Нити PAEK: высокопроизводительные материалы для 3D-печати

В мире 3D-печати FDM/FFF уже несколько лет существует семейство материалов, которое безусловно выделяется среди остальных — семейство PAEK (полиарилэтетокетоны или полиариловые эфирные кетоны). Материалы этого класса представляют собой полукристаллические пластики, способные выдерживать высокие температуры (до 200 °C), сохраняя при этом высокие механические свойства.

В семейство PAEK входят PEEK, PEKK и PEI (ULTEM 1010 и ULTEM 9085). Все они обладают высокой механической прочностью, химической стойкостью и высокой температурой воспламенения.

Нить PEEK (полиэтиретирекетон)

PEEK (полиэтиретирекетон) — самый кристалличный из трёх материалов. Это означает, что он обладает самыми высокими значениями механической прочности среди всех (не считая композитов с углеродным волокном). Однако это создаёт проблему: поскольку молекулы следуют упорядоченному паттерну во всех трёх измерениях в твёрдом состоянии, материал становится менее стабильным при плавлении. Это влечёт за собой высокую сложность печати нитью PEEK даже для опытных пользователей на продвинутых 3D-принтерах.

Нить PEKK (полиэтиركетонкетон)

PEKK (полиэтиركетонкетон) имеет полукристаллическую структуру (менее кристалличную, чем PEEK). Такая структура возникает, когда у материала есть две чётко определённые области — аморфная и кристалличная. Это структурное условие обеспечивает более лёгкую печать (нижняя скорость кристаллизации), сохраняя при этом аналогичные или даже более высокие показатели прочности, чем у PEEK.

PEKK превосходит PEEK по сжимаемой прочности — до 80% выше. Кроме того, эта нить обладает химической стойкостью к огромному числу сред: галогенированным углеводородам (бензол), автомобильным жидкостям (охлаждающая жидкость), спиртам и водным растворам (морская вода).

Применение PEKK

Применение PEKK невероятно широко — от медицины до военных нужд. Его потенциал настолько велик, что даже NASA использует этот материал для 3D-печати в открытом космосе. В медицине некоторые центры разработки создали колени, бедра и другие функциональные импланты с громовым успехом у пациентов. Сочетание всех преимуществ способствовало разработке лёгких, прочных и антирефлекторных военных шлемов, чтобы избежать обнаружения светом от фонаря противника. Крупные аэрокосмические компании используют PEKK для изготовления функциональных деталей самолётов.

Нить PEI (ULTEM 1010 и ULTEM 9085)

PEI (ULTEM 1010 и ULTEM 9085) — наиболее модифицированный материал в семействе PAEK, до такой степени, что эксперты относят его к классам смол. Тепловое сопротивление этого материала — одно из самых высоких в 3D-печати FDM/FFF: температура витревого перехода составляет 215 °C, а максимальная постоянная рабочая температура под нагрузкой 0,45 МПа — 200 °C.

Преимущество PEI в том, что при этих температурах механические свойства почти не меняются. Это обеспечивается его выдающейся размерной стабильностью, сохраняющей структурную форму даже при нагреве — что немыслимо для большинства материалов 3D-печати FDM/FFF.

Применение PEI

ULTEM 1010 обычно применяют для изготовления форм для литья под давлением с коротким циклом, инструментов для ламинирования углеродного волокна и других форм, подвергающихся высоким давлениям и температурам (автоклав). В эту категорию высокопрочных форм входят также используемые для вулканизации пластиков, например резины. Благодаря PEI ULTEM 1010 формы можно изготавливать быстрее, проще и дешевле, чем стальные. С другой стороны, ULTEM 9085 стал открытием для авиапромышленности. Его теплостойкость, химическая стойкость, مقاومة к разрыву и высокая производительность позволяют этому материалу соответствовать самым строгим испытательным и трассировочным критериям, требуемым аэрокосмической отраслью и сертифицирующими органами.

Нить PEKK Нить PEKK CF Нить PEI Нить PEI CF

Непрерывные инновации в улучшении материалов

Крупные производители нитей, такие как французская Nanovia, произвели революцию на рынке, усовершенствовав как PEKK, так и PEI (ULTEM 1010) с добавлением углеродного волокна. Углеродное волокно — псевдоаморфный материал, который снижает температуру плавления, замедляет кристаллизацию и сохраняет высокую температуру витревого перехода (Tg = 160 °C), что переводится в более лёгкую печать. Кроме того, это сочетание повышает структурную стабильность, улучшая механические свойства. По всем этим причинам PEKK CF и PEI CF заслужили место в категории самых мощных и удобных материалов для 3D-печати FDM/FFF. Кроме того, эти два материала конкурируют на общем уровне с наиболее используемыми в инженерной промышленности термопластиками (полисульфоны, полифениленсульфиды и поликетоны).

Рисунок 2: PEI CF. Источник: Nanovia

Требования к использованию материалов PAEK

Наконец, необходимо упомянуть, что использование этих передовых материалов предназначено для опытных пользователей с продвинутыми 3D-принтерами. Минимальные требования, которые должен иметь 3D-принтер FDM/FFF для работы с этими материалами: температура экструдера 370–400 °C, температура стола выше 150 °C, температура камеры выше 80 °C. Эти значения необходимы из-за чувствительности к структурной деформации при контакте с зонами воздуха при разных температурах.

Итоговый вывод: все материалы, входящие в семейство PAEK (PEEK, PEKK, PEI, PEKK CF, PEI CF), находятся на вершине промышленного применения благодаря своей высокой температуре воспламенения, химической стойкости, механической прочности и отличному соотношению прочность/вес.