PEEK 3D Printing: come affrontare le sfide per stampare il PEEK
Molte aziende riscontrano numerosi vantaggi nello stampare in 3D parti in PEEK: questo è dovuto alle straordinarie proprietà del PEEK e ai recenti sviluppi della tecnologia di stampa 3D che sta espandendo il portfolio di materiali stampabili.
Ma perché il PEEK è ampiamente conosciuto come un materiale difficile da stampare? E quali sono le caratteristiche che una stampante dovrebbe avere per risolvere queste problematiche? Come si stampa il PEEK? Approfondiamo questi aspetti, partendo dalla natura della tecnologia.
Quando si utilizza la tecnologia FFF, il filamento da stampare è soggetto a due cambi di stato: esso passa da solido a liquido quando è portato oltre la sua temperatura di fusione e da liquido a solido quando si raffredda dopo l’estrusione.
Essendo elevata la sua temperatura di fusione (Tm), la temperatura di estrusione del PEEK è molto alta, generalmente raggiunge fino a 450°C. Per il PEEK, la differenza dalla temperatura di estrusione alla temperatura ambiente è più ampio rispetto ad altre plastiche come il PA e l’ABS.
Maggiore è la differenza tra la temperatura di estrusione e la temperatura della camera, maggiore è lo shock termico subito dal PEEK. Questo shock congela le molecole in posizione disordinata e causa la generazione di forze di ritrazione e stress residui nella parte stampata.
Temperatura di cristallizzazione del PEEK e la sua viscosità
Di conseguenza, se la camera è a temperatura ambiente, le parti in PEEK si raffredderanno troppo velocemente e non avranno il tempo necessario per cristallizzarsi completamente, mostrando così proprietà chimiche, termiche e meccaniche inferiori.
Inoltre, il PEEK è uno dei termoplastici più difficili da stampare, a differenza del PLA e del Nylon (PA), considerando principalmente la sua alta viscosità. È anche difficile ottenere buone tolleranze dimensionali a causa dell’elevato ritiro.
Per far fronte a questi problemi, possono essere implementate diverse innovazioni per garantire la stampa 3D di materiali ad alte performance con la migliore qualità possibile.
Attualmente esistono solo poche aziende in grado di stampare il PEEK con grande accuratezza ed elevata cristallinità, e il motivo di ciò risiede nelle particolarità di questo materiale ad alte prestazioni.
Cos’è la viscosità di un polimero
Quando il filamento viene fuso ed estruso, esso diventa fluido, perciò il suo comportamento verrà influenzato dalla sua viscosità.
La viscosità è la misura della resistenza al flusso che si verifica a causa dell'attrito interno tra i filetti di fluido mentre scorrono l'uno sull'altro. Maggiore è la viscosità del polimero, maggiori sono le difficoltà che si possono incontrare durante la stampa.
Per esempio, con un sistema di estrusione tradizionale, il flusso del materiale che fuoriesce dall’ugello è limitato dall’attrito generato sulla superficie interna del canale, portando a continua occlusione dell’estrusore. Inoltre, durante la deposizione del filamento fuso, l’aria tende a rimanere intrappolata al suo interno, generando zone di vuoto tra gli strati successivi. Questo causa una drastica riduzione delle proprietà meccaniche della parte stampata. Con diametri dell’ugello più piccoli e velocità di stampa più elevate, la viscosità apparente del polimero aumenterebbe, peggiorando le problematiche.
PEEK 3D printing: la soluzione Roboze
Da qui la necessità di un nuovo sistema di estrusione, l'estrusore HVP, progettato dal dipartimento di ricerca e sviluppo di Roboze. Grazie al canale ceramico interno studiato per ridurre gli attriti, il processo di estrusione di polimeri ad alta viscosità è facilitato.
Questo dispositivo è progettato per impartire accelerazione al flusso polimerico. Il restringimento della sezione di estrusione porta ad un aumento dello sforzo di taglio agente sul polimero pseudoplastico che ne riduce la viscosità; pertanto, la memoria di forma diventa più labile.
Il raffreddamento ad aria compressa è fondamentale per il processo: quando la temperatura aumenta in una sezione diversa dalla camera di fusione, può portare alla dilatazione del polimero che intasa il canale di passaggio che bloccherebbe il tubo e di conseguenza può interrompere il processo di stampa.
Inoltre, avere una cannuccia più sottile semplifica il processo di raffreddamento, poiché l'area specifica esposta allo scambio termico è maggiore.
Queste caratteristiche, unite ad una temperatura di stampa fino a 450 ° C, creano un flusso del polimero ottimizzato e consentono la riduzione dei fenomeni di ritiro, garantendo basse tolleranze dimensionali e la conservazione delle proprietà chimico-fisiche del materiale.
Ritiro dimensionale e warping dei polimeri
Il ritiro (shrink rate), espresso in percentuale, è una proprietà dei polimeri che influenza la precisione e le dimensioni delle parti. Viene calcolato come la velocità di contrazione volumetrica, durante la lavorazione di un polimero, dalla fase di fusione fino allo stato solido, dopo il raffreddamento.
A causa dell’elevata differenza tra la temperatura di estrusione e la temperatura ambiente, la velocità di raffreddamento del PEEK è elevata, quindi si raffredda più rapidamente, influenzando la cristallizzazione del materiale. La correlazione sembra semplice: maggiore è la temperatura richiesta per stampare, maggiore è la velocità di raffreddamento e maggiore è la velocità di ritiro.
Comunemente, a seconda del materiale, il ritiro dei polimeri varia nell'intervallo 0,2-1%. Il ritiro del PEEK arriva fino al 2%, rendendolo uno dei materiali più difficili da stampare, se non si hanno gli strumenti giusti per gestirlo.
Cos’è il warpage?
Definiamo il warpage: è uno degli effetti dell’alto ritiro di una parte stampata. Quando le parti stampate in 3D si raffreddano dopo la deposizione, se il ritiro è elevato, il componente tende a staccarsi dal piano di stampa. Questo difetto è chiamato warping (deformazione).
Perché il warpage si verifica alle estremità di una parte stampata? Il Warpage si verifica alle estremità perché è noto che le zone d’intaglio sono quelle con la massima concentrazione di sollecitazioni. Queste sollecitazioni, sommate alle forze di ritrazione generate dopo il raffreddamento, portano a superare la forza di adesione interfacciale tra il piano di stampa e il polimero, creando il distacco della parte stampata dal piano di stampa.
Man mano che il polimero cresce in z, il numero di strand che tendono a ritirare aumenta, superando infine la forza di legame interfacciale del polimero con il piano di stampa.
Ma la deformazione non è l'unico difetto che potrebbe verificarsi con un elevato ritiro: a causa delle sollecitazioni residue che si generano, i componenti potrebbero anche tendere a delaminare, e alla fine ciò si traduce in una minore precisione della parte.
Cos’è la camera calda e perché è importante?
Al fine di risolvere queste problematiche, Roboze ha sviluppato una camera calda nelle sue stampanti Argo. Questa camera calda isolata, in grado di raggiungere 180°C in sole due ore, assicura un processo controllato e ripetibile.
All'interno l'aria viene aspirata da un collettore posizionato sul fondo, viene riscaldata nell'intercapedine, e viene reimmessa attraverso i fori sulle pareti laterali. Questo processo permette di ridurre il tempo necessario per riscaldare la camera, aumentando la produttività e l'efficienza del dispositivo. Attraverso i fori sulle pareti laterali, il flusso d'aria all'interno della camera è bidirezionale, garantendo un riscaldamento uniforme ed evitando possibili fenomeni di schermatura che si verificano con un flusso unidirezionale.
Senza una camera calda, il PEEK stampato avrebbe un basso tasso di cristallinità e il ritiro sarebbe incontrollabile, con la conseguenza di basse tolleranze e un’accentuata anisotropia della parte. Inoltre, servirebbe un ulteriore processo di trattamento termico, chiamato ricottura (annealing), per ottimizzare la struttura dei grani interni e per rilasciare le tensioni residue accumulate durante la stampa.
La stampa in camera calda, invece, permette di gestire il ritiro, portando alla completa cristallizzazione dei polimeri direttamente durante la deposizione. Ciò garantisce migliori proprietà dei polimeri, insieme a un'elevata precisione della parte stampata, senza necessità di ulteriori trattamenti termici.
Definizione di Annealing: che cos’è?
L’Annealing (ricottura) è un post-processing termico necessario per aumentare la cristallinità di un materiale, per rimuovere gli stress termici e limitare i cambiamenti dimensionali ad alte temperature.
Si esegue mettendo i pezzi in un forno, aumentando la temperatura al di sopra della temperatura di transizione vetrosa (Tg), solitamente intorno ai 200 ° C, e mantenendoli a temperatura per 1 ora per ogni millimetro di spessore della parete. La temperatura del forno impostata può variare, a seconda della temperatura di utilizzo finale delle parti su cui effettuare l’annealing. La regola generale è quella di utilizzare una temperatura di mantenimento di almeno 20 °C superiore alla temperatura massima di esercizio. La seconda fase consiste nel raffreddare il forno di 10 ° C l'ora fino a quando la temperatura scende sotto i 140 °C, quindi spegnere definitivamente il forno e attendere che la parte si raffreddi fino a raggiungere la temperatura ambiente. Il raffreddamento lento è un passaggio obbligatorio per ridurre le sollecitazioni interne, quindi richiede lunghi tempi di post-processing. Per ridurre i tempi di produzione, l’annealing dovrebbe essere evitato quando possibile.
Annealing di parti stampate in 3D: complicazioni
L’annealing di una parte stampata è possibile, ma potrebbero avvenire complicazioni durante il processo:
- Cambiamenti dimensionali: a seconda della temperatura di annealing, le dimensioni potrebbero restringersi o espandersi in uno qualsiasi dei tre assi (x, y, z), con conseguente deformazione della parte finale dovuta al riarrangiamento dei grani a livello microscopico.
- Discrepanza nella cristallinità tra l'interno e l'esterno del componente: in caso di pareti spesse, la parete più sottile rappresenta il collo di bottiglia per la ricottura, lasciando quindi le pareti più spesse non soggette al processo.
- Fallimento del processo: questo avviene quando, nel raggiungimento delle proprietà desiderate, la temperatura target è eccessivamente alta o la temperatura di mantenimento è errata, con conseguente ingiallimento o deformazione del pezzo.
L’annealing dipende dallo spessore minimo della parete del componente, che definisce le temperature e il tempo di tenuta che devono essere rispettati per non avere una parte deformata. Essendo lo spessore minimo della parete della parte il collo di bottiglia, potrebbero esserci differenze tra la superficie e il nucleo della parte, in caso di pareti spesse. Inoltre, a seconda dello spessore del pezzo, il processo di annealing può richiedere molto tempo, raramente meno di 8 ore.
Camera calda in una stampante 3D: benefici e vantaggi
Un processo come la camera calda, che cristallizza il pezzo strato per strato, è preferibile perché in questo modo, appena terminata la stampa, il pezzo risulta omogeneo e non necessita di ulteriore lavorazione. I sistemi Argo producono parti in PEEK che hanno una cristallinità molto elevata (circa il 35%), il che significa che non è necessario un processo di annealing.
In breve, i vantaggi della camera calda sono i seguenti:
- Elevata cristallinità raggiunta sulla parte stampata, che si traduce in migliori caratteristiche del materiale, in termini di prestazioni chimiche, meccaniche e termiche.
- Cristallinità omogenea ottenuta strato per strato, con le stesse proprietà in tutta la parte stampata.
- Non è necessario eseguire trattamenti termici, come l’annealing, con conseguente riduzione della catena di fornitura e tempi di produzione ridotti, risultando in un maggiore controllo del processo sulla parte finale.
- Nessun limite dovuto alla ricottura sullo spessore minimo da stampare.
- Nessuna deformazione dovuta al trattamento termico, con conseguenti migliori tolleranze.
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