异的特种工程塑料,在汽车、航天航空及一些特种的应用领域都有用到,与其他特种工程塑料相比更具显著优势,耐高温、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品 腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐磨性、抗辐射优异的机械性能。PEEK材料在所有热塑性材料里面,在金字塔里面也是排得比较顶端的一个材料。热塑性材料分为非结晶和半结晶材料,PEEK属于半结晶材料且处于超高性能级别。传统方式使用注塑及CNC减材方式来加工制件,3D打印是一种新的加工方式,在全球范围内,能够打印PEEK材料的厂商极少。那PEEK材料有哪些优异性能呢?

一、PEEK材料拉伸性能。PEEK材料可以高达100兆帕,在3D打印材料体系里面算是一个非常高的材料,当然不同的牌号,不同的厂商会有一定的区别。PEEK的拉伸延长率也是比较不错的,拉伸延长率在结晶状态跟非晶状态是不一样的,一般非晶状态会更高一点,结晶状态会更低一点。我们打印PEEK是要结晶的还是非晶的,也是取决于我们对材料性能的需求去选择。

二、PEEK材料弯曲性能非常优异,在零下的温度底下或 100多度温度条件里面都可以得到比较优异的弯曲性能。它的弯曲强度在所有材料里面处于前三的排列,在弯曲模量里面也比较靠前。PEEK在拉伸性能和弯曲性能测试里面都有一个非常优异的值,在很大的温度范围内都可以得到比较优异的力学性能。

二、PEEK材料的温度性能主要参数是热变形温度,玻璃转化温度,热老化时间还有阻燃性能。热变形温度方面,在高晶状态下PEEK可以在230~260范围区间去长期使用,甚至瞬间耐温可以达到300去使用的一种材料。玻璃转化温度PEEK也是比较高的,可以达到到143。PEEK热老化测试也非常好,拉伸强度都可以处于非常好的拉伸强度范围值,热老化时间非常强,包括它的阻燃等级,不管是在1.5mm还是3.0mm它都可以达到V-0,这是阻燃等级最高的级别。

四、PEEK材料的电力性能里面分电介质,漏电起痕,介电常数和表面电阻率。电介质称为电介质击穿,我们就是看它大概在多少电力的情况下可以击穿PEEK材料,在电介质击穿这块PEEK可以耐受的电压是非常高的。漏电起痕是指PEEK这个固体材料在电场和电解液的联合作用下可以导电形成通路的过程。介电常数,很多像航空航天,5G,或者通信相关的一些行业都非常关注这个值,PEEK的表现也是比较优异的。表面电阻率是去区分材料它是绝缘的材料,还是防静电的材料,还是导电的材料,那PEEK比较好的一个点就是可以改性使得有一定的导电值,3D打印现在的PEEK防静电材料已经是开发出来了。

五、PEEK材料的化学性能,PEEK已经被广泛认可为一种可以耐受极强化学腐蚀的材料, PEEK在大多数条件下都是A级别,也有B级别, C级别级。在热塑性材料里面这个表现已经是非常优异了。

六、PEEK的生物性能,PEEK 具有良好的生物相容性,无毒,低密度,耐辐射,兼具很好的机械性能,其弹性模量与人体骨骼十分接近,在植入的领域,人造骨的领域,医疗器械的领域都是优选材料。国外有一些品牌是专门用PEEK材料通过CNC加工,通过注塑加工来作为植入物的,而且已经是拿到了三类证书。 但是在3D打印PEEK作为植入物,这几年国内和国外都分别做了很多的尝试,很多的临床,我相信未来3D打印的植入物也会拿到三类的认证,而且会广泛的被使用。

PEEK材料有这么优异的一些性能为什么一直没有跟3D打印去做一个结合?原因是PEEK材料在3D打印去加工的时候有一定的难度,主要是取决于它的材料。比如说像它的热性能,包括说它产生了一些应力,都是需要去控制才可以把PEEK材料打印得比较出色。

我总结了几个点,首先是PEEK材料它本身的熔融温度就比较高,大概是350-360这个区间,不同牌号还会有一些区别,所以它挤出的温度也会非常高,取决于你本身在设置它的时候是打印一个比较薄层厚的,还是一个比较大层厚的,打印大层厚的挤出温度是比较高的。对于PEEK 聚合物,与 PA 和 ABS 等其他塑料相比,从挤出温度到室温的热差值更大,所以这里面会产生一定的应力导致打印失败,开裂,形变,翘曲,都有可能会产生这种情况。我们既要创造一个超高的挤出温度,而且它得是稳定的,温度差值是要比较小的,这是其一。

其二,我们要创造一个稳定的腔体高温,主要是要缩小。比如说PEEK从挤出端出来它达到了400多度的温度,一下子到了室温环境温度差值太大了。那如果我们创造一个比较稳定的腔体温度,比如150度或者200多度,把范围尽量的缩小去控制它的应力和收缩,形变,开裂等等一些问题,在打印的时候就会提升它的成功率。这里面还考虑到PEEK是否结晶的问题,如果是低于它的结晶温度就会呈现低晶状态的制件。如果腔体温度能够稳定地保持在结晶温度上,基本上都能够呈现一个高晶的性能,高结晶和低结晶在性能上确实是会有区别的。低晶状态它的热变形温度大概是一百四五十度,高晶状态PEEK可以在二百三到二百六长期使用,并且在拉神强度上会更强,但是拉伸延长率会弱于低晶的状态。其它的一些性能也会有区别,对于终端用户需要去做一个考量,到底是需要高晶的还是低晶的去匹配不同的打印参数和打印机器。

第三,同时还需要一个能够达到高温度的辅助热床,它要求热床必须平整度高并且具有一定的附着力。附着力从哪里来?比如比较小的机器打印PEEK,通常会用一些玻璃板、碳纤维板或一些其它材质比较耐受高温且又热传导性还不错的一些板材,在上面涂胶来增加它的附着力。其实PEEK材料本身在塑料界是有跟它相互连接性还不错的一些材料的,比如说PEI跟PEEK可以一定程度连接性附着力的,所以我们在做一些比较大的机器的时候,我们会考虑一种真空吸附的状态,真空吸附的平台功能。然后把 PEI的膜材吸附在上面,这样去打印PEEK或者像 PEI这种材料的时候,它平台的附着性就会比较高不容易翘曲,导致打印失败,导致打印形变等问题。所以这里既要创造高温,也要保证它在高温的状态下也是平整的。在选材上面也要非常的讲究,要确保它的附着力,比较小型的话用涂胶的方式是可以的,比较大型的话建议是需要用一些跟它有连接力的膜材去做真空吸附的匹配。这三个温度条件创造了之后,还有一个条件就是在于它的材料舱,材料舱需要有一定的温度,确保材料一直处于干燥低湿度的环境底下。

第四,关于内壁,指挤出结构里面的内壁。因为PEEK材料粘度比较高,在打印的时候高温环境底下比较容易粘在喉管的内壁,时间长了PEEK材料容易碳化。所以在结构里面的选材或加工方式我们需要一定的讲究,我们必须要确保材料在高温条件下可以耐受,并且在高温条件下挤出内壁是比较光滑的,它不容易粘附在上面,不容易碳化,也就不容易堵头了。

第五,我们还需要不断地去测试材料的工艺参数。我们做很多3D打印材料验证的时候,就是需要去做重复并且单一变量的测试来得出更优的打印参数。比如慢慢去改变它的打印温度,逐步逐步去改它风扇的风量,腔体的温度,热床的温度,热床的材质,每一个都有可能影响打印成功率、打印稳定性。针对PEEK这种大难度的打印材料,你需要去做的工艺测试重复并且单一变量测试是非常多的,这可以确保你能够得到一个比较统一的最终参数来达到更好的打印效果。

第六,材料改性的配套。因为3D打印这种技术工艺,一定是通过热熔的方式往下挤,当你希望加工出一个很精细的东西的时候,你通常会选用很小的喷嘴,比如说0.2mm或者0.4mm,或者说你希望更大更快你会选择更大的。那如果你想选一些比较小的喷嘴,用一些现在比较正常挤出的PEEK材料,确实因为它的粘度很大,或者说因为它具有一定的就是长期待在高温环境里面,它有一定碳化的时候它会导致堵头。通过材料你可以去做一些改进,比如说让它的粘度变低,让它的流动性变好,或者降低它碳化的可能性,在材料改进方面需要去做一些很特殊的处理,从而得到比较好的跟设备匹配的材料,同时我们也可以去做一些功能性的开发。 PEEK打印其实是一个体系性的东西,不仅仅是你设备硬件做出来,你还需要不断去做工艺参数的开发测试,优化你的材料端,你的软件端,你的硬件端都必须去匹配。如果确实有难匹配的,在工艺参数上面也比较难解决,你可以去做一些材料的改性来去配套,这些也是我们一迈公司这几年一直在积累一直在做的事情。

PEEK材料有哪些应用场景?在医疗领域,PEEK材料具有良好的生物相容性,无毒,低密度,耐辐射,兼具很好的机械性能,其弹性模量与人体骨骼十分接近,可以用常规的方式(包括乙醇、蒸汽热力、紫外线和γ射 线)循环消毒,X-射线可穿透,是人造骨和 医疗器械的优选材料。

PEEK材料在电子电器领域,它是 C 级绝缘材料,在高温高压高湿等环境下也能保证优异的绝缘性能,兼具透波性,尺寸稳定性和自润滑性,在各种频率下都能保证很低的介电常数和损耗因子。

PEEK材料在能源领域,具有良好的耐腐蚀,耐辐射, 耐高温,耐低温,耐水解和优异的电性能,适用于高温高压高辐射等严苛的工况条件下,提供稳定的性能,降低部件失效和停机的风险,在石油、核能、水电、火电、 太阳能、风电等领域都有广泛的应用。

PEEK材料在汽车领域,比如说我们现在提出一个概念塑料替代金属,因金属的密度会比较高,重量比较高,在轻量化的角度,不管是汽车还是航空航天,如果性能上能够匹配允许的情况下,选择塑料会比选择金属好一点,所以汽车工业里面在某些条件下也会采用PEEK材料,它的密度, 耐高温,耐疲劳,耐老化,自润滑性等性能综合来说确实是非常好的。

PEEK材料在航天航空领域,PEEK 通过了飞行材料防火阻燃的认证,现在在3D打印材料领域,目前在 PEI  9085上面同样是面临的一个认证。由于海外比如说像美国在PEI  9085上面做的测试做的验证重复的工作更多,现在在3D打印的角度上面用 PEI 9085会用的更多。回到国产化需求上面PEI  9085不在国内做聚合。所以说PEEK材料国内有材料厂商可以做自己的聚合改性挤出具体的工艺。PEEK材料也是可以在国内的航空航天去做国产化的一个使用。

PEEK材料在机械制造领域,比如说密封件,耐磨件,一些减重件降低噪音件上面应用的需求也是非常多的, PEEK材料的一些综合性能,在工况比较苛刻的条件底下它其实是非常具备应用需求的,无非就是你采用注塑来做, CNC来做还是3D打印来做。那3D打印它会有自己的制造灵活性也会有自己的缺点,3D打印只是一种加工的方式,提供给大家的一种选择,至于说怎么样才能够帮助到大家,其实也是需要大家去做一个分析和做一个趋势。

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