高性能熱塑性塑料：PEEK、ULTEM和其他聚合物

魔猴君  知識(shí)堂   221天前

近年來，高性能熱塑性塑料已成為3D打印領(lǐng)域的熱門話題，其市場增長迅速。這些材料因其強(qiáng)度和重量輕而在工業(yè)上很有吸引力，并且其中有許多可用于增材制造。一個(gè)例子是聚芳醚酮(PAEK)，這是一種半結(jié)晶塑料，能夠承受高溫，同時(shí)保持相當(dāng)大的強(qiáng)度。PAEK主要以聚醚醚酮（PEEK）和聚醚醚酮酮（PEKK）兩種高剛性材料的形式使用。一種更便宜的替代品聚醚酰亞胺(PEI)，也稱為ULTEM，也變得越來越普遍。但到底什么是高性能塑料呢？如何打印它們？制造商有哪些？以下PAEK和PEI系列指南將告訴您有關(guān)這些材料所需了解的一切。

高性能聚合物的制備及性能

關(guān)于高性能聚合物，首先要了解的是，盡管它們具有共同的特性，但它們并不完全相同。然而，總的來說，高性能熱塑性塑料，特別是PEEK，強(qiáng)度與鋼一樣，比金屬輕80%，使其在制造業(yè)中備受追捧。與大多數(shù)其他塑料不同，PAEK材料除了在連續(xù)運(yùn)行中具有出色的機(jī)械性能和高達(dá)250°C的耐熱性外，還能夠耐油和其他物質(zhì)的溶解。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，幾乎不會(huì)釋放出有害氣體或蒸氣。

盡管它們?cè)谠霾闹圃熘凶兊迷絹碓狡毡?，但不可否認(rèn)的是，它們的增長速度比其他聚合物要慢。事實(shí)上，這些材料已經(jīng)存在了三十多年，特別是通過注塑或機(jī)械加工。最初，Stratasys是唯一一家能夠生產(chǎn)能夠承受熔化PAEK和PEI聚合物所需高溫的打印機(jī)的公司。然而，隨著市場開始開放，其他公司也有機(jī)會(huì)嘗試這些打印機(jī)，從而導(dǎo)致其發(fā)明大規(guī)模商業(yè)化。隨著時(shí)間的推移和進(jìn)入壁壘的降低，我們看到越來越多的公司進(jìn)入這一領(lǐng)域并開始制造能夠加工PAEK熱塑性塑料的3D打印機(jī)。

另一種材料PEI最初由通用電氣塑料部門于20世紀(jì)80年代末開發(fā)，但在2007年，沙特阿拉伯最大的國有公司之一SABIC收購了該部門，并獲得了ULTEM品牌的權(quán)利。由于這種材料是PEEK的更便宜的替代品，因此從財(cái)務(wù)角度來看它立即引起了極大的興趣。結(jié)合其各種重要的物理特性，例如高耐熱性、耐溶劑性和阻燃性、介電強(qiáng)度和導(dǎo)熱性，它代表了工程項(xiàng)目的出色解決方案。ULTEM已成為要求非常高的工程應(yīng)用（例如航空航天工業(yè)）的首選材料。

高性能塑料3D打印

通常，PAEK和PEI聚合物采用熔融沉積成型(FDM)技術(shù)或選擇性激光燒結(jié)(SLS)工藝進(jìn)行打印。然而，考慮到這些聚合物的高溫能力，普通3D打印機(jī)無法處理這些細(xì)絲也是可以理解的。PAEK/PEI 3D打印機(jī)必須具有能夠承受300°C以上溫度的噴嘴，因?yàn)檫@是這些聚合物的熔點(diǎn)。此外，加熱板必須達(dá)到至少150°C才能移除物體。最后，需要更強(qiáng)大的冷卻機(jī)制來確保封閉室內(nèi)的正確溫度平衡。

高性能熱塑性塑料的后處理是必要的，并且與任何復(fù)雜的FDM打印部件一樣，需要支撐結(jié)構(gòu)。然而，對(duì)于PAEK和PEI，由于最終產(chǎn)品的硬度，很難去除背襯。因此，通常使用一系列工具來完成零件。

另一方面，通過SLS工藝，無需額外工具即可幾乎完美地打印零件。然而，制造商必須考慮變形。一旦物體停止打印并且室內(nèi)溫度下降，聚合物就會(huì)收縮。因此，PAEK和PEI在打印小物體時(shí)非常受歡迎，但零件越大，翹曲效果越強(qiáng)。盡管可以通過優(yōu)化速度和溫度等關(guān)鍵打印參數(shù)在一定程度上控制這一點(diǎn)，但這仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

此外，高性能熱塑性塑料的使用還遠(yuǎn)未得到充分開發(fā)。制造過程的某些方面仍在研究并不斷改進(jìn)。然而，新的創(chuàng)新正在不斷改善這種體驗(yàn)。許多公司目前正在研究FDM解決方案，該解決方案涉及用不同的材料打印物體的支撐結(jié)構(gòu)，以便在打印后可以更快、更輕松地將其移除。此外，Kimya等其他公司已開始提供材料組合，以充分利用多種材料。這樣，最終產(chǎn)品可以由例如70%PEEK和30%碳纖維組成。

可能的應(yīng)用

正如您所料，具有如此多重要特性的一系列材料可用于多種行業(yè)。汽車行業(yè)很快開始將PAEK和PEI的獨(dú)特功能用于各種應(yīng)用。這些材料影響最大的領(lǐng)域之一是用于注塑成型、熱成型和固定裝置的低成本、高速模具的生產(chǎn)。這使得公司能夠以低成本生產(chǎn)中小批量產(chǎn)品，而無需投資大批量生產(chǎn)。定制零件的生產(chǎn)需求也越來越大，因?yàn)樗鼈兛梢愿鶕?jù)特定要求進(jìn)行定制，并且可以進(jìn)行復(fù)雜的修改以改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

與許多其他3D打印材料一樣，PAEK和PEI系列廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。眾所周知，PEEK可以保護(hù)磁共振成像(MRI)掃描儀。它也被認(rèn)為是一種用于醫(yī)療植入物、加強(qiáng)棒和脊柱融合裝置的先進(jìn)生物材料。由于它可以承受沸水和過熱蒸汽，因此非常適合需要在極高溫度下滅菌的產(chǎn)品。

高性能熱塑性塑料也常用于航空航天工業(yè)。耐化學(xué)性、高強(qiáng)度重量比以及低火、低煙和低毒性水平使這些聚合物成為金屬的理想替代品，通常用于航天器零件和工具。隔熱隔音、結(jié)構(gòu)支撐、支架和支柱、緊固件、連接器和管道系統(tǒng)只是航空航天工程使用PAEK和PEI的幾個(gè)例子，通?？梢詫⒘慵亓繙p輕70%。使用先進(jìn)熱塑性塑料的其他行業(yè)包括航運(yùn)、核能、石油和天然氣等。

主要生產(chǎn)廠家及材料價(jià)格

正如預(yù)期的那樣，許多大公司已經(jīng)認(rèn)識(shí)到從高性能熱塑性塑料向增材制造的轉(zhuǎn)變。因此，在制造PAEK材料時(shí)看到阿科瑪、Lehmann&Voss和Solvay（僅舉幾例）等名字就不足為奇了。然而，說到愛德華王子島，SABIC的ULTEM品牌是目前市場上唯一的品牌。

當(dāng)談到能夠加工PAEK和PEI的打印機(jī)時(shí)，中國制造商INTAMSYS引起了廣泛關(guān)注，因?yàn)樗峁┝艘幌盗羞m用于高性能聚合物的專業(yè)和桌面3D打印機(jī)。但荷蘭Tractus3D也越來越受歡迎，德國巨頭EOS也越來越受歡迎，該公司最近推出了一款能夠處理這些材料的新型HTLS（高溫激光燒結(jié)）打印機(jī)。

然而，正如您所料，這些高性能聚合物并不便宜。PEEK、UTLEM和PEKK是市場上最昂貴的3D打印材料。盡管ULTEM是一種稍便宜的替代品，但一公斤長絲線軸的起價(jià)超過180歐元，而且根據(jù)品牌和材料特性，成本通常要高得多。目前，1公斤材料的PEEK成本通常為270歐元至650歐元以上，而同等數(shù)量的PEKK平均成本為370至460歐元。

如果您對(duì)這些材料制成的細(xì)絲感興趣，您還應(yīng)該記住，您不能僅使用任何打印機(jī)進(jìn)行打印。如上所述，您應(yīng)該投資專門為高性能聚合物設(shè)計(jì)的打印機(jī)。這些打印機(jī)自然也比便宜的FDM型號(hào)更昂貴。許多起價(jià)超過4,500歐元，而且大多數(shù)都遠(yuǎn)高于此。然而，多年來我們發(fā)現(xiàn)，隨著市場的增長，消費(fèi)者的選擇也在不斷增加。也許在不久的將來，隨著使用高性能聚合物的增材制造應(yīng)用變得更加廣泛，我們將看到打印機(jī)和材料價(jià)格下降。

來源：3dnatives