Stampa 3D del Carbon PEEK: cos’è il Carbon PEEK e per cosa è utilizzato?

Cos’è il Carbon PEEK?

Il Carbon PEEK di Roboze è un materiale composito per la stampa 3D. È un PEEK caricato con fibra di carbonio, composto dal 10% (in peso) di fibre di carbonio corte, aggiunte alla matrice di PEEK.

Il Carbon PEEK è considerato tra i termoplastici più resistenti a temperatura ambiente perché offre proprietà eccellenti che, insieme alla ottima resistenza all’usura e all’abrasione, lo rendono ideale per la sostituzione dei metalli negli ambienti più estremi.

Le proprietà del Carbon PEEK per la stampa 3D

Le principali proprietà delle parti stampate in Carbon PEEK sono elencate nella tabella in basso.

Tabella 1: Scheda tecnica del Carbon PEEK stampato in 3D da Roboze

Proprietà fisiche e chimiche del Carbon PEEK di Roboze

Il Carbon PEEK è un composito che appartiene ai polimeri ad alte performance. A differenza del PEEK puro, le fibre di carbonio forniscono una maggiore resistenza meccanica, proprietà ad alte temperature ed eccellente resistenza chimica, rendendolo il materiale adatto agli ambienti più estremi. Ecco qui le principali proprietà del Carbon PEEK:

• Proprietà Meccaniche del Carbon PEEK

Il rinforzo realizzato con 10% di fibre corte di carbonio migliora la resistenza alla compressione, la rigidità e la capacità di carico del PEEK.

Il Carbon PEEK presenta proprietà meccaniche più elevate, quando messo a confronto con il PEEK. La sua resistenza alla trazione (UTS) può raggiungere fino a 138 MPa, rendendolo fino al 35% più resistente del PEEK e di alcune leghe di alluminio, come la lega Al 6063.

Anche il modulo di trazione del Carbon PEEK è molto alto, fino a 14 GPa. Questo spiega il suo comportamento fragile e la sua eccezionale tenacità. È più rigido del 76% rispetto al PEEK, anche perché il suo allungamento a rottura è dieci volte inferiore a quello del PEEK, quindi, quando sottoposto a sollecitazioni, non tenderà a deformarsi prima della rottura.

Il comportamento del PEEK caricato con fibra di carbonio ai carichi di compressione è impressionante: la sua resistenza alla compressione è di circa 229 MPa.

• Proprietà Termiche del Carbon PEEK

Il Carbon PEEK ha una conducibilità termica superiore rispetto al PEEK puro e quindi offre una maggiore stabilità alle alte e basse temperature, grazie al suo coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) inferiore.

• Proprietà Fisiche del Carbon PEEK

Il Carbon PEEK stampato in 3D è nero e quando è completamente cristallino, sembra leggermente più chiaro, con alcune sfumature grigio-blu. L'aggiunta di fibre di carbonio su una matrice PEEK non aumenta significativamente la sua densità: è solo 1,33 g / cm3. Uno dei parametri fisici che risentono maggiormente del rinforzo in carbonio è la resistività volumetrica: poiché le fibre di carbonio sono elettricamente conduttive, aumentano le proprietà elettriche della matrice PEEK isolata.
Le fibre di carbonio influenzano anche la durezza del materiale: è testato per essere 87 Shore D, rendendolo molto resistente e posizionandolo in cima alla scala di durezza Shore per i polimeri.
Oltre al PEEK, il Carbon PEEK è intrinsecamente ignifugo (UL94 V0 FST): difficilmente brucia e quando lo fa non produce fumi tossici, quindi il suo utilizzo è sicuro nelle applicazioni a rischio di incendio, ad esempio nell'industria energetica.

Potrebbe sembrare strano ma in generale il Carbon PEEK offre un basso attrito a secco, a causa delle proprietà autolubrificanti delle fibre di carbonio e della maggiore conduttività termica delle particelle: il calore non si localizza sulle superfici ma penetra in profondità. Pertanto, il coefficiente di attrito del PEEK rinforzato con fibra di carbonio è un terzo inferiore a quello del PEEK.

Nonostante questo, le fibre corte di carbonio all’interno dei compositi aumentano la rugosità: questi compositi possono graffiare i materiali con cui sono a contatto, quindi è necessaria cautela nell'applicazione a contatto con materiali più morbidi.

Le fibre di carbonio non sono soggette alla degradazione da raggi UV, quindi il Carbon PEEK è abbastanza resistente a questo tipo di radiazione così come a quelle ad alta intensità.
Le fibre di carbonio hanno una debole risposta diamagnetica in un campo magnetico statico. Pertanto, la fibra di carbonio può essere considerato un materiale magnetico-resistente. Per questo motivo, l'uso di Carbon PEEK è limitato nelle applicazioni magnetiche.

• Proprietà Chimiche del Carbon PEEK

Il Carbon PEEK può essere sottoposto a cicli in autoclave e sterilizzato ed è molto resistente all'idrolisi in acqua bollente e vapore surriscaldato, nonché a sostanze organiche, acidi e basi. Tali proprietà rendono questo materiale ideale per la produzione di stampi per laminazione della fibra di carbonio.
Più in generale, si può ritenere che il rinforzo in fibre di carbonio all'interno della matrice PEEK non vari significativamente l'eccezionale resistenza chimica del PEEK stesso. Per analizzare il comportamento chimico del Carbon PEEK, si possono consultare le tabelle di resistenza chimica.

PEEK vs PEEK caricato con fibra di carbonio: quando utilizzare uno o l’altro?

Il PEEK e il Carbon PEEK appartengono alla stessa famiglia; perciò, le loro proprietà sono molto simili. Dopo aver spiegato cos’è il PEEK, l’immagine in basso mostra le principali differenze tra PEEK e PEEK caricato con fibra di carbonio.

Sia il PEEK che il PEEK rinforzato con fibra di carbonio mostrano proprietà meccaniche, termiche e chimiche eccezionali. Quando preferire l’uno all’altro?

Ecco una breve guida alle principali applicazioni dove si consiglia di scegliere il Carbon PEEK o il PEEK:

• Le applicazioni con carichi molto elevati necessitano del Carbon PEEK, grazie alla sua eccellente resistenza a trazione fino a 138 MPa, rispetto al PEEK che raggiunge un massimo di 89 MPa.
• Nelle applicazioni magnetiche il PEEK è preferibile, a causa delle deboli proprietà diamagnetiche delle fibre di carbonio.
•  Nelle applicazioni in cui è richiesto un elevato isolamento elettrico o termico è consigliato l’utilizzo del PEEK: le fibre di carbonio all'interno del Carbon PEEK lo rendono più conduttivo.
• Le applicazioni che necessitano di deformazione prima della rottura (rottura duttile) dovrebbero utilizzare il PEEK grazie al suo maggiore allungamento a rottura. Il PEEK rinforzato con fibra di carbonio è più fragile e tende a rompersi senza deformarsi molto (rottura fragile).
• Quando le parti da stampare richiedono una rimozione intensiva del supporto, è preferibile il Carbon PEEK, perché i supporti sono più facili da rimuovere grazie alla fragilità del materiale, rispetto ai supporti in PEEK che hanno un comportamento più duttile.

Applicazioni del PEEK rinforzato con fibra di carbonio

Le straordinarie proprietà meccaniche, termiche e chimiche del Carbon PEEK ne consentono l'uso in un'ampia gamma di settori. Di seguito alcuni esempi di applicazioni del Carbon PEEK:

• Carbon PEEK per il settore Energy: la resistenza chimica è il punto più importante per le applicazioni Energy e Oil & Gas. La resistenza del Carbon PEEK agli agenti chimici, all'acqua di mare e agli acidi, insieme alla sua resistenza alle alte temperature, apre le porte ad applicazioni estreme.
• Carbon PEEK per l'industria aerospaziale e della difesa: le eccellenti proprietà meccaniche del Carbon PEEK consentono l'utilizzo di questo materiale come sostituto del metallo. La riduzione del peso utilizzando polimeri al posto dei metalli impatta notevolmente sui costi e sul carburante consumato durante il volo.
• Carbon PEEK per l'industria dei trasporti: l'efficienza della produzione è un punto chiave nell'industria automobilistica. Le proprietà meccaniche, termiche e chimiche di questo materiale, unite alla libertà di progettazione, consentono un'ottimizzazione più rapida dei processi di progettazione, test e produzione.

Stampa 3D del Carbon PEEK di Roboze

Le fibre di carbonio conferiscono al PEEK una maggiore stabilità dimensionale, diminuendone il ritiro dimensionale, abbassandolo fino allo 0,5%, riducendo quindi l'effetto di warping. Ciò si traduce in migliori tolleranze geometriche della parte stampata, soprattutto con la planarità delle superfici flat.
Anche se il Carbon PEEK è più facile da stampare, rispetto al PEEK, perché le fibre di carbonio stabilizzano il materiale anche a temperature più elevate, questo materiale necessita di una camera riscaldata per garantire che il gap termico non influenzi le proprietà della parte stampata, eliminando la necessità di un post-processing aggiuntivo come l’annealing: abbiamo già parlato di ciò di cui ha bisogno una stampante 3D per stampare il PEEK.

Infatti la stampa del Carbon PEEK con camera calda, porta alla massima cristallizzazione del polimero, con conseguenti migliori proprietà chimiche, termiche e meccaniche. Per non parlare dell'accuratezza e della ripetibilità ottenute con il flusso di calore omogeneo all'interno della camera riscaldata a bordo delle stampanti ARGO, progettata da Roboze: il processo di stampa 3D diventa sempre più preciso, permettendone l'utilizzo nelle applicazioni più estreme.
Proprio come il PEEK, il PEEK rinforzato con fibra di carbonio richiede una temperatura di estrusione molto elevata, fino a 450 °C. Da qui la necessità di un estrusore in grado di gestire fluidi ad alta viscosità, come l'estrusore HVP, progettato dal dipartimento di ricerca e sviluppo di Roboze.

La manifattura additiva è una delle poche tecnologie in grado di consentire l'allineamento delle fibre di carbonio nella direzione di estrusione. Questo grande vantaggio è la ragione delle proprietà meccaniche estremamente elevate del Carbon PEEK: l'allineamento delle fibre di carbonio ha anche un'influenza positiva sulla conducibilità elettrica del Carbon PEEK. Inoltre, a causa della sua altissima resistenza, le fibre di carbonio tendono a consumare rapidamente il nozzle, che generalmente deve essere sostituito più frequentemente rispetto all’utilizzo con materiali puri. L’estrusore HVP di Roboze è progettato per ridurre l'usura dell'ugello e dell'intero sistema di estrusione. La punta del nozzle è progettata in acciaio temprato con un rivestimento polifobico che ha lo scopo di ridurre l'usura, aumentandone la durata.

Essendo il Carbon PEEK più fragile del PEEK, il processo di post-stampa è semplificato in quanto i supporti possono essere rimossi più facilmente, nonostante la forza del materiale.