Stampa 3D del PEEK: cos'è il PEEK e a cosa serve?
Cosa è il PEEK?
Il polietere etere chetone (PEEK) è un polimero termoplastico organico semicristallino ad alte prestazioni che appartiene alla famiglia dei poliarileterchetoni (PAEK). Cosa significa PEEK?
Vediamolo in dettaglio.
Il PEEK è un polimero?
Il PEEK (Polyetheretherketone) è un polimero termoplastico organico incolore, anche se quando viene stampato ha un colore beige-marrone (nella sua versione rinforzata in carbonio è nero). I polimeri sono sostanze o materiali costituiti da macromolecole composte da più subunità ripetute, chiamate monomeri. La forza molecolare dei monomeri ripetuti di due gruppi etere e un gruppo chetone che compongono il PEEK, gli conferiscono delle proprietà eccezionali. L'alta stabilità termica del PEEK è fornita dai gruppi difenilene chetone, che conferiscono anche un'alta resistenza meccanica e all'ossidazione. La flessibilità della catena dorsale del polimero è fornita dai legami etere.
Ecco alcune proprietà chimiche del polimero PEEK:
- Il Peek è un composto organico?
In chimica, i composti organici sono generalmente tutti i composti chimici che contengono legami carbonio-idrogeno. Quasi tutti i composti plastici usati oggi sono organici, costituiti da molecole molto grandi fatte da lunghe catene di atomi di carbonio. Per esempio, il polietilene (PE) è un polimero organico con ogni atomo di carbonio legato a due atomi di idrogeno.
- Famiglia di polimeri
Il PEEK appartiene alla famiglia di polimeri PAEK (famiglia di polimeri poliarileterchetoni) che comprende PEK, PEEK, PEEKK, PEKK, PEKEKK e altri. La famiglia PAEK è caratterizzata da una stabilità alle alte temperature e da un'elevata resistenza meccanica. Tra i membri, il PEEK è il materiale più utilizzato per la stampa 3D e viene prodotto in larga scala, anche poichè è facile da lavorare a macchina, grazie al suo comportamento simile ai metalli.
I polimeri termoplastici diventano malleabili o modellabili ad una certa temperatura elevata e si solidificano quando si raffreddano. Quando le temperature più alte indeboliscono le catene polimeriche, la termoplastica diventa un liquido viscoso che può essere facilmente rimodellato e lavorato con diverse tecniche di produzione come lo stampaggio a iniezione, lo stampaggio a compressione e l'estrusione. Il poliestere (PL) insieme al nylon (PA) e al cloruro di polivinile (PVC) sono tra i noti polimeri termoplastici.
Il PEEK cambia il suo stato da vetroso a viscoelastico a 143°C, resistendo fino a 250°C, degradandosi lentamente fino a fondere a 343°C. Questi valori aiutano a definire la temperatura di lavorazione e sembrano essere significativamente più alti delle plastiche comunemente usate come l'ABS o il PET.
- Qual è la morfologia del PEEK?
Il PEEK è un materiale semicristallino. Ciò significa che è opaco e mostra notevoli miglioramenti nella forza e nella rigidità, con elevate prestazioni ad alte temperature e una resistenza chimica superiore. Se raffreddato troppo rapidamente, il PEEK può diventare amorfo, mostrando aree traslucide-marroni. Il PEEK amorfo ha proprietà meccaniche, termiche e chimiche inferiori. Il PEEK stampato in 3D da Roboze ha un grado molto alto di cristallinità, che si traduce in performance migliori.
Struttura chimica e proprietà del PEEK
Il PEEK offre una straordinaria combinazione di proprietà meccaniche, resistenza agli agenti chimici, usura, fatica e scorrimento, oltre ad un’eccezionale resistenza alle alte temperature. Esso presenta anche una buona resistenza alla combustione e buone performance dielettriche.
Quando le applicazioni diventano più impegnative, il PEEK puro potrebbe non essere ancora abbastanza resistente. Per migliorarne le proprietà, il PEEK può essere rinforzato in diverse percentuali con vari elementi, come fibre di carbonio, vetro e altro. Il PEEK vergine è incolore mentre il PEEK rinforzato con fibra di carbonio ha un colore tendente al nero. Sia la versione pura che quella rinforzata di questo polimero sono utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni in tutti i settori industriali.
Tabella delle proprietà del PEEK per la stampa 3D
Le principali proprietà delle parti stampate in PEEK sono elencate nella tabella in basso.
Tabella 1: Technical Data Sheet (TDS) del PEEK stampato da Roboze
| Metodo di test | Valori | |
|---|---|---|
| PROPRIETA’ MECCANICHE DEL PEEK | ||
| Carico di rottura | ASTM D638 | XY 86 MPa - XZ 89 MPa |
| Modulo elastico | ASTM D638 | XY 3.3 GPa - XZ 3.4 GPa |
| Resistenza a flessione | ASTM D790 | 120 MPa |
| Modulo di resistenza a flessione | ASTM D790 | 3.5 GPa |
| PROPRIETA’ TERMICHE DEL PEEK | ||
| Temperatura di uso continuo | ASTM D3045 | 250°c |
| Temperatura di fusione | ASTM D3418 | 343°c |
| HDT @1.82 MPa | ASTM D648 | 150°c |
| Temperatura di transizione vetrosa | ASTM D3418 | 143°c |
| Conduttività termica | 0.43 W/m*K | |
| Temperatura minima d’utilizzo | -70°c | |
| PROPRIETA’ FISICHE DEL PEEK | ||
| Densità | ASTM D570 | 1.29 g/cm3 |
| Assorbimento dell'acqua | ASTM D792 | <0.45°c |
| Assorbimento dell'umidità | ASTM D570 | 150°c |
| Temperatura di transizione vetrosa | ASTM D3418 | <0.10°c |
| Classificazione di autoestinguenza UL 94 | UL 94 | V0 (@1.5 mm, @1.3 mm) |
| Resistività volumetrica @23°C | ASTM D257 | 1016 Ohm*cm |
| Durezza | ISO 868 | 87 Shore D |
| Costante dielettrica | 3.2-3.3 (@ 50Hz-10kHz) | |
| Coefficiente di attrito | Basso | |
| Caratteristiche | Autolubrificante | |
Proprietà fisico-chimiche del PEEK
Il PEEK appartiene ai polimeri ad alte prestazioni. La combinazione tra forza meccanica, resistenza alle alte temperature e resistenza chimica, lo rendono il materiale più scelto per ambienti difficili. Controlliamo le sue proprietà in dettaglio.
- Proprietà meccaniche del PEEK
Il PEEK ha proprietà meccaniche molto elevate, rispetto ad altri polimeri termoplastici. Il PEEK non rinforzato può raggiungere una Resistenza a trazione (UTS) fino a 89 MPa, con un modulo di trazione di 3,3 GPa. Rinforzarlo con fibre di carbonio ne aumenta significativamente le prestazioni meccaniche, elevando l'UTS fino a 120 MPa.
Il PEEK puro ha anche un ottimo comportamento alla flessione, con una resistenza fino a 120 MPa e un modulo fino a 3,5 GPa.
- Proprietà termiche del PEEK
Sebbene la resistenza delle plastiche alle alte temperature sia ancora considerata inferiore rispetto a quella dei metalli, il PEEK dà motivo di ricredersi.
Il punto di fusione del PEEK viene raggiunto a 343 ° C. La sua stabilità termica è fornita dal gruppo chetone, che conferisce inoltre un'elevata resistenza all'ossidazione. Di conseguenza, il polietere etere chetone mantiene inalterate le sue proprietà meccaniche fino a 150 ° C (Tg, Temperatura di Transizione Vetrosa) e può essere utilizzato a temperature fino a 250 ° C (Temperatura di Uso Continuo).
Inoltre, la bassa tendenza allo scorrimento viscoso (creep) e le buone proprietà di scorrimento e resistenza all’usura vengono mantenute in un ampio intervallo di temperature grazie alla natura semicristallina di questo polimero.
- Proprietà fisiche PEEK
Sarebbe lecito domandarsi quanto un polimero ad alte temperature sia sicuro in termini di tossicità e infiammabilità. La risposta in questo caso è decisamente positiva: il PEEK naturale non contiene sostanze chimiche tossiche note, è un ritardante di fiamma (UL94 V0) e un materiale conforme ai livelli FTS (fiamma, fumo, tossicità). Ciò significa che il polimero mostra una buona resistenza alla combustione e, quando brucia, produce meno gas tossici e densi rispetto a molti altri polimeri ad alte prestazioni. Queste caratteristiche sono fondamentali per motivi di sicurezza quando si tratta di elettronica di potenza e applicazioni nell’industria del trasporto. Le eccellenti proprietà di isolamento termico ed elettrico del PEEK lo rendono ideale per applicazioni elettroniche.
Il PEEK mostra solo una moderata resistenza agli agenti atmosferici a causa dell’impatto negativo dei raggi UV. La resistenza ai raggi β, ? e X è invece molto buona.
Il PEEK è particolarmente adatto per applicazioni tribologiche grazie al suo bassissimo coefficiente di attrito. Il Functional Nylon (PA6) e il TPU sono noti per essere materiali con un basso coefficiente di attrito, ma i valori indicano che il PEEK garantisce prestazioni migliori.
- Proprietà chimiche del PEEK
Vorresti provare a distruggere un componente in PEEK? Non sarebbe facile, poiché esso è noto per la sua eccellente resistenza chimica a molti prodotti chimici organici e inorganici e per la sua eccezionale resistenza all'idrolisi in acqua calda.
Il PEEK è praticamente insolubile in tutti i comuni solventi a temperatura ambiente, ad eccezione di alcuni acidi forti come l'acido solforico al 95% e l'acido fluoridrico.
Sebbene il PTFE sia l'unico polimero con assorbimento d'acqua pari a zero, esiste un ampio numero di materie plastiche con assorbimento d'acqua molto basso, come PEEK, PEI (Ultem®), PP, PPS, PSU, PPSU, PVDF, PET, PPE e PE. Tra i polimeri a basso assorbimento d'acqua ci sono PC, ABS, PA12 e POM.
Grazie al suo basso livello di assorbimento di acqua e umidità, il PEEK è spesso sottoposto a processi in autoclave e può essere sterilizzato.
A differenza di altre plastiche come PP, PC, HDPE, Viton® e Delrin®, può resistere a un vasto numero di sostanze chimiche aggressive senza alcuna degradazione: ad esempio, ozono, acido peracetico (PAA) e nitrato di ammonio (NH4NO3).
Vuoi assicurarti che il PEEK sia il materiale perfetto per la tua applicazione a contatto con prodotti chimici aggressivi? Verificalo nella tabella in basso!
Tabella di compatibilità chimica del PEEK
Codici dei grafici
- R - Resistente
- LR - Resistenza limitata
- NR - Non raccomandato
- ND - Nessun dato
| Sostanza Chimica | Resistenza | ||
|---|---|---|---|
| 20°C/68°F | 60°C/140°F | 100°C/212°F | |
| Acetilene | R | R | R |
| Acetone | R | R | R |
| Acidi grassi (>C6) | R | R | R |
| Acido carbonico | R | R | R |
| Acido cianidrico | R | R | R |
| Acido cloridrico (10%) | R | R | R |
| Acido cloridrico (concentrato) | R | R | ND |
| Acido fluoridrico | NR | NR | NR |
| Acido fosforico (20%) | R | R | R |
| Acido fosforico (50%) | R | R | R |
| Acido fosforico (95%) | R | R | R |
| Acido lattico (90%) | R | R | R |
| Acido nitrico (<25%) | R | R | R |
| Acido nitrico (50%) | R | R | R |
| Acido nitrico (90%) | NR | NR | NR |
| Acido nitrico (fumo) | NR | NR | NR |
| Acido solforico (<50%) | R | ND | ND |
| Acido solforico (70%) | R | R | R |
| Acido solforico (95%) | NR | NR | NR |
| Acqua di mare | R | R | R |
| Acqua distillata | R | R | R |
| Acqua dolce | R | R | R |
| Acqua dura | R | R | R |
| Alcol | R | R | R |
| Ammoniaca acquosa | R | R | R |
| Aria umida | R | R | R |
| Benzene | R | R | R |
| Carbonato di sodio | R | R | R |
| Cicloesano | R | R | R |
| Clorobenzene | R | R | R |
| Cloruro ferrico | R | R | R |
| Detergenti, sintetici | R | R | R |
| Esteri alifatici | R | R | R |
| Etere | R | R | R |
| Fluidi in silicone | R | R | R |
| Formaldeide (40%) | R | R | R |
| Fumi acidi | R | R | R |
| Glicole etilenico | R | R | R |
| Ipocloriti (Na 12-14%) | NR | NR | NR |
| Mercurio | R | R | R |
| Metanolo | R | R | R |
| Naftalene | R | R | R |
| Nitrato d'argento | R | R | R |
| Oli essenziali | R | R | R |
| Oli, diesel | R | ND | ND |
| Oli, minerali | R | R | R |
| Oli, vegetali e animali | R | R | R |
| Ozono | R | R | R |
| Perossido di idrogeno (30 - 90%) | R | R | ND |
| Perossido di idrogeno (30%) | R | R | R |
| Prodotti lattiero-caseari | R | R | R |
| Sali di nichel | R | R | R |
| Sali di rame (la maggior parte) | R | R | R |
| Soda caustica e potassa | R | R | R |
| Solfati (Na, K, Mg, Ca) | R | R | R |
| Solfiti | R | R | R |
| Solfuro di idrogeno | R | R | R |
| Solventi aromatici | R | R | R |
| Urea (30%) | R | R | R |
PEEK: la stampa 3D Roboze
Grazie alle straordinarie proprietà del PEEK, utilizzare una stampante 3D con questo polimero potrebbe essere molto complesso. Il problema principale è rappresentato dalla sua alta viscosità. Inoltre, sono necessarie alte temperature per estrudere questo filamento e questo crea alti stress termici quando si raffredda fino a temperatura ambiente.
Roboze è stata in grado di implementare il PEEK e i suoi compositi nelle sue stampanti 3D industriali Argo, utilizzando specifiche innovazioni presenti sulle macchine che permettono di soddisfare pienamente i requisiti richiesti da un materiale così problematico.
La prima implementazione sulle stampanti Argo è l'estrusore HVP. Questo sistema di estrusione è stato progettato dal dipartimento R&S di Roboze per ridurre l'attrito nei canali interni, permettendo la stampa di materiali ad alta viscosità senza difficoltà.
La seconda caratteristica è la camera calda: assicura un flusso termico omogeneo su tutto il volume di stampa, in modo da avere una temperatura uniforme di 180°C. Garantisce un perfetto raffreddamento del filamento dopo l'estrusione a 450°C.
Inoltre, la camera calda è un elemento cruciale per l'ottimizzazione dei processi di produzione: riduce le fasi di post-produzione, come l’annealing, diminuendo i costi e i tempi per ottenere la parte finale. Tuttavia, questa caratteristica da sola non sarebbe sufficiente per ottenere una stampa 3D di alta qualità: precisione, accuratezza e ripetibilità sono ancora fattori chiave per il successo dell'Additive Manufacturing.
Questa è la ragione per cui è stato necessario implementare altre innovazioni sui sistemi di produzione Argo: il sistema Beltless di stampa 3D, la calibrazione automatica dell'asse Z e il livellamento automatico del piano.
L'alto livello di cristallinità e le eccezionali proprietà meccaniche dei componenti stampati in 3D aprono la strada ad applicazioni di successo.
Applicazioni e usi del PEEK: a cosa serve il PEEK?
Alta resistenza meccanica, resistenza alle alte temperature e alta inerzia chimica: grazie alle sue proprietà, il PEEK viene utilizzato per applicazioni in molteplici settori. Di seguito alcuni esempi di applicazioni e usi del PEEK:
- PEEK per l'industria Energy e Oil&Gas: in ambienti in cui sono coinvolti diversi fluidi, dai carburanti ai prodotti chimici, il PEEK può fornire numerosi vantaggi. Nel settore Oil&Gas e dell'Energy, il PEEK è il candidato perfetto per resistere ad ambienti difficili, presentando buone proprietà meccaniche.
- PEEK per l'industria Aerospace and Defence: grazie alle alte prestazioni del PEEK, il suo uso è stato ampiamente approvato, in primis per le opportunità Metal Replacement. Essendo un polimero con proprietà simili ai metalli, permette riduzioni di peso importanti con conseguente riduzione dei combustibili consumati e delle emissioni rilasciate. Per non parlare della flessibilità del processo di produzione e delle geometrie complesse che possibili tramite l’Additive Manufacturing.
- PEEK per l'industria dei trasporti: l'industria legata alla mobilità su rotaie e strade sta mostrando grande interesse per il PEEK, per la sua resistenza a contatto con calore, vibrazioni, carburanti, grassi e sporco. Grazie alle sue proprietà, sempre più settori industriali considerano il PEEK come un possibile modo per ottimizzare i loro processi, aumentando l'efficienza della produzione.
#PrintStrongLikeMetal #OnDemand