自从高温材料挤出 3D 打印机开始爆炸式增长以来,聚芳醚酮 (PAEK) 一直是大家挂在嘴边的聚合物家族。这在很大程度上要归功于英国先进材料公司 Victrex,该公司是一家耐用、耐热和耐化学腐蚀塑料的传统制造商,开始开发 3D 打印品种。(在本文中,我们不会区分 PAEK 和广泛使用的子变体(称为“PEEK”),但您可以在此处了解这些区别。

在 2023 年增材制造用户组 (AMUG) 会议上,我们有幸采访了威格斯新业务开发主管 Robert McKay,了解该公司在增材制造 (AM) 方面的努力在其大部分业务中是如何演变的,以及 LMPAEK 聚合物在各种 3D 打印工艺和应用中的开发。

什么是 LMPAEK 聚合物?
McKay 于 2014 年加入威格斯,领导致力于新兴技术的团队,当时增材制造领域成为威格斯感兴趣的领域。鉴于该部门 3D 打印的整体成功,该行业对针对 3D 打印优化的基于 PAEK 的线材的需求在新兴技术团队的活动清单上名列前茅。使 PAEK 用于 PBF,然后用于材料挤出的关键是将其重新配制为具有较低的熔化温度和结晶速度。

McKay 解释说:“威格斯 LMPAEK 聚合物实际上是一种改性的 PEEK 聚合物,其结构略有不同,它改变了 PEEK 聚合物在增材制造中的结晶行为,使其在这些工艺中表现得更好。“因此,您在增材制造中看到的大多数活动都是基于这种 LMPAEK 聚合物技术。

该技术源自威格斯在分层复合材料结构方面的工作,使用 VICTREX AE 250 UDT(同样基于 LMPAEK 聚合物)进行自动铺带和自动纤维更换,其中 PEEK 的工艺温度降低了 40°C,复合结构制造更快、更高效,而不会牺牲性能特性。在这些复合材料工艺中,聚合物所看到的条件与注射成型中的条件大不相同。

“在注塑成型中,你有这种高压、高温的环境,聚合物上会有很多应力,这使得它以某种方式表现。在打印中,一旦它离开那个喷嘴,它就会在熔体离开喷嘴后在空气中流动。因此,我们需要一种在这种极低剪切的露天环境中流动性良好的聚合物,这就是 LMPAEK 聚合物的优势之一。



虽然它可以在较低的熔融温度下加工,但 LMPAEK 聚合物的降解温度与 PEEK 类似,因此该材料的加工窗口宽了 40°C,在打印配置文件设置方面提供了更大的灵活性。它可以在比 PEEK 更低的温度下打印,也可以在相同的温度下打印,以实现更高的喷嘴流速,从而加工出坚固而复杂的零件。此外,作为基于 PEEK 的共聚物,该材料仍然具有与高熔点 PEEK 品种相同的强度、耐温性和几乎相同的耐化学性。

McKay 承认,即使 LMPAEK 聚合物在打印方面具有优势,但仍有用户放弃了 LMPAEK 聚合物的优势,转而使用传统的 PEEK,因为它已经通过了监管要求。他解释说,这些打印机仍然必须使用高腔室温度来减缓结晶并获得坚固的部件。这在医疗应用中最有意义,例如,注塑成型的 PEEK 已经被批准用于植入物和设备。因此,威格斯的附属公司 Invibio 正在为医疗专用 PAEK 3D 打印机提供 PEEK-OPTIMA LT1 PEEK 线材,在其加工窗口的高端打印材料。

另一个医学示例是与荷兰 Bond3D 的联合项目。Bond3D 引起了 Victrex 的足够兴趣,以至于这家英国公司为这家初创公司提供了资金支持,以便使用该技术开发下一代多孔脊柱笼。Bond3D 通过使用 PEEK 棒将其技术与 FDM 区分开来,它在高温构建室中基本上在所有方向上均匀熔合。这意味着各向同性的零件特性,即使是在 Z 轴上,通常是增材制造,尤其是 FDM 的障碍。


Bond3D 为 3D 打印重新设计的冷却歧管,以减轻重量并优化流量。图片由 Bond3D 提供。

VICTREX AM 450 PEEK 线材也可用于类似的极高腔室温度机器上的工业应用。McKay 指出,除了医疗植入物之外,Bond3D 等支持 PEEK 打印的技术对于寻求将打印的 PEEK 部件置于最极端环境中的客户也很有价值。尽管 LMPAEK™ 聚合物与高熔点聚合物几乎相同,但只有在最极端的情况下,它的耐化学性才会略低。因此,对于石油和天然气的井下应用,考虑到苛刻的环境,用户倾向于选择这种类型。在这些情况下,Bond3D 等高温打印机需要在腐蚀性最强的环境中使用 PEEK 处理石油和天然气。示例零件包括油泵外壳、环和密封件。

对于其他所有人,包括 LMPAEK 聚合物已经以复合形式使用的航空航天应用,LMPAEK 聚合物可以在较低的熔体和腔室温度下进行打印,从而简化打印适性并降低机器上的应力。

VICTREX AM 200 线材
反过来,威格斯已经能够为世界上性能最高的聚合物之一打开一个全新的世界。最近,Victrex 发布了用于熔融沉积建模 (FDM) 的 VICTREX AM 200 线材。几家机器制造商已经在支持这种材料,包括 Intamsys、3DGence、3NTR、AON3D 和 Zortrax。Stratasys 还宣布即将在其 450MC 打印机上支持 VICTREX AM™ 200,因为他们将第三方材料添加到其生态系统中。

采用 FDM 技术打印的复杂航空 ECS 管道,采用类似 PEEK 的 Victrex AM 200 材料。
采用 FDM 技术打印的复杂航空 ECS 管道采用 Victrex AM 200 材料。图片由 Stratasys 提供。

以前难以使用该公司的 PEEK 的三个领域是大幅面增材制造、使用可溶性支撑物的 3D 打印以及在低温室机器中打印坚固的晶体部件。在前一种情况下,将大幅面 3D 打印机加热到高熔点 PEEK 所需的水平是不切实际的。然而,在后一种情况下,可用的可溶性支撑材料在这种环境下无法支撑。最后,结晶速度较慢的 VICTREX AM 200 细丝在较冷的腔室中打印非晶时会产生更强的层间附着力,但在退火到结晶时比无定形的 PEKK 更能保持其形状。McKay 将 VICTREX AM 200 材料解释为“具有无定形 PEKK 的易打印性,具有 PEKK 和 PEEK 结晶品种的零件性能,以及使用低性能聚合物中常见的可溶性载体的设计灵活性。

使用 LMPAEK 聚合物,这些区域可以从 PAEK 的强大功能中受益。对于大幅面 3D 打印,可以想象用于石油和天然气的大型管道密封件或用于复合材料航空航天部件的模具,它们必须经过极端的加工温度。对于可溶性支撑物,这意味着实际上能够充分利用增材制造的几何可能性,包括在一次操作中 4D 打印的复杂、移动组件。

PAEK 适应环境
在讨论 PAEK 这样的重负荷聚合物时,可能会出现一个问题是它在具有生态意识和资源受限的环境中将发挥的作用。随着世界转向可再生能源,石油在化工行业中的作用将越来越小。随着易于获取的石油供应的局限性越来越明显,这一点尤其明显。

McKay 澄清说,仅仅因为 PAEK 是一种如此坚固的材料,并不意味着它必须用石化产品制成。

“所有这些聚合物都是由碳、氧和氢分子制成的。你可以用生物资源或石油制造这些分子。石油是已经石化的生物资源。所以,你当然可以跳过化石步骤,直接使用可再生的生物基资源。而这已经发生了。随着该行业建设基础设施,我们将从中受益,人们将能够像我们一样获取这些生物基碳氢化合物资源并构建自己的聚合物。

换句话说,PAEK 不会很快消失。因此,随着增材制造成为能源转型的首选技术之一,该技术所依赖的原料将不得不进行自己的转型,但它们在很大程度上仍将可用。而且,如果有哪家公司可能会参与这一演变,那将是 Victrex。