Materiale ad alte prestazioni PEEK (polietereterchetone) nella produzione additiva
Il PEEK (polietereterchetone) è una plastica termoplastica resistente alle alte temperature e, insieme a poche altre materie plastiche, costituisce la massima prestazione dei termoplastici ad alte prestazioni.
I termoplastici ad alte prestazioni sono caratterizzati dalla resistenza alle alte temperature e dall’elevata resistenza meccanica appena menzionata, mentre il PEEK è inoltre resistente ai mezzi chimicamente aggressivi e alle radiazioni ad alta energia e ha anche compatibilità biologica. Grazie a queste eccezionali proprietà, il PEEK è un materiale ampiamente utilizzato in molte applicazioni industriali e mediche, dai bioreattori ai satelliti, passando per le pompe per vuoto agli impianti cranici. Nel settore tecnologico giovane e in crescita della produzione additiva, la lavorazione del PEEK si è rivelata particolarmente impegnativa.
La domanda sorge spontanea, tuttavia, il PEEK pubblicizzato dai produttori di stampanti 3D è anche il PEEK, che è stato utilizzato con successo negli esempi sopra per più di vent’anni? Esiste anche il “PEEK” o il PEEK differisce a seconda del produttore del materiale da cui è ottenuto?
Il PEEK è stato lanciato per la prima volta in commercio dalla società britannica ICI con il nome Victrex PEEK, dopo che l’azienda ha brevettato il processo di sintesi nel 1977. Il materiale è stato utilizzato anche in un contesto medico dall’inizio degli anni ’90. Anche altri noti produttori come Solvay ed Evonik hanno riconosciuto il potenziale offerto dal materiale e hanno lanciato sul mercato i gradi PEEK. I polimeri dei vari produttori si differenziano tra loro, da un lato, per un diverso metodo di sintesi e, dall’altro, per un diverso tempo di sintesi.
Una collana può servire come un’immagine vivida. Come la termoplastica, questa è costituita da singoli collegamenti simili collegati tra loro.
Se immaginassimo le maglie delle collane come singoli elementi in una ciotola e le versassimo, le singole maglie della catena colerebbero senza problemi. Se le maglie della catena sono collegate in lunghe catene e versiamo la ciotola, si può immaginare che le catene cadano dalla ciotola come una palla coerente. Le singole catene sono annodate insieme. Questo comportamento, che è direttamente correlato alla lunghezza delle singole catene, può essere trasferito in modo analogo ai termoplastici. Ciò significa che la resistenza meccanica delle catene lunghe, che viene definita ad alto peso molecolare, è maggiore di quella delle catene corte. In cambio, tuttavia, questi sono meno inclini ad aggrovigliarsi rispetto alle lunghe catene, il che porta a una maggiore scorrevolezza. Un’elevata scorrevolezza è particolarmente desiderabile nei metodi di lavorazione come lo stampaggio a iniezione. Le termoplastiche fuse dovrebbero raggiungere in breve tempo le zone più arretrate degli stampi ad iniezione, riempirle e quindi solidificarsi rapidamente. Questa è una proprietà desiderata che difficilmente potrebbe essere ottenuta con i materiali termoplastici viscosi. Al contrario, il PEEK con una viscosità più elevata è più adatto per la produzione di prodotti semilavorati come barre e piastre, che vengono infine tagliati a macchina nella forma del componente finale. La figura mostra una panoramica dei diversi tipi di PEEK disponibili sul mercato e delle loro proprietà meccaniche utilizzando l’esempio della loro resistenza alla flessione. Le termoplastiche fuse dovrebbero raggiungere in breve tempo le zone più arretrate degli stampi ad iniezione, riempirle e poi solidificarsi rapidamente. Questa è una proprietà desiderata che difficilmente potrebbe essere ottenuta con i materiali termoplastici viscosi. Al contrario, il PEEK con una viscosità più elevata è più adatto per la produzione di prodotti semilavorati come barre e piastre, che vengono infine tagliati a macchina nella forma del componente finale. La figura mostra una panoramica dei diversi tipi di PEEK disponibili sul mercato e delle loro proprietà meccaniche utilizzando l’esempio della loro resistenza alla flessione. Le termoplastiche fuse dovrebbero raggiungere in breve tempo le zone più arretrate degli stampi ad iniezione, riempirle e poi solidificarsi rapidamente. Questa è una proprietà desiderata che difficilmente potrebbe essere ottenuta con i materiali termoplastici viscosi. Al contrario, il PEEK con una viscosità più elevata è più adatto per la produzione di prodotti semilavorati come barre e piastre, che vengono infine tagliati alla forma del componente finale dalla macchina. La figura mostra una panoramica dei diversi tipi di PEEK disponibili sul mercato e delle loro proprietà meccaniche utilizzando l’esempio della loro resistenza alla flessione. che vengono infine tagliati nella forma del componente finale dalla macchina. La figura mostra una panoramica dei diversi tipi di PEEK disponibili sul mercato e delle loro proprietà meccaniche utilizzando l’esempio della loro resistenza alla flessione. che vengono infine tagliati nella forma del componente finale dalla macchina. La figura mostra una panoramica dei diversi tipi di PEEK disponibili sul mercato e delle loro proprietà meccaniche utilizzando l’esempio della loro resistenza alla flessione.
La produzione additiva è un processo di produzione che, come lo stampaggio a iniezione, fonde il materiale, ma richiede un lento processo di solidificazione. A differenza dello stampaggio a iniezione, le stampanti 3D basate su filamenti hannonessuna forma limitante, ma forma libera simile all’estrusione di semilavorati. La sfida della manifattura additiva è da un lato ottenere un materiale scorrevole, ma che dall’altro ha le proprietà meccaniche dei semilavorati. Per risolvere questo problema, è possibile scegliere due possibili approcci. La prima possibilità è cambiare la struttura molecolare del PEEK in modo tale che proprietà come l’alta scorrevolezza e la rapida solidificazione siano create con poca distorsione. Il PEEK non è solo un polimero ad alte prestazioni, ma appartiene anche al gruppo dei polimeri semicristallini. La cristallinità parziale conferisce al PEEK le eccezionali proprietà di elevata resistenza meccanica, termica, chimica e biologica. E vale quanto segue più lunga è la catena, più forte diventa il polimero. Questo intervento sulla struttura molecolare conferisce al polimero una migliore lavorabilità, ma a scapito delle sue proprietà speciali.
La seconda possibilità per non perdere le proprietà meccaniche desiderate dei gradi PEEK, così come le conosciamo dal semilavorato, è quella di adattare idealmente il processo di lavorazione al materiale. Il fattore decisivo qui è l’interazione tra i processi di riscaldamento e raffreddamento, che devono essere impostati individualmente per ogni tipo di PEEK e lunghezza della catena. La società Apium Additive Technologies ha scelto questo approccio per adattare il processo di produzione al materiale invece di adattare il materiale al processo di produzione per i clienti che necessitano delle proprietà PEEK dei prodotti semilavorati per i loro prodotti esistenti. La lavorazione brevettata avviene tramite l’apporto di calore controllato localmente nel componente.
In sintesi, si può dire che il PEEK non è solo PEEK, ma differisce l’uno dall’altro in termini di lunghezza della catena, peso molecolare e processo di produzione. I diversi tipi di PEEK sono adattati ai rispettivi metodi di lavorazione. Invece di adattare il materiale al processo di stampa, Apium ha adattato il processo di lavorazione al materiale. In definitiva, il PEEK è apprezzato per le sue eccezionali proprietà originali. (U. Popp, S. Khaja, W. Schwarz)
