تفاوت بین PEEK و PEKK چیست؟
هر دو ترموپلاستیک نیمه کریستالی هستند، اما درجه بلورینگی آنها بستگی زیادی به نحوه پردازش آنها دارد.
برخی از پلیمرهایی که متعلق به خانواده PAEK ) پلی‌آترکتون‌ها) هستند، با فناوری FFF ) (Fused Filament Fabrication قابل چاپ سه بعدی هستند. محبوب ترین آنها PEEK و PEKK (Polyetherketoneketone) هستند، زیرا هر دو از نظر مقاومت مکانیکی، حرارتی و شیمیایی خواص فوق العاده ای از خود نشان می دهند.
آیا باید PEEK یا PEKK را چاپ کنید؟ برای درک آن بهتر است ابتدا یک قدم به عقب برگردیم و تفاوت های بین مواد نیمه کریستالی و بی شکل را توضیح دهیم.
تفاوت بین پلیمرهای نیمه کریستالی و آمورف
با توجه به آرایش ماکرومولکول ها در فضا، دو دسته اصلی از پلیمرها را می توان تشخیص داد:
نیمه کریستالی
بی شکل
تفاوت اصلی بین پلیمرهای نیمه کریستالی و آمورف اولاً آرایش زنجیره های مولکولی و در نتیجه نحوه تأثیر آن بر رفتار پلیمر تحت گرما است:
پلیمرهای آمورف دارای زنجیره های مولکولی نامرتب هستند که به صورت تصادفی در هم پیچیده شده اند. این خاصیت منجر به داشتن محدوده ای از دماها می شود که در آنها ذوب می شوند، بنابراین دماهایی که دقیقاً تعریف نشده اند. آرایش نامرتب زنجیره های پلیمری رفتارهای ترجیحی را در جهت های خاص القا نمی کند، بنابراین منجر به رفتار همسانگردتر می شود. به طور کلی، مواد آمورف نیمه شفاف به نظر می رسند و مقاومت در برابر خستگی و تنش کمتری دارند اما مقاومت در برابر ضربه بهتری دارند.
چند نمونه از پلیمرهای با مورفولوژی آمورف عبارتند از:
پلی اتریمید (PEI یاUltem®)
اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)
پلی استایرن (PS)
برعکس، نیمه کریستالی دارای ساختار مولکولی منظم با دمای ذوب دقیق است. هنگامی که در معرض افزایش دما قرار می گیرند، حوزه های کریستالی به ماده سختی بیشتری می بخشند - حتی در دماهای بالاتر از انتقال شیشه ای - بنابراین به پلیمر اجازه می دهد تا خواص مکانیکی خود را در محدوده دمایی وسیع تری نسبت به همتای آمورف خود حفظ کند. فرآیند اکستروژن از طریق یک نازل، جهت گیری ترجیحی ماکرومولکول ها را در جهتی موازی با جریان اکستروژن ایجاد می کند، بنابراین باعث می شود که ماده ناهمسانگرد باشد.
این ناهمسانگردی را می توان با تجزیه و تحلیل انقباض مواد مشاهده کرد. در جهت موازی جریان، این انقباض بیشتر از جهت عرضی خواهد بود.
مواد نیمه کریستالی به دلیل انقباض آنها که منجر به پایداری ابعادی کمتر می شود، مشکلات بیشتری را در فرآیندهای تولید ایجاد می کنند.
از پلیمرهای نیمه کریستالی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
هنگامی که تقویت می شود، هر دو مواد آمورف و نیمه کریستالی بهبود قابل توجهی در استحکام و سفتی فراتر از دمای انتقال شیشه ای خود (Tg)، به دلیل دمای انحراف حرارتی بالاتر (HDT) نشان می دهند.
چاپ سه بعدی PEEK برای فناوری ساخت فیلامنت ذوب شده (FFF).
ساخت فیلامنت ذوب شده (FFF) یک فناوری ساخت افزودنی است که رشته های پیوسته پلیمرهای ترموپلاستیک را به قطعات پرینت سه بعدی اکسترود می کند.
قرقره های فیلامنت به عنوان تغذیه برای سر اکستروژن عمل می کنند. رشته ای که از انتهای داغ عبور می کند، فراتر از دمای ذوب گرم می شود و متعاقباً از طریق نازل اکسترود می شود. سر در جهت های X و Y حرکت می کند تا رشته را رسوب دهد، در حالی که صفحه ساخت بر روی محور عمودی Z حرکت می کند زمانی که یک لایه جدید نیاز به اکسترود شدن دارد.
برای چاپ هر فیلامنت، لازم است دمای اکستروژن بالاتر از نقطه ذوب (Tm) باشد. با گرم کردن محفظه کاری تا دماهای بالاتر از انتقال شیشه ای، تحرک مولکولی افزایش می یابد، بنابراین انتشار ماکرومولکول ها در سطح مشترک بین لایه های مجاور و تحریک ادغام بین رشته ها، در نتیجه چسبندگی بین لایه ها به حداکثر می رسد. از آنجایی که این مقادیر با PEEK بسیار بالا هستند (Tm = 338 درجه سانتیگراد، Tg = 146 درجه سانتیگراد)، به توجه خاصی نیاز دارد: کیفیت چاپ خوب و تکرارپذیری را نمی توان با چاپگرهای علاقه مند به دست آورد.
فیلامنت Roboze PEEK با یک سر اکسترودر بسیار داغ، تا دمای 450 درجه سانتیگراد و یک محفظه گرم که می تواند تا 180 درجه سانتیگراد گرم شود چاپ می شود.
داشتن یک محیط کنترل شده با دما - یعنی یک محفظه گرم - ضروری است در غیر این صورت PEEK خیلی سریع خنک می شود، بنابراین پدیده های تغییر شکل ناشی از انقباض را القا می کند و از تشکیل حوزه های کریستالی جلوگیری می کند. برای افزایش درصد بلورینگی در قطعه کار می توان PEEK را آنیل کرد. این یک عملیات حرارتی است که در آن مواد بسته به هندسه برای چند ساعت تا دمای بالا )معمولاً حدود 200 درجه سانتیگراد( گرم می شوند و سپس به آرامی خنک می شوند تا تنش های پسماند به حداقل برسد
مزایای فناوری ساخت فیلامنت ذوب شده (FFF)
محفظه گرم شده برای اطمینان از سرعت یکنواخت خنک کننده در سراسر قطعه که منجر به تبلور کامل و کاهش تنش های پسماند و جمع شدگی می شود، اساسی است. این همان چیزی است که با PEEK روی پرینترهای Roboze Argo اتفاق می افتد. پرینت سه بعدی PEEK با فناوری FFF (Fused Filament Fabrication) مزایای زیادی دارد: در اینجا 8 دلیل وجود دارد که چرا باید PEEK را چاپ سه بعدی کنید.
تفاوت بین چاپ سه بعدی PEEK و PAEK
با نگاهی به ریشه دو پلیمر، می توان متوجه شد که در مقایسه با PEEK، PEKK دارای یک گروه کتون اضافی است که جایگزین یک گروه اتر می شود. این گروه کتون دمای انتقال شیشه ای را افزایش می دهد زیرا پیوند سفت تری نسبت به پیوند اتری دارد.
تفاوت اصلی بین پرینت های سه بعدی دو عضو اصلی خانواده PAEK، PEKK (Polyetherketoneketone) و PEEK، در درجه بلورینگی است. از آنجایی که PEKK نرخ تبلور پایین‌تری دارد، بسته به فرآیند تولید، اغلب می‌توان آن را به عنوان یک پلیمر آمورف در نظر گرفت.
از طرف دیگر، PEEK دارای نرخ کریستالیزاسیون بسیار بالاتری است که در شرایط مناسب امکان به دست آوردن اجزای کریستالی را از طریق فرآیندهای تولید افزودنی فراهم می کند. تفاوت را می توان با چشم غیر مسلح مشاهده کرد: PEEK
کریستالی دارای رنگ بژ مات است در حالی که PEEK آمورف دارای رنگ قهوه ای شفاف تر است.
اکنون که می دانیم PEEK چیست، می توانیم این را نیز اضافه کنیم:
در حالی که PEEK می تواند به سطح بسیار بالایی از بلورینگی (تا 40٪) برسد، PEKK معمولاً به صورت آمورف یا نیمه کریستالی یافت می شود. بر اساس اطلاعات جمع آوری شده در بازار، PEKK هنگام پرینت سه بعدی بی شکل است.
می توان تفاوت را با چشم غیرمسلح متوجه شد: مواد کریستالی مات به نظر می رسند در حالی که مواد آمورف نیمه شفاف به نظر می رسند.
PEKK چاپ سه بعدی: در حالی که مواد نیمه کریستالی دارای خواص مقاومت حرارتی و شیمیایی بالاتری هستند، محیط تولیدی با دمای کنترل شده که شرایط شوک ناشی از انجماد را به حداقل می رساند، بنابراین اجازه خنک شدن آهسته مذاب پلیمری را می دهد، PEKK معمولاً با دمای محفظه پایین تر چاپ می شود. در مورفولوژی آمورف خود، زیرا به دلیل سرعت تبلور آهسته، کمتر از سرعت سرد شدن، زمان کافی برای کریستال شدن در طول فرآیند چاپ را ندارد. مورفولوژی مواد نیز بر رفتار چاپ تاثیر می گذارد. به عنوان مثال، PEKK آمورف تصفیه نشده دارای دمای استفاده در حدود 150 درجه سانتیگراد است و در مقایسه با PEEK از نظر شیمیایی نسبت به طیف کمتری از مواد شیمیایی بی اثر است. نسخه نیمه کریستالی آن ویژگی های بهتری خواهد داشت، اما به پس پردازش گسترده نیاز دارد که به مراحل تولید پیچیدگی می بخشد.
اگرچه PEKK به همان خانواده پلیمرها تعلق دارد، اما چاپ آن آسان تر است زیرا ماده بی شکل تری است، بنابراین اثر کوچک شدن آن به حدود 0.01٪ محدود می شود. با این حال، شرایط پردازش مورد استفاده برای تولید قطعات PEEK یا PEKK می‌تواند بر کریستالی بودن آنها تأثیر بگذارد، از این رو خواص آنها. به طور کلی، مواد کریستالی بیشتر، مانند PEEK، دارای خواص مکانیکی، شیمیایی و حرارتی بهتری در مقایسه با مواد آمورف مانند PEKK چاپ سه بعدی هستند. در واقع، PEEK به دلیل مقاومت شیمیایی بسیار بالا، گواهینامه NORSOK M-710 را برای صنعت نفت و گاز دریافت کرده است. برخلاف PEKK پرینت سه بعدی آمورف که در صورت عدم بهبود به دمای استفاده مداوم (CUT) 150 درجه سانتی گراد می رسد، CUT PEEK به دلیل ماهیت کریستالی آن بسیار بالاتر است، یعنی 260 درجه سانتی گراد.
علیرغم اینکه چاپ PEEK ممکن است به طور کلی دشوار در نظر گرفته شود، اگر سیستم های تولید Roboze Argo داشته باشید این کار آسان می شود. پرینترهای آرگو با داشتن محفظه گرم که جریان حرارتی همگن را تضمین می‌کند و اکسترودر HVP که وظیفه رسوب‌گذاری این رشته‌های چسبناک را بر عهده دارد، انقباض PEEK را به خوبی مدیریت می‌کنند و دقت موقعیت‌یابی 10 میکرومتر را تضمین می‌کنند. درجه بلورینگی PEEK به دست آمده با چاپگرهای Argo بسیار بالا است و بهترین کیفیت مواد را از نظر خواص مکانیکی، شیمیایی و حرارتی تضمین می کند.
PEEK و PEKK هر دو مزایا و معایب خود را دارند و اینکه آیا باید از یکی یا دیگری استفاده شود، باید توسط کاربر و برنامه تعیین شود.
PEEK
PEKK
Cost
High
Very high
Extrusion temperature
Very high
High
Mechanical Properties
Very high
High
Impact resistance
High
Very high
Fatigue strength
High
Lower
Wear resistance
High
Lower
Chemical resistance
Very High
High
Thermal properties
Very high
High
Continuous use temperature (CUT)
260°C
150°C (untreated)
Heat Deflection Temperature (HDT)
161°C
140°C
Glass transition temperature (Tg)
146°C
160°C
Melting point
338°C
305°C
Coefficients of linear thermal expansion (CLTE)
46um/m/K
45um/m/K on average
Volume resistivity
10^15 Ohm*cm
10^15 Ohm*cm
Colour
Opaque
Translucent
Biological compatibility
Bioinert
Bioactive
Heat treatment
Not necessary
Necessary
برخی از پلیمرهایی که متعلق به خانواده PAEK ) پلی‌آترکتون‌ها) هستند، با فناوری FFF ) (Fused Filament Fabrication قابل چاپ سه بعدی هستند. محبوب ترین آنها PEEK و PEKK (Polyetherketoneketone) هستند، زیرا هر دو از نظر مقاومت مکانیکی، حرارتی و شیمیایی خواص فوق العاده ای از خود نشان می دهند
