ในยุคปัจจุบันของ “การผลิตแบบคล่องตัว” จุดสนใจของการพิมพ์ 3 มิติได้เปลี่ยนจากการสร้างต้นแบบเพื่อการแสดงผลไปสู่การผลิตชิ้นส่วนที่ใช้งานได้จริง แม้ว่าเทอร์โมพลาสติกมาตรฐาน เช่น ไนลอน (PA12 และ PA11) จะตอบสนองความต้องการทางอุตสาหกรรมที่หลากหลาย แต่สภาพแวดล้อมที่สำคัญยิ่งในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การแพทย์ และน้ำมันและก๊าซ ต้องการประสิทธิภาพในระดับที่เหนือกว่าความสามารถของโพลิเมอร์มาตรฐาน สิ่งนี้จึงนำไปสู่การเกิดขึ้นของโพลิเมอร์ประสิทธิภาพสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง... โพลีอีเทอร์อีเทอร์คีโตน (PEEK)ซึ่งอยู่บนสุดของพีระมิดพอลิเมอร์
การพิมพ์ 3 มิติด้วย PEEK เป็นกระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุที่อุณหภูมิสูง ซึ่งใช้ในการผลิตชิ้นส่วนใช้งานจากโพลิเมอร์ประสิทธิภาพสูง เช่น PEEK และ PEKK กระบวนการนี้ต้องการทักษะเฉพาะทาง เครื่องพิมพ์ 3 มิติ PEEK มีความสามารถในการรักษาเสถียรภาพทางความร้อนได้อย่างดีเยี่ยม ทำให้เป็นหนึ่งในสาขาที่ล้ำหน้าที่สุดของการพิมพ์ 3 มิติในระดับอุตสาหกรรม
คู่มือนี้ให้กรอบการทำงานที่เป็นกลางและอิงข้อมูลเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับ PEEK ข้อกำหนดด้านความร้อน เทคโนโลยีที่ใช้ในการผลิต และการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม
PEEK 3D Printing คืออะไร?
โพลีอีเทอร์อีเทอร์คีโตน (PEEK) เป็นเทอร์โมพลาสติกชนิดกึ่งผลึกในกลุ่มสารประกอบเทอร์โมพลาสติก PAEK (โพลีอาริลอีเทอร์คีโตน) เป็นสารประกอบในกลุ่มคาร์บอนิล ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณสมบัติทางเทอร์โมกลศาสตร์สูง ในทางเคมี โครงสร้างโมเลกุลประกอบด้วยคีโตนหนึ่งโมเลกุลและอีเทอร์สองโมเลกุล ซึ่งเป็นสารประกอบอินทรีย์ในกลุ่มคาร์บอนิลที่มีพันธะคู่ระหว่างอะตอมคาร์บอนและออกซิเจน
PEEK เป็นพอลิเมอร์ประสิทธิภาพสูงที่ได้รับความนิยมเนื่องจากมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง ทำให้สามารถใช้เป็นวัสดุทดแทนโลหะบางชนิดได้ ในบริบทของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (additive manufacturing) การพิมพ์ 3 มิติ PEEK หมายถึงการผลิตชิ้นส่วนแบบทีละชั้นโดยใช้ PEEK ในรูปแบบเส้นใยสำหรับการพิมพ์ 3 มิติแบบหลอมละลาย (Fused Deposition Modeling: FDM) หรือในรูปแบบผงสำหรับการพิมพ์ 3 มิติแบบใช้เลเซอร์เลือกจุด (Selective Laser Sintering: SLS)
คุณลักษณะสำคัญของ PEEK
- ความแข็งแรงทางกล: รักษาความแข็งแกร่งและความสมบูรณ์ของโครงสร้างในระดับสูงภายใต้แรงทางกลหนัก
- ความต้านทานความร้อน: ยังคงรักษาคุณสมบัติทางกลไว้ได้แม้ในอุณหภูมิที่สูงขึ้นอย่างมาก
- ความคงตัวทางเคมี: ทนทานต่อการสึกหรอ สารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อน และเชื้อเพลิงได้ดีเยี่ยม
- ความต้านทานเปลวไฟ: มีคุณสมบัติทนไฟโดยธรรมชาติ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับภาคส่วนที่มีข้อจำกัดด้านไฟและควันสูง
- ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ: สามารถฆ่าเชื้อได้และเข้ากันได้ทางชีวภาพ โดยมีคุณสมบัติทางกลคล้ายกับกระดูกมนุษย์
เครื่องพิมพ์ 3 มิติ PEEK คืออะไร?
A เครื่องพิมพ์ 3 มิติ PEEK เป็นระบบการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยอุณหภูมิสูงแบบพิเศษที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อประมวลผลโพลิเมอร์ขั้นสูง เช่น PEEK และ PEKK เนื่องจาก PEEK เป็นวัสดุที่ต้องการความทนทานสูงและมีค่าขีดจำกัดความร้อนสูง เครื่องจักรเหล่านี้จึงต้องให้ความร้อนและควบคุมสภาพแวดล้อมได้อย่างแม่นยำมากกว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติมาตรฐาน
สำหรับงานอุตสาหกรรม เครื่องพิมพ์ 3 มิติ PEEK ต้องรับมือกับสภาพแวดล้อมทางความร้อนที่รุนแรง ซึ่งมักต้องใช้ส่วนประกอบต่างๆ เช่น เครื่องอัดรีดอุณหภูมิสูง (สำหรับ FDM) หรือเลเซอร์ CO₂ กำลังสูง (สำหรับ SLS) รวมถึงห้องและแท่นพิมพ์ที่ให้ความร้อนเพื่อให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนมีการตกผลึกอย่างเหมาะสม
เหตุใด PEEK จึงต้องใช้การพิมพ์ 3 มิติที่อุณหภูมิสูง
ความท้าทายและความจำเป็นหลักของระบบอุณหภูมิสูงอยู่ที่ลักษณะกึ่งผลึกของวัสดุ เมื่อ PEEK หลอมเหลว โมเลกุลของมันจะจัดเรียงตัวภายใต้ผลของความร้อน ทำให้เกิดระเบียบเฉพาะที่คงอยู่จนกว่าวัสดุจะแข็งตัว เพื่อให้ได้คุณสมบัติทางกลที่ต้องการ กระบวนการตกผลึกนี้จะต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด
ขีดจำกัดอุณหภูมิ
เพื่อให้สามารถแปรรูป PEEK ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ต้องปฏิบัติตามพารามิเตอร์ทางความร้อนที่เฉพาะเจาะจง เพื่อหลีกเลี่ยงความผันผวนที่จะส่งผลเสียต่อความหนาแน่นและคุณภาพของชิ้นส่วน:
- อุณหภูมิการอัดขึ้นรูป/การเผาผนึก: สำหรับ FDM หัวฉีดต้องมีความยาวอย่างน้อย 400 ° Cในระบบ SLS พลังงานเลเซอร์ต้องเพียงพอที่จะทำให้อนุภาคผงเชื่อมติดกัน ในขณะที่สภาพแวดล้อมในการสร้างชิ้นงานต้องคงอยู่ที่อุณหภูมิสูง
- อุณหภูมิห้องสร้างชิ้นงาน: จำเป็นต้องใช้ห้องควบคุมอุณหภูมิเพื่อป้องกันการเย็นตัวอย่างรวดเร็วและเพื่อให้มั่นใจว่าชั้นต่างๆ ยึดติดกันอย่างเหมาะสม ในระบบ FDM โดยทั่วไปแล้วห้องควบคุมอุณหภูมิจะมีอุณหภูมิประมาณ... 120 ° Cในขณะที่เครื่องพิมพ์ SLS ระดับอุตสาหกรรม เช่น S320HT รักษาอุณหภูมิการทำงานสูงสุดของ 350 ° C / 300 ° C.
- อุณหภูมิฐานพิมพ์: ในเทคโนโลยี FDM แผ่นฐานพิมพ์จะถูกทำให้ร้อนถึง... 230 ° C จำเป็นเพื่อให้ชิ้นส่วนยึดติดกันแน่นและป้องกันการบิดเบี้ยว
การควบคุมสิ่งแวดล้อม
เนื่องจากวัสดุมีการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นระหว่างการพิมพ์และหดตัวเมื่อเย็นตัวลง ความสามารถในการทนความร้อนสูงจึงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ หากไม่มีการจัดการความร้อนที่แม่นยำ ชิ้นส่วนจะเกิดความเครียดภายใน บิดเบี้ยว และมีความแข็งแรงระหว่างชั้นต่ำ ระบบอุตสาหกรรมใช้เครื่องวัดอุณหภูมิขั้นสูงเพื่อให้แน่ใจว่าสภาพแวดล้อมการเผาผนึกยังคงเสถียร โดยเซ็นเซอร์บางตัวมีความเสถียรในระยะยาว 0.1 องศาเซลเซียสต่อปี.
เปรียบเทียบ SLS กับ FDM สำหรับ PEEK
แม้ว่า PEEK จะสามารถใช้ได้ทั้งกับเทคโนโลยี FDM และ SLS แต่การเลือกใช้เทคโนโลยีจะมีผลต่อสมรรถนะเชิงกลและความยืดหยุ่นทางเรขาคณิตของชิ้นส่วน
ระบบเครื่องพิมพ์ 3 มิติ PEEK FDM
FDM เป็นวิธีการทั่วไปสำหรับการพิมพ์ 3 มิติด้วยวัสดุ PEEK โดยใช้การอัดขึ้นรูปจากเส้นใย
- ข้อดี: อุปกรณ์พื้นฐานสำหรับใช้งานในอุณหภูมิสูงนั้นหาซื้อได้ทั่วไป
- ข้อ จำกัด : ชิ้นส่วนต่างๆ ถูกสร้างขึ้นในกรอบเวลาเชิงเส้น และมักต้องใช้โครงสร้างรองรับชั่วคราวสำหรับรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน นอกจากนี้ ชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยเทคโนโลยี FDM โดยทั่วไปยังมีคุณสมบัติไม่เป็นเนื้อเดียวกัน หมายความว่าความแข็งแรงในแกน Z จะต่ำกว่าในระนาบ XY อย่างมาก
ระบบเครื่องพิมพ์ PEEK SLS ระดับอุตสาหกรรม
เครื่องพิมพ์ PEEK SLS ระดับอุตสาหกรรมกำลังกลายเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการแปรรูป PEEK ในรูปแบบผง
- ข้อดีที่ไม่ต้องพึ่งพาอุปกรณ์ช่วยยึด: SLS มีจุดเด่นเฉพาะตัวเนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้โครงสร้างรองรับ ผงที่ไม่ผ่านการเผาผนึกทำหน้าที่เป็นฐานรองรับตามธรรมชาติ ซึ่งช่วยให้ การซ้อนกันแบบ 3 มิติซึ่งสามารถวางชิ้นส่วนหลายร้อยชิ้นซ้อนกันในห้องสร้างชิ้นงานเดียว ทำให้ได้ผลผลิตสูงสุด
- ไอโซโทรปีเสมือน: SLS ผลิตชิ้นส่วนด้วย ความสมมาตร 97-98%วิธีนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าชิ้นส่วนจะไม่แยกชั้นภายใต้แรงกด และรักษาความแข็งแรงเชิงกลที่สม่ำเสมอในทุกแกน
เปรียบเทียบเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM และ SLS
ข้อกำหนดทางเทคนิคของวัสดุ PEEK สำหรับการพิมพ์ 3 มิติ
ในการเลือกวัสดุสำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติอุณหภูมิสูง วิศวกรต้องประเมินคุณสมบัติทางกลและทางความร้อนที่เฉพาะเจาะจง ทีพีเอ็ม3ดี พีค อินด์ เป็นผงโพลิเมอร์เกรดอุตสาหกรรม ออกแบบมาสำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ PEEK ที่ใช้เทคโนโลยี SLS
ตารางที่ 1: คุณสมบัติทางกลและทางความร้อนของ TPM3D PEEK IND
| อสังหาริมทรัพย์ | วิธีการทดสอบ | เมตริก |
|---|---|---|
| สีบางส่วน | ของ Visual | สีเหลืองอมดำ |
| ความหนาแน่น | 53466 DIN | 1.13 g / cm³ |
| ความต้านแรงดึง | ASTM D638 | 80 MPa |
| โมดูลัสแรงดึง | ASTM D638 | 5,000 MPa |
| แรงดัด | ASTM D790 | 95 MPa |
| ดัดโมดูลัส | ASTM D790 | 4,000 MPa |
| การยืดเมื่อขาด | ASTM D638 | 6.3% |
| อุณหภูมิการเบี่ยงเบนความร้อน (0.45 MPa) | ASTM D648 | 294 ° C |
| อุณหภูมิการเบี่ยงเบนความร้อน (1.82 MPa) | ASTM D648 | 170 ° C |
(ที่มา: TPM3D PEEK IND | PEEK สีเหลืองดำ)
ตัวเลขเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถของ PEEK ในการรักษาประสิทธิภาพเชิงโครงสร้างภายใต้แรงเค้นทางกลสูงและสภาพแวดล้อมทางความร้อนที่รุนแรงเกิน 200°C
โพลิเมอร์วิศวกรรมขั้นสูง: PEKK และ PPS
สำหรับสภาพแวดล้อมที่ต้องการความทนทานสูง ไนลอนมาตรฐานมักไม่เพียงพอ จึงจำเป็นต้องใช้โพลิเมอร์ประสิทธิภาพสูงในกลุ่มที่กว้างขึ้น เช่น พีเคเค และ PPS.
- PEKK (โพลีอีเทอร์คีโตนคีโตน): PEKK เป็นสมาชิกในตระกูล PAEK ซึ่งมีคุณสมบัติความแข็งแรงสูงและทนไฟได้ดี ทีพีเอ็ม3ดี พีเคเค อินด์ คุณสมบัติ ค่าโมดูลัสการดัดงอ 7,200 MPa และ ความแข็งแรงดัดงอ 160 MPaจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนใช้งานที่มีความแข็งแรงสูง (ดูข้อมูลจำเพาะ)
- พีพีเอส (โพลีฟีนิลีนซัลไฟด์): PPS มีความแข็งแรงสูง คุณสมบัติทางเคมีคงที่ และมีคุณสมบัติหน่วงไฟโดยธรรมชาติ ทีพีเอ็ม3ดี พีพีเอส อินด รักษาความสมบูรณ์ทางกลที่อุณหภูมิสูงกว่า 200 ° C และมีความเสถียรในตัวทำละลายและเชื้อเพลิงที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (ดูข้อมูลจำเพาะ)
การใช้งานอุตสาหกรรมที่สำคัญ
คุณสมบัติเฉพาะของ PEEK ที่ผสมผสานระหว่างความทนทานต่อความร้อนและความแข็งแรงเชิงกล ทำให้เป็นวัสดุคุณภาพสูงที่ได้รับความนิยมในหลายภาคส่วนที่ต้องการความต้องการเฉพาะเจาะจง
- การแพทย์และทันตกรรม: PEEK เป็นวัสดุที่เข้ากันได้กับร่างกายและสามารถฆ่าเชื้อได้ มีคุณสมบัติคล้ายกับกระดูกมนุษย์ ทำให้วัสดุปลูกถ่ายที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติสามารถส่งเสริมการสร้างเนื้อเยื่อใหม่และเร่งกระบวนการฟื้นตัวได้ การบูรณาการ.
- การบินและอวกาศและกลาโหม: อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูงทำให้ PEEK สามารถใช้แทนชิ้นส่วนโลหะได้ ช่วยลดน้ำหนัก ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ชิ้นส่วนที่ทำจาก PEEK ได้ถูกส่งขึ้นไปในอวกาศแล้ว ซึ่งพิสูจน์ให้เห็นว่าวัสดุนี้สามารถทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่ท้าทายที่สุดได้
- ยานยนต์และมอเตอร์สปอร์ต: ใช้สำหรับชิ้นส่วนใช้งานที่ทนความร้อนในงานติดตั้งใต้ฝากระโปรงรถยนต์ ซึ่งต้องทนต่อเชื้อเพลิงและสารหล่อลื่นที่มีฤทธิ์กัดกร่อน
ระบบเครื่องพิมพ์ 3 มิติ PEEK ระดับอุตสาหกรรม
S320HT เป็นตัวอย่างของระบบเครื่องพิมพ์ 3 มิติ PEEK อุณหภูมิสูง ที่ออกแบบมาสำหรับการประมวลผล SLS ระดับอุตสาหกรรมของวัสดุ PEEK, PEKK และ PPS
คุณสมบัติหลักสำหรับการประมวลผลที่อุณหภูมิสูง
- ความสามารถในการระบายความร้อนสูง: อุณหภูมิใช้งานสูงสุดของ 350°ซ / 300°ซ จัดเตรียมสภาพแวดล้อมทางความร้อนที่เสถียรซึ่งจำเป็นสำหรับการเผาผนึกพอลิเมอร์ขั้นสูง
- ระบบโฟกัสไดนามิก 3 แกน: ควบคุมเลเซอร์อย่างแม่นยำเพื่อให้มั่นใจได้ถึงความถูกต้องของขนาดและพื้นผิวที่เรียบเนียนทั่วทั้งพื้นที่การสร้างชิ้นงาน
- ความยืดหยุ่น: เครื่องพิมพ์รุ่นนี้มีห้องสร้างชิ้นงานที่สามารถเปลี่ยนได้ (เช่น 320x320x380 มม. หรือ 250x250x380 มม.) เพื่อให้เหมาะกับความต้องการในการผลิตที่แตกต่างกัน
- เลนส์ที่แม่นยำ: ติดตั้งเลเซอร์ CO₂ ขนาด 60 วัตต์ และมีเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงเลเซอร์ 0.22 มมนอกจากนี้ยังให้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอและแม่นยำแม้กับชิ้นส่วนที่ซับซ้อน
- เครื่องเคลือบใบมีดอัจฉริยะ: ช่วยให้ผงกระจายตัวได้ดีขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ส่งผลให้คุณภาพชิ้นส่วนดีขึ้น
> ดูรายละเอียดคุณสมบัติของ S320HT
กรณีศึกษา: การวิจัยที่มีประสิทธิภาพสูงที่มหาวิทยาลัยเซาเทิร์น
การขอ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีภาคใต้ มหาวิทยาลัยแห่งนี้ใช้ระบบ TPM3D S320HT เพื่อพัฒนาการวิจัยด้านการผลิตอัจฉริยะและการพิมพ์ 3 มิติ โดยการเอาชนะความท้าทายของอุณหภูมิการขึ้นรูปที่เข้มงวด ทีมวิจัยของมหาวิทยาลัยได้ประสบความสำเร็จในการสร้างกระบวนการพิมพ์ที่เสถียรและควบคุมได้สำหรับวัสดุ PEEK ที่เป็นกรรมสิทธิ์ของตนเอง
งานวิจัยของพวกเขามุ่งเน้นไปที่ศักยภาพทางอุตสาหกรรมระดับสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการปลูกถ่ายทางการแพทย์และการเพาะเลี้ยงทางชีวภาพ ซึ่งความเข้ากันได้ทางชีวภาพและคุณสมบัติคล้ายกระดูกของ PEEK เป็นสิ่งสำคัญ
นอกเหนือจากการใช้งานฮาร์ดแวร์แล้ว SUSTech ยังได้พัฒนาวัสดุพอลิเมอร์ PEEK และเทคนิคการขึ้นรูปที่เป็นกรรมสิทธิ์ของตนเอง ทีมวิจัยมุ่งเน้นไปที่สามด้านการใช้งานหลัก ได้แก่:
- การปลูกถ่ายทางการแพทย์: การนำคุณสมบัติคล้ายกระดูกของ PEEK มาใช้ในการผลิตอุปกรณ์ผ่าตัดเฉพาะบุคคล
- การเพาะเลี้ยงทางชีวภาพ: ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางชีวภาพของวัสดุเพื่อการวิจัยในห้องปฏิบัติการและการวิจัยทางคลินิก
- การผลิตระดับไฮเอนด์: ผลิตชิ้นส่วนที่สามารถใช้ทดแทนชิ้นส่วนโลหะในเครื่องจักรอุตสาหกรรมได้
ผลลัพธ์: กระบวนการที่ควบคุมได้เพื่อศักยภาพทางอุตสาหกรรม
ด้วยการใช้แพลตฟอร์ม S320HT ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้างกระบวนการพิมพ์ที่มีเสถียรภาพและควบคุมได้
ความสามารถนี้ช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนประสิทธิภาพสูงได้อย่างสม่ำเสมอ ซึ่งมีศักยภาพทางอุตสาหกรรมสูง พิสูจน์ให้เห็นว่าความท้าทายทางเทคนิคของการพิมพ์ 3 มิติด้วยพอลิเมอร์ที่อุณหภูมิสูงสามารถเอาชนะได้ด้วยการผสมผสานที่ลงตัวระหว่างวิทยาศาสตร์วัสดุและฮาร์ดแวร์ระดับอุตสาหกรรม
คำถามที่พบบ่อย: การพิมพ์ 3 มิติด้วย PEEK
เครื่องพิมพ์ 3 มิติ PEEK คืออะไร?
เครื่องพิมพ์ 3 มิติ PEEK เป็นระบบการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุที่อุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถประมวลผลโพลิเมอร์ PEEK และ PEKK ได้
เหตุใด PEEK จึงพิมพ์แบบ 3 มิติได้ยาก?
เนื่องจากกระบวนการนี้ต้องการอุณหภูมิในการแปรรูปที่สูงมากและการควบคุมความร้อนที่แม่นยำเพื่อให้ได้การตกผลึกและคุณสมบัติทางกลที่เหมาะสม
SLS หรือ FDM แบบไหนดีกว่ากันสำหรับการพิมพ์ PEEK?
SLS เป็นที่นิยมใช้ในงานอุตสาหกรรมเนื่องจากมีคุณสมบัติทางกลที่เป็นเนื้อเดียวกันทุกทิศทาง และสามารถผลิตได้โดยไม่ต้องใช้ตัวรองรับ
อุตสาหกรรมใดบ้างที่ใช้การพิมพ์ 3 มิติด้วยวัสดุ PEEK?
อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การแพทย์ ยานยนต์ และการผลิตภาคอุตสาหกรรม
