Libérer les possibilités de l'impression 3D avec les polymères PAEK

Jul 20, 2023

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Depuis le début de l'explosion des imprimantes 3D d'extrusion de matériaux à haute température, la polyaryléthercétone (PAEK) est la famille des polymères sur toutes les lèvres. C'est en grande partie grâce à la société britannique de matériaux avancés, Victrex, un fabricant historique de plastique durable, résistant à la chaleur et aux produits chimiques, qui a commencé à développer des variétés imprimables en 3D. (Pour les besoins de cet article, nous ne ferons pas de distinction entre PAEK et la sous-variété largement utilisée connue sous le nom de "PEEK", mais vous pouvez en apprendre davantage sur ces distinctions ici.)

Lors de la conférence 2023 de l'Additive Manufacturing Users Group (AMUG), nous avons pu rencontrer Robert McKay, responsable du développement des nouvelles activités chez Victrex, pour découvrir comment l'effort de l'entreprise dans la fabrication additive (AM) a évolué dans une partie substantielle de son et le développement du polymère LMPAEK pour toutes sortes de processus et d'applications d'impression 3D.

McKay a rejoint Victrex en 2014 pour diriger l'équipe dédiée aux technologies émergentes, tout comme le domaine de la FA est devenu un domaine d'intérêt pour Victrex. Compte tenu du succès global de l'impression 3D pour la division, le besoin de l'industrie pour un filament à base de PAEK optimisé pour l'impression 3D figurait en tête de liste des activités de l'équipe des technologies émergentes. La clé pour faire fonctionner le PAEK pour le PBF, puis l'extrusion du matériau a été de le reformuler pour avoir une température de fusion et une vitesse de cristallisation plus basses.

"Le polymère Victrex LMPAEK est vraiment un polymère PEEK modifié, avec une construction légèrement différente qui modifie le comportement de cristallisation du polymère PEEK dans la FA pour le rendre plus performant dans ces processus", a expliqué McKay. "Ainsi, la plupart des activités que vous voyez de notre part dans la fabrication additive sont basées sur cette technologie polymère LMPAEK.

La technologie a été dérivée du travail de Victrex dans la construction de composites multicouches avec une mise en place automatisée des bandes et un remplacement automatisé des fibres à l'aide de VICTREX AE 250 UDT, également basé sur le polymère LMPAEK, où la température de processus du PEEK est abaissée de 40 °C et la fabrication de la structure composite est plus rapide et plus efficace sans sacrifier les propriétés de performance. Dans ces procédés composites, les conditions vues par le polymère sont très différentes de celles du moulage par injection.

"Dans le moulage par injection, vous avez cet environnement à haute pression et à haute température où vous avez beaucoup de contraintes sur le polymère et qui le fait se comporter d'une certaine manière. Dans l'impression, dès qu'il quitte cette buse, c'est juste s'écoulant à l'air libre après que la masse fondue ait quitté la buse.Nous avions donc besoin d'un polymère qui s'écoule bien dans cet environnement à l'air libre à très faible cisaillement, et c'est l'un des avantages du polymère LMPAEK.

Bien qu'il puisse être traité à une température de fusion inférieure, la température de dégradation du polymère LMPAEK est similaire à celle du PEEK, de sorte que le matériau a une fenêtre de traitement plus large de 40°C offrant plus de flexibilité dans les paramètres de profil d'impression. Il peut être imprimé à une température inférieure à celle du PEEK ou imprimé aux mêmes températures pour obtenir des débits encore plus élevés à partir de la buse pour les pièces solides et complexes. De plus, en tant que copolymère à base de PEEK, le matériau offre toujours la même résistance, la même résistance à la température et presque la même résistance chimique qu'une variété de PEEK à point de fusion élevé.

McKay reconnaît que même avec les avantages du polymère LMPAEK dans l'impression, il y a encore des utilisateurs qui renoncent aux avantages des polymères LMPAEK pour le PEEK traditionnel car il a déjà satisfait aux exigences réglementaires. Il a expliqué que ces imprimantes doivent encore utiliser des températures de chambre élevées pour ralentir la cristallisation et obtenir des pièces solides. Cela aurait plus de sens dans les applications médicales, par exemple, où le PEEK moulé par injection est déjà approuvé pour les implants et les dispositifs. Pour cette raison, la filiale de Victrex, Invibio, fournit le filament PEEK-OPTIMA LT1 PEEK aux imprimantes 3D PAEK spécifiques à la médecine, imprimant le matériau à l'extrémité supérieure de sa fenêtre de traitement.

Un autre exemple médical est un projet conjoint avec Bond3D aux Pays-Bas. Bond3D a suscité suffisamment d'intérêt de la part de Victrex pour que la société britannique soutienne financièrement la startup afin de développer la prochaine génération de cages rachidiennes poreuses utilisant cette technologie. Bond3D différencie sa technologie du FDM par l'utilisation de tiges PEEK, qu'il fusionne de manière essentiellement uniforme dans toutes les directions dans une chambre de construction à haute température. Cela signifie des propriétés de pièce isotropes, même sur l'axe Z, un obstacle pour la FA en général et la FDM en particulier.

Un collecteur de refroidissement qui a été repensé pour l'impression 3D par Bond3D afin de réduire le poids et d'optimiser le débit. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Bond3D.

Le filament VICTREX AM 450 PEEK est également disponible pour des applications industrielles sur des machines similaires à très haute température de chambre. McKay souligne qu'en plus des implants médicaux, des technologies telles que Bond3D qui permettent l'impression avec PEEK ont également de la valeur auprès des clients qui cherchent à placer des pièces imprimées en PEEK dans les environnements les plus extrêmes. Bien que le polymère LMPAEK ™ soit presque identique à la variété à point de fusion élevé, il offre un niveau de résistance chimique légèrement inférieur uniquement dans les cas les plus extrêmes. Ainsi, pour les applications de fond de puits dans le pétrole et le gaz, les utilisateurs ont tendance à se tourner vers la variété, compte tenu de l'environnement exigeant. Dans ces situations, les imprimantes à très haute température telles que Bond3D doivent utiliser le PEEK pour le pétrole et le gaz dans les environnements les plus corrosifs. Les exemples de pièces incluent les carters de pompe à huile, les bagues et les joints.

Pour tous les autres, y compris les applications aérospatiales où le polymère LMPAEK est déjà utilisé sous forme composite, le polymère LMPAEK peut être imprimé à une température de fusion et de chambre inférieure, ce qui facilite l'imprimabilité et réduit les contraintes sur la machine.

À son tour, Victrex a pu ouvrir un tout nouveau monde pour ce qui est l'un des polymères les plus performants au monde. Plus récemment, cela a été grâce à la sortie du filament VICTREX AM 200 de Victrex pour la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM). Plusieurs fabricants de machines prennent déjà en charge le matériel, notamment Intamsys, 3DGence, 3NTR, AON3D et Zortrax. Stratasys a également annoncé la prise en charge prochaine de VICTREX AM™ 200 sur son imprimante 450MC alors qu'elle ajoute des matériaux tiers à son écosystème.

Conduit aero ECS complexe imprimé avec la technologie FDM en matériau Victrex AM 200. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Stratasys.

Trois domaines qui auraient auparavant eu des difficultés à utiliser le PEEK de la société sont la FA grand format, l'impression 3D avec des supports solubles et l'impression de pièces cristallines solides dans des machines à basse température de chambre. Dans le premier cas, il n'est pas pratique de chauffer les imprimantes 3D grand format jusqu'aux niveaux nécessaires pour les variétés de PEEK à point de fusion élevé. Alors que, dans ce dernier cas, le matériau de support soluble disponible ne résiste pas dans un tel environnement. Enfin, les filaments VICTREX AM 200 à cristallisation plus lente entraînent une adhérence intercouche plus forte lorsqu'ils sont imprimés amorphes dans des chambres plus froides, mais conservent mieux leur forme lors du recuit cristallin que les variétés amorphes de PEKK. McKay explique que le matériau VICTREX AM 200 "a la facilité d'impression du PEKK amorphe, avec les performances partielles des variétés cristallines de PEKK et PEEK, et la flexibilité de conception de l'utilisation de supports solubles courants dans les polymères moins performants".

Avec le polymère LMPAEK, il est possible que ces zones bénéficient de la puissance du PAEK. Pour l'impression 3D grand format, on peut imaginer de grands joints de tuyaux pour le pétrole et le gaz ou des moules pour des pièces aérospatiales composites qui doivent subir des températures de traitement extrêmes. Pour les supports solubles, cela signifie effectivement pouvoir profiter pleinement des possibilités géométriques de la FA, y compris des assemblages mobiles complexes imprimés en 3D en une seule opération.

Une question qui peut se poser lors de la discussion d'un polymère aussi résistant que le PAEK est le rôle qu'il jouera dans un environnement écologiquement conscient et aux ressources limitées. Alors que le monde passe aux énergies renouvelables, le pétrole devra jouer un rôle de plus en plus réduit dans l'industrie chimique. Cela est d'autant plus vrai que les limites des approvisionnements en pétrole facilement accessibles deviennent plus largement apparentes.

McKay a précisé que ce n'est pas parce que le PAEK est un matériau si robuste qu'il doit être fabriqué avec des produits pétrochimiques.

« Tous ces polymères sont fabriqués à partir de molécules de carbone, d'oxygène et d'hydrogène. Vous pouvez fabriquer ces molécules à partir de bioressources ou de pétrole. et à mesure que l'industrie construit cette infrastructure, nous en bénéficierons et les gens pourront s'approvisionner en ressources d'hydrocarbures biosourcés et construire leurs propres polymères, tout comme nous le faisons.

En d'autres termes, PAEK n'ira nulle part de sitôt. Ainsi, alors que la FA devient l'une des technologies de référence pour la transition énergétique, les matières premières sur lesquelles repose la technologie devront subir leur propre transition, mais elles seront toujours largement disponibles. Et, si une entreprise est susceptible d'être impliquée dans cette évolution, ce sera Victrex.

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