نگاهی دقیق تر به فیلامنت های چاپ سه بعدی + پلیمرهای با کارایی بالا

در این بخش از 3dRD نگاهی دقیق تر به فیلامنت های چاپ سه بعدی خواهیم داشت، در چند سال گذشته، ترموپلاستیک‌های با کارایی بالا به موضوعی بسیار مورد بحث در پرینت سه بعدی تبدیل شده‌اند و بازار آن‌ها به سرعت در حال رشد است. این مواد به دلیل استحکام و سبکی در این بخش جذاب هستند و تعدادی از آنها برای استفاده در تولید افزودنی در دسترس هستند. به عنوان مثال، پلی آریل اترکتون (PAEK)، خانواده ای از پلاستیک های نیمه کریستالی که می توانند در مقابل دمای بالا مقاومت کنند و در عین حال استحکام فوق العاده ای را حفظ کنند.

PAEK عمدتاً به شکل پلی اتر اتر کتون ( PEEK ) و پلی اتر کتونکتون ( PEKK ) استفاده می شود، دو ماده ای که سفتی بالایی دارند. با این حال، یک جایگزین بسیار ارزان تر، پلی اتریمید (PEI) که به عنوان ULTEM نیز شناخته می شود، به طور فزاینده ای گسترش یافته است. اما واقعاً پلیمرهای با کارایی بالا چیست؟ چگونه با آنها چاپ می کنید؟ تولید کنندگان چه کسانی هستند؟ در راهنمای زیر در مورد خانواده های PAEK و PEI هر آنچه را که باید در مورد این مواد بدانید بیاموزید.

تولید و ویژگی های پلیمرهای با کارایی بالا

اولین چیزی که در مورد پلیمرهای با عملکرد بالا باید به آن توجه کرد این است که اگرچه آنها البته ویژگی های مشترکی دارند، اما همه آنها دقیقاً یکسان نیستند. همانطور که گفته شد، به طور کلی می توان اشاره کرد که ترموپلاستیک های با کارایی بالا، و به طور خاص PEEK، مانند فولاد قوی و 80٪ سبک تر از فلز هستند، و آنها را به شدت در صنعت تولید مطلوب می کند. علاوه بر این، مواد PAEK علاوه بر مقاومت مکانیکی و حرارتی استثنایی تا دمای 250 درجه سانتیگراد (482 درجه فارنهایت) برای کار مداوم، برخلاف اکثر پلاستیک‌های دیگر در برابر حل شدن در روغن‌ها و سایر مواد نیز مقاوم هستند. وقتی در معرض آتش قرار می گیرید، تقریبا هیچ گاز یا دود مضری آزاد نمی شود.

و اگرچه آنها در تولید مواد افزودنی بیشتر و گسترده تر هستند، نمی توان انکار کرد که رشد آنها نسبت به سایر پلیمرها کندتر بوده است. حقیقت این است که چنین موادی بیش از سه دهه است که وجود داشته‌اند، اگرچه از طریق قالب‌گیری تزریقی یا ماشین‌کاری مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

در ابتدا، Stratasys تنها شرکتی بود که قادر به تولید پرینترهایی بود که می توانست دماهای بالای مورد نیاز برای ذوب پلیمرهای PAEK و PEI را تحمل کند. با این وجود، با شروع باز شدن بازار، شرکت‌های بیشتری فرصت آزمایش با آنها را پیدا کردند که منجر به تجاری‌سازی انبوه اختراعات آنها شد. با گذشت زمان و تضعیف موانع ورود، شاهد ورود شرکت‌های بیشتری به این حوزه هستیم و شروع به تولید پرینترهایی می‌کنند که قادر به کار با ترموپلاستیک PAEK هستند.

بیشتر بدانید: صاف و صیقلی کردن سطح قطعه با بخار استون (حمام استون)

ایجاد ULTEM

ماده دیگر، PEI برای اولین بار توسط بخش پلاستیک جنرال الکتریک در اواخر دهه 1980 ساخته شد. در سال 2007، SABIC، یکی از بزرگترین شرکت های دولتی عربستان سعودی، این بخش و در نتیجه حقوق برند ULTEM را به دست آورد. از آنجایی که این ماده جایگزین مقرون به صرفه تری برای PEEK است، فوراً علاقه زیادی از دیدگاه مالی ایجاد کرد. ترکیب با خواص فیزیکی قابل توجه مختلف، مانند حرارت بالا، مقاومت در برابر حلال و شعله، استحکام دی الکتریک و هدایت حرارتی، یک راه حل عالی برای پروژه های مهندسی است. شاید مهم‌تر از همه، ULTEM زمانی که صحبت از برنامه‌های مهندسی با کاربردهای بسیار سخت، مانند صنعت هوافضا، به میان می‌آید، به ماده مورد استفاده تبدیل شده است.

چاپ سه بعدی با پلیمرهای با کارایی بالا

به طور کلی پلیمرهای PAEK و PEI با استفاده از FDM (Fused Deposition Modeling) یا SLS (Selective Laser Sintering) چاپ می شوند. با این حال، با توجه به قابلیت های دمای بالای چنین پلیمرهایی، قابل درک است که هیچ چاپگر سه بعدی معمولی نمی تواند آن فیلامنت ها را پردازش کند. یک چاپگر سه بعدی PAEK/PEI باید دارای یک نازل اکسترودر باشد که بتواند دمای بیش از 300 درجه سانتیگراد (572 درجه فارنهایت) را تحمل کند زیرا نقطه ذوب چنین پلیمرهایی است. علاوه بر این، میز گرم باید حداقل به 150 درجه سانتیگراد (302 درجه فارنهایت) برسد تا جسم از روی آن برداشته شود. در نهایت، مکانیسم های خنک کننده قوی تری برای اطمینان از تعادل صحیح دما در محفظه بسته مورد نیاز است.

پس از پردازش (فینیش نهایی)  ترموپلاستیک با عملکرد بالا ضروری است. مانند هر قطعه پیچیده چاپ شده FDM، پشتیبانی مورد نیاز است. وقتی صحبت از PAEK و PEI می شود، به دلیل سفتی جسم نهایی، برداشتن تکیه گاه می تواند چالش برانگیز باشد. در نتیجه، اغلب از مجموعه ای از ابزارها برای نهایی کردن قطعه استفاده می شود.

از طرف دیگر، وقتی صحبت از SLS می شود، بدون نیاز به ابزار اضافی، قطعه تقریباً کامل چاپ می شود. با این حال، تولیدکنندگان باید تاب برداشتن را در نظر بگیرند. پس از اتمام چاپ یک شی و کاهش دمای محفظه، پلیمرها تمایل به کاهش اندازه دارند. در نتیجه، PAEK و PEI هنگام چاپ اشیاء کوچک بسیار محبوب بوده اند، اگرچه هر چه قطعه بزرگتر باشد، اثر تاب برداشتن بیشتر است. اگرچه می توان با بهینه سازی پارامترهای کلیدی چاپ مانند سرعت و دما تا حدی این موضوع را کنترل کرد، اما همچنان یک چالش است.

همانطور که گفته شد استفاده از ترموپلاستیک های با کارایی بالا به هیچ وجه کامل نمی شود. هنوز جنبه هایی از فرآیند تولید وجود دارد که دائماً روی آنها کار می شود و بهبود می یابد. با این حال، نوآوری های جدید به طور مداوم این تجربه را بهبود می بخشد. تعدادی از شرکت‌ها در حال حاضر روی راه‌حل FDM کار می‌کنند که در آن پشتیبانی شی در مواد متفاوتی چاپ می‌شود تا پس از اتمام چاپ، سریع‌تر و آسان‌تر حذف شود. علاوه بر این، سازمان‌های دیگر مانند کیمیا تمرکز خود را بر ارائه ترکیبی از مواد به منظور بهره‌گیری از بهترین مواد چندگانه آغاز کرده‌اند. به این ترتیب، محصول نهایی می تواند به عنوان مثال 70٪ PEEK و 30٪ فیبر کربن باشد.

برنامه های کاربردی

همانطور که انتظار می رود، خانواده ای از مواد با چنین تعدادی ویژگی قابل توجه در صنایع مختلف مفید هستند. صنایع خودروسازی و هوافضا به سرعت شروع به استفاده از توانایی های منحصر به فرد PAEK و PEI برای برنامه های مختلف کرد. یکی از زمینه‌هایی که PAEK و PEI در آن بیشترین اختلال را ایجاد کرده‌اند، تولید ابزارآلات سریع کم‌هزینه برای قالب‌گیری تزریقی، ترموفرمینگ، جیگ‌ها و فیکسچرها است.

این امر به شرکت ها اجازه می دهد تا بدون نیاز به سرمایه گذاری در تولید مقادیر زیاد، قطعات کم تا متوسط ​​را با هزینه کم تولید کنند. همچنین، تولید قطعات سفارشی به طور فزاینده ای مورد نیاز است، زیرا می توان آنها را برای مطابقت با نیازهای خاص تغییر داد و تغییرات پیچیده ای را ایجاد کرد که ساختار ساختاری آنها را افزایش می دهد.

مانند بسیاری از فیلامنت های پرینتر سه بعدی دیگر، خانواده های PAEK و PEI به طور گسترده در زمینه پزشکی استفاده می شوند، PEEK به طور معروف برای محافظت از دستگاه های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) استفاده می شود. همچنین به عنوان یک ماده زیستی پیشرفته در نظر گرفته می شود که برای ایمپلنت های پزشکی و در میله های تقویت کننده و دستگاه های همجوشی ستون فقرات استفاده می شود. این واقعیت که می تواند آب جوش و بخار فوق العاده گرم را تحمل کند، آن را برای اشیایی که باید در دمای بسیار بالا استریل شوند، عالی می کند. معرفی فیلامنت های پرینتر سه بعدی را ببینید.

استفاده روز افزون از ترموپلاستیک های قوی در صنایع هوافضا

ترموپلاستیک های با کارایی بالا نیز به طور گسترده در صنعت هوافضا استفاده می شوند. مقاومت شیمیایی، جیره استحکام به وزن بالا و درجه آتش کم، دود و سمیت، چنین پلیمرهایی را به جایگزینی ایده آل برای فلزی تبدیل می کند که اغلب برای قطعات و ابزار فضاپیما استفاده می شود. عایق‌های صوتی حرارتی، براکت‌های ساختاری، گیره‌ها و پایه‌ها، اتصال دهنده‌ها، اتصالات و سیستم‌های لوله‌کشی تنها برخی از نمونه‌هایی هستند که در آن صحنه مهندسی هوافضا شروع به استفاده از PAEK و PEI کرده است که اغلب وزن قطعات را تا ۷۰ درصد کاهش می‌دهد. سایر صنایعی که توسط ترموپلاستیک های پیشرفته تکمیل تر شده اند عبارتند از: دریایی، هسته ای، نفت و گاز و بسیاری دیگر.

تولید کنندگان اصلی و قیمت مواد ( تولیدات فیلامنت ها در سطح جهان )

همانطور که انتظار می رود، بسیاری از شرکت های بزرگ شیمیایی قبلاً متوجه تغییر در ترموپلاستیک های با کارایی بالا در زمینه تولید مواد افزودنی شده اند. در نتیجه، وقتی صحبت از تولید مواد PAEK به میان می آید، جای تعجب نیست که نام هایی مانند Arkema، Lehmann & Voss و Solvay (فقط به ذکر چند مورد) مطرح شوند. با این حال، وقتی صحبت از PEI به میان می‌آید، برند ULTEM – از SABIC – در حال حاضر تنها نام تجاری موجود در بازار است.

از نظر چاپگرهایی که می توانند از PAEK و PEI پشتیبانی کنند، سازنده چینی INTAMSYS توجه زیادی را به خود جلب کرده است، زیرا آنها طیف وسیعی از پرینترهای سه بعدی حرفه ای را ارائه می دهند که برای پلیمرهای با کارایی بالا مناسب هستند. با این وجود، Tractus3D هلندی و همچنین غول آلمانی، EOS، که اخیراً چاپگر جدید HTLS (تجزیه لیزری با دمای بالا) را منتشر کرده است که می تواند چنین موادی را مدیریت کند، روز به روز محبوب تر می شود.

قیمت فیلامنت های مستحکم

همانطور که می توان انتظار داشت، این پلیمرهای با کارایی بالا ارزان نیستند. PEEK، UTLEM و PEKK برخی از گران ترین فیلامنت های پرینت سه بعدی موجود در بازار هستند. اگرچه ULTEM جایگزین کمی ارزان‌تر است، یک قرقره 1 کیلوگرمی از فیلامنت با قیمتی بیش از 200 دلار شروع می‌شود و اغلب بسته به مارک و ویژگی‌های ماده، قیمت بسیار بیشتری دارد. در همین حال، PEEK اغلب بیش از 300 دلار و تا بیش از 700 دلار برای 1 کیلوگرم از مواد با میانگین PEKK بین 400 تا 500 دلار برای همان مقدار هزینه خواهد داشت.

مطلب تصافی: 10 خودروی نوآورانه ساخته شده با پرینتر سه بعدی

نه تنها این، بلکه اگر به فیلامنت علاقه مند هستید، باید این واقعیت را نیز در نظر داشته باشید که چاپ توسط همه نوع چاپگری امکان پذیر نیست. همانطور که در بالا ذکر شد باید در موردی سرمایه گذاری کنید که با در نظر گرفتن پلیمرهای با کارایی بالا طراحی شده است. این پرینترها به طور قابل درک از یک مدل ارزان قیمت FDM نیز گرانتر هستند.

در واقع، بسیاری از آنها از 5000 دلار شروع می‌شوند و بیشتر آنها بسیار بیشتر هستند. با این حال، در طول سال‌ها شاهد بوده‌ایم که با رشد بازار، انتخاب‌های موجود برای مصرف‌کنندگان نیز افزایش می‌یابد. شاید در آینده نزدیک شاهد کاهش این قیمت‌ها برای چاپگرها و مواد باشیم زیرا کاربردهای پلیمرهای با کارایی بالا در تولید مواد افزودنی بسیار گسترده‌تر می‌شود.

3dRD

شرکت صنعت سامه با نام تجاری 3dRD بزرگترین و تخصصی ترین تولیدکننده پرینترهای سه بعدی در ایران