PEEK與PEKK：應(yīng)該選擇哪種高性能材料？

魔猴君  知識堂   169天前

增材制造材料是該工藝的關(guān)鍵組成部分，賦予最終部件自己的化學(xué)特性和機(jī)械特性。當(dāng)今的市場受益于多種材料的選擇，從聚合物到金屬，包括陶瓷和有機(jī)油墨。如果我們看一下塑料，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的數(shù)量非常多，并且打印起來或多或少具有技術(shù)性。無論是長絲、樹脂還是粉末，每種都有其特殊性。今天我們將重點(diǎn)關(guān)注高性能聚合物類別，特別是聚芳醚酮(PAEK)系列。制造商越來越多地使用兩種材料：PEEK和PEKK。

PEEK和PEKK通常用于所謂的傳統(tǒng)制造業(yè)（塑料注射、機(jī)械加工等），它們都具有有趣的熱特性，并以其強(qiáng)度而聞名。通常與金屬相比，它們多年來一直與某些增材制造工藝兼容，特別是材料擠出(FDM)和粉末燒結(jié)。但這兩種高性能熱塑性塑料有什么區(qū)別呢？應(yīng)該優(yōu)先選擇哪一個(gè)？魔猴網(wǎng)將為您解釋一切！

PEEK和PEKK是高性能材料

成分及特點(diǎn)

在比較兩種高性能聚合物時(shí)，重要的是從它們的成分和性能開始，以便了解它們在制造過程中的表現(xiàn)，這對您的選擇具有決定性作用。因此，這兩種材料屬于PAEK系列，是一組高性能半結(jié)晶和無定形熱塑性塑料。在這個(gè)家族中，最常用的聚合物是PEEK，它由1個(gè)酮和2個(gè)醚的分子結(jié)構(gòu)組成。另一方面，PEKK具有相反的分子結(jié)構(gòu)：它有2個(gè)酮和1個(gè)醚。酮鍵更軟，這增加了聚合物的柔韌性。這意味著對苯二甲酸和間苯二甲酸單體比例較高的半結(jié)晶PEKK的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（聚合物開始軟化的溫度）和熔融溫度較高。

發(fā)展

在這兩種材料的主要特性中，我們發(fā)現(xiàn)它們具有高機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫、耐疲勞性和低可燃性。就PEKK而言，這種熱塑性塑料更耐化學(xué)液體，具有良好的介電穩(wěn)定性，并且不會(huì)釋放有毒煙霧。另一方面，PEEK具有優(yōu)異的機(jī)械性能，并具有良好的強(qiáng)度/重量比，這使其能夠替代某些金屬。兩種聚合物都可以滅菌，從而促進(jìn)它們在醫(yī)療保健應(yīng)用中的使用。

使用PEKK 3D打印的零件（照片來源：miniFactory）

因此，PEEK和PEKK具有共同的特性，屬于同一聚合物家族；然而，它們的一些特性因其成分而有所不同。這兩種材料之間的主要區(qū)別在于它們的結(jié)晶度和結(jié)晶速度。這個(gè)概念是指聚合物中存在的晶體區(qū)域的總數(shù)，并以百分比表示。在這種情況下，我們正在比較兩種半結(jié)晶元素，但它們的結(jié)晶度取決于它們的加工方式并根據(jù)它們的加工方式而變化。一般來說，當(dāng)我們談?wù)?D打印工藝時(shí)，PEEK可以達(dá)到很高的結(jié)晶水平，而PEKK的晶體結(jié)構(gòu)要低得多。結(jié)晶度會(huì)影響最終部件的性能，而結(jié)晶率和流變性會(huì)影響打印的難易程度。

易于打印

在這一部分中，我們將主要關(guān)注熔融材料沉積（FDM）。在處理高性能聚合物時(shí)，必須擁有先進(jìn)的知識，以避免在打印時(shí)出錯(cuò)，主要是為了避免浪費(fèi)這些昂貴的材料。您還需要擁有一臺滿足特定溫度要求的3D打印機(jī)。使用PEEK進(jìn)行3D打印時(shí)，您需要一臺配備可達(dá)到400°C擠出機(jī)的機(jī)器，以及加熱至120°C的腔室和可高達(dá)400°C 230°C的壓板。這些層可以粘附在其上并毫無問題地將其去除。對于無定形PEKK，要求非常相似，但沒有那么嚴(yán)格。擠出溫度通常在340至360°C之間，還需要加熱壓板和加熱封閉外殼。

采用PEEK的3D打印冷卻系統(tǒng)（照片來源：Apium）

用技術(shù)術(shù)語來說，當(dāng)擠出的長絲固化時(shí)，聚合物分子鏈會(huì)發(fā)生部分排列。基于結(jié)晶核，分子鏈折疊并形成有序區(qū)域。因此，聚合物中結(jié)晶核的百分比越低，冷卻過程就越快，因此層與層之間的粘合力越好。這有助于避免變形現(xiàn)象。換句話說，如果冷卻和凝固過程太快，分子鏈將無法適當(dāng)彎曲，這將直接影響零件對打印床的附著力以及其最終的機(jī)械性能。

如上所述，PEKK的結(jié)晶度比PEEK低。這意味著3D打印零件后，它將受到冷卻過程的影響較小。因此，就3D打印的易用性而言，PEEK的使用將更加復(fù)雜和技術(shù)性更高，因?yàn)樗枰囟ǖ闹R來允許用戶控制擠出過程以及冷卻階段。另一方面，當(dāng)我們談?wù)撨x擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)時(shí)，聚合物的行為會(huì)根據(jù)我們想要制造的零件的尺寸而有所不同。這意味著在小模型的情況下，由翹曲效應(yīng)引起的變形會(huì)小得多，甚至不存在；另一方面，要?jiǎng)?chuàng)建的零件越大，控制打印參數(shù)就越困難。

PEEK和PEKK的后處理

PEEK和PEKK的后處理并不是最簡單的。在FDM中，使用支撐件來設(shè)計(jì)更復(fù)雜的零件幾乎變得至關(guān)重要。然而，與這兩種熱塑性塑料兼容的打印支撐物很少：大多數(shù)解決方案都不那么耐熱，因此無法使用。

不過，也有一些廠商專門針對這些高性能材料開發(fā)了3D打印支撐件：3DGence和AquaSys就是這種情況。但請注意，它們?nèi)匀槐葌鹘y(tǒng)支持更昂貴。

3DGence打印支持與高性能材料兼容（照片來源：3DGence）

如果您使用燒結(jié)工藝，打印支撐的概念就會(huì)消失，但您仍然需要評估每公斤粉末的價(jià)格-我們稍后會(huì)再討論這一點(diǎn)。

如果我們現(xiàn)在對此類后處理方法感興趣，請知道可以使用PEEK或PEKK對3D打印零件進(jìn)行退火，以改善各層的融合并賦予最終零件特性更高的機(jī)械值。一些3D打印機(jī)將此退火步驟直接集成到其機(jī)器中，例如miniFactory Ultra。

此外，使用PEEK的3D打印零件可以通過鉆孔或車削等方法進(jìn)行加工。如有必要，您還可以對零件進(jìn)行金屬化。

應(yīng)用領(lǐng)域

關(guān)于PEEK和PEKK的用途，我們可以找到類似的應(yīng)用領(lǐng)域。由于具有上述先進(jìn)特性，例如機(jī)械和耐高壓性、輕質(zhì)性、剛性等，最常采用這些高性能材料的行業(yè)是航空航天、汽車和航空。由于具有生物相容性，它們經(jīng)常用于醫(yī)療領(lǐng)域。請注意，PEEK具有促進(jìn)骨整合的特性，也就是說，在功能負(fù)荷下，骨骼與植入物表面之間存在直接的結(jié)構(gòu)和功能連接。另一方面，PEKK對化學(xué)流體有更好的抵抗力，這就是為什么它會(huì)更多地用于石油和天然氣行業(yè)。它還可以通過鐵路部門的防火/煙霧認(rèn)證。

PEKK將更多地用于石油和天然氣領(lǐng)域（圖片來源：Kimya）

編譯整理：3dnatives