Verifica sperimentale sull’omogeneità delle proprietà meccaniche a compressione di PEEK e Carbon PEEK nel volume di stampa di ARGO 500
Il polietereterchetone (PEEK) è un polimero termoplastico aromatico semicristallino appartenente alla famiglia dei poliarileterechetoni (PAEK). Esso è in grado di connubiare ottime caratteristiche meccaniche ad un’eccezionale resistenza chimica, in un range di temperature estremamente ampio: dal criogenico (< 150°C) fino ad una temperatura di uso continuo di 250°C. Le proprietà peculiari di questo polimero (autolubrificazione, autoestinguenza, resistenza ad idrolisi, basso degasaggio e proprietà dielettriche) lo rendono il materiale di riferimento per molti settori industriali, dall’energy all’aerospaziale, dal medicale all’elettrico.
Date le sue caratteristiche chimico-fisiche, il PEEK è un polimero estremamente complesso da processare tramite tecnologia Fused Filament Fabrication (FFF) per via della sua viscosità, dell’elevata temperatura di fusione e della natura semi-cristallina. I polimeri semi-cristallini presentano domini cristallini all’interno di una matrice amorfa. Nel caso del PEEK, la fase cristallina può raggiungere valori dell’ordine del 40%. [1]
I componenti realizzati mediante tecnologia di manifattura additiva presentano una struttura caratterizzata da layers costituiti da filamenti contigui (raster) e cavità interstiziali (air gap).
L'adesione interfacciale tra i singoli filamenti adiacenti avviene tramite diffusione molecolare indotta dal calore. (Figura 1). La qualità del legame dipende dalla temperatura dell’ambiente circostante e dalle variazioni delle condizioni convettive all'interno della camera di lavoro.
Infatti, quando il filamento semi-fuso viene estruso attraverso l'ugello, durante la fase di raffreddamento, queste regioni ordinate mostrano una contrazione volumetrica maggiore rispetto alla componente amorfa ed un diverso rate di shirnkage a seconda delle dimensioni e forma dei singoli domini. Tali fenomeni comportano la formazione di tensioni residue durante il raffreddamento che possono provocare distorsioni, deformazioni, distacco del pezzo dal piano di stampa, debole forza di legame tra i singoli layers, alta porosità e riduzione della sezione su cui insiste il carico.
Per esercitare un controllo sul processo ed aumentarne la ripetibilità, l’ecosistema tecnologico Roboze Automate prevede una camera in acciaio Inox coibentata in grado di raggiungere una temperatura omogenea in tutto il volume di stampa (500x500x500 mm). L’utilizzo di un ambiente di lavoro termostato consente di ridurre la differenza di temperatura tra il materiale estruso (fino a 450°C) e l’ambiente esterno (fino a 180°C), rallentando il processo di raffreddamento e riducendo le forze di ritrazione e le tensioni residue all’interno del componente stampato.
Tensioni di compressione sono intrinsecamente presenti in molti sistemi ingegneristici sia a causa dell’applicazione di un carico compressione che insiste in maniera diretta sul componente, sia a causa dell’applicazione di carichi di impatto oppure di flessione. Un altro fenomeno direttamente correlato a carichi di compressione è il buckling, che limita gravemente l'efficienza dei sistemi portando ad un sottoutilizzo delle proprietà reali del materiale.
Quindi, il presente lavoro mira a esaminare l'effetto della variazione della posizione nel volume di stampa della Roboze ARGO 500 sulla resistenza alla compressione di campioni in PEEK e Carbon PEEK.
Lo studio è stato eseguito su una Roboze ARGO 500 (dimensioni: (X) 500 x (Y) 500 x (Z) 500 mm) alimentata con un filamento di diametro pari a 1,75 ± 0,05 mm. Tale filamento termoplastico è stato successivamente estruso attraverso un ugello di diametro 0,6 mm. Al fine di minimizzare la concentrazione di molecole di acqua adsorbite ed assorbite dal filamento a causa dell’esposizione all’ambiente atmosferico, prima di avviare il processo di stampa, entrambe le bobine di materiale polimerico sono state sottoposte ad un ciclo di essiccamento alla temperatura di 100°C per 12 ore in HT Dryer (Roboze SpA, Italia).
- Step 1: Progettazione del modello CAD
Il processo FFF consiste nell'estrusione e nella successiva deposizione di un filamento fuso di materiale polimerico. Il punto di partenza del processo è il modello CAD dell’oggetto progettato direttamente attraverso un software di modellazione solida. Le specifiche di progetto del modello CAD sono riassunte in Figura 3.
- Step 2: Generazione della mesh e allestimento del job di stampa
A seguito della progettazione del solido di interesse, per procedere alla stampa è necessario discretizzarne la superficie generando un file stereolitografico (*.stl). Questo formato usa una serie di triangoli interconnessi per ricreare la superficie geometrica del solido; il risultato del processo di discretizzazione prende il nome di "mesh".
Una volta generato il file *.stl, il software di slicing (Prometheus) permette di allestire il job di stampa selezionando quantitativo e posizionamento delle parti, disponendo le strutture di supporto e definendo i parametri di processo.
In funzione della loro posizione nel piano XY e lungo l’asse Z, ciascuna porzione di torre è stata identificata con un codice univoco. La nomenclatura utilizzata è rappresentata in maniera schematica in Figura 5.
- Step 3: Slicing e caricamento del file macchina
Una volta definito il job di stampa, il software di slicing applica i parametri selezionati generando una serie di istruzioni (*.gcode) compatibili con il linguaggio macchina previsto dalle stampanti.
Una volta fornito il file al dispositivo, è possibile procedere con la stampa del componente.
- Step 4: Costruzione per strati del pezzo
Il software della stampante legge il file *.gcode contenente le informazioni relative agli strati in cui il modello è stato suddiviso e guida la costruzione strato per strato del modello fisico. Il filamento di materiale termoplastico viene fuso con l'aiuto del calore, viene estruso attraverso un ugello di diametro ridotto e poi viene depositato strato per strato sulla piattaforma di stampa. A valle di questo processo sono state ottenute cinque torri in PEEK e cinque in Carbon PEEK.
- Step 5: Post trattamento
Una volta estratto dalla camera di costruzione, il job di stampa è stato rimosso dalla piattaforma di lavoro e le singole torri sono state sottoposte a processo di fresatura al fine di ricavare i provini necessari per la caratterizzazione meccanica. Per ciascuna torre sono stati ricavati provini di resistenza a compressione e di modulo a diverse quote. Le varie quote sono rappresentate in Figura 5 a.
In questo modo è stato possibile andare a mappare cinque differenti posizioni nel piano XY a tre diverse quote lungo la coordinata Z.
Le dimensioni caratteristiche dei provini sono di seguito riportate:
- Resistenza a compressione: (b) 12.7mm x (h) 12.7mm x (ℓ) 25.4mm;
- Modulo a compressione: (b) 12.7mm x (h) 12.7mm x (ℓ) 50.8mm
Tutti i campioni sono stati testati tramite una macchina di prova universale (Zwick/Roell Z020, Germania) secondo la normativa ASTM D695-15.
Prima di procedere con il test, i campioni sono stati condizionati a 23±2°C e 50±5 % di umidità relativa per 40 ore. Successivamente si è proceduto a misurare mediante calibro digitale centesimale (Mitutoyo Corp, Giappone) la larghezza (h) e lo spessore (b) del campione in diversi punti della sua lunghezza, calcolando il valore minimo della sezione trasversale (A). I valor medio delle singole dimensioni caratteristiche misurate sui campioni realizzati in Carbon PEEK e PEEK sono riassunti nella tabella seguente.
| Tipologia provino | h [mm] | b [mm] | A [mm²] |
|---|---|---|---|
| CPEEK Modulo di elasticità | 12,71 ± 0,03 | 12,64 ± 0,27 | 160,87 ± 3,48 |
| CPEEK Stress massimo a compressione | 12,72 ± 0,20 | 12,72± 0,31 | 161,87± 4,26 |
| PEEK Modulo di elasticità | 12,73± 0,07 | 12,72 ± 0,05 | 161,80 ± 1,42 |
| PEEK Stress massimo a compressione | 12,82 ± 0,02 | 12,80 ± 0,05 | 164,13 ± 0,81 |
Di seguito si è proceduto a posizionare il provino tra le superfici dello strumento di compressione, in modo tale che l’asse di simmetria del campione coincida con l’asse del pistone, assicurandosi che le estremità del provino risultino parallele alla superficie dello strumento di compressione. Si è dunque avviata la prova con velocità del test fissata a 1,3 mm/min.
L’andamento tipico di una curva sforzo-deformazione per il Carbon PEEK è di seguito riportata:
Fatto salvo l’iniziale toe region AC (tipico artefatto di misura non rappresenta una proprietà del materiale), il Carbon PEEK mostra comportamento Hookeiano (lineare). Il punto di intersezione (C) tra l’asse delle ascisse ed il prolungamento del tratto lineare (BD) è il punto di origine corretto sull'asse delle ascisse a partire dal quale sono stati misurate tutte le deformazioni.
La sintesi dei risultati sperimentali per i provini in Carbon PEEK è rappresentata in tabella:
| Materiale | Ec [GPa] | σM [MPa] |
|---|---|---|
| Carbon PEEK | 4,8 ± 0,2 | 207 ± 8 |
Il grafico sottostante illustra una panoramica dei risultati sperimentali. Sulle ordinate è possibile leggere i valori di stress massimo a compressione espressi in MPa, mentre in ascisse è indicata la coordinata Z a cui i singoli campioni sono stati fresati (nota: Z=1 è la posizione più vicina al piano di stampa). Con un opportuno codice colore, invece, si è indicata la posizione nel piano XY dei singoli provini, come possibile evincere dalla legenda di Figura 9.
L’analisi dei dati evidenzia come la maggior parte dei provini analizzati manifesti valori di resistenza a compressione in media pari a 207±8 MPa, con picchi di 215 MPa. La dispersione statistica dei dati risulta essere estremamente ridotta lungo la coordinata Z e nel piano XY. Andamento similare è quello osservato per il modulo elastico (Figura 10).
Importante notare come, prendendo a riferimento il TECAPEEK ® CF30, avente 3,4 GPa di modulo [2], la risposta del modulo a compressione del Carbon PEEK processato con ecosistema tecnologico Roboze risulti essere il 29% superiore.
Per quanto concerne i provini in PEEK, un esempio caratteristico di curva sforzo-deformazione è di seguito riportato.
Anche in questo caso è evidente il comportamento Hookeiano del materiale, tuttavia il coefficiente angolare è minore data la minore rigidità intrinseca del polimero vergine rispetto al composito. Per l’interpretazione della curva valgono dunque le stesse considerazioni fatte precedentemente per il Carbon PEEK.
| Materiale | Ec [GPa] | σM @ 20% [MPa] |
|---|---|---|
| PEEK | 4,0 ± 0,2 | 134 ± 2 |
Come è possibile evincere dai grafici seguenti, il modulo elastico a compressione del PEEK si mantiene costante, salvo minime oscillazioni, al variare della posizione spaziale all’interno della camera di lavoro, assestandosi ad un valor medio di 4,0 ± 0,2 GPa.
Importante sottolineare come tale valore risulti essere perfettamente in linea con i dati di un campione di Solvay KT-820 NT realizzato tramite Injection Molding (4,1 GPa) [3]
Eccellenti anche i risultati di resistenza a compressione. A differenza di quanto osservato per il Carbon PEEK, data la loro natura duttile, i provini in PEEK non presentano rottura durante il test. Al 20% di deformazione, il valor medio di resistenza a compressione si assesta a 134 ± 2 MPa. Il basso valore di scarto quadratico medio testimonia l’eccezionale stabilità delle proprietà meccaniche nell’intero volume di stampa.
Lo studio si poneva come obiettivo la valutazione delle proprietà meccaniche di compressione di provini in PEEK e Carbon PEEK all’interno del volume di stampa di una ARGO 500 al fine di valutare l’indipendenza di tali proprietà meccaniche dalla posizione sul piano XY e la quota lungo l’asse Z di costruzione del pezzo. A valle dei risultati ottenuti è possibile concludere che tale obiettivo è stato raggiunto, in quanto i campioni stampati mostrano proprietà di resistenza e modulo invarianti con la posizione, salvo leggere oscillazioni. Infatti, in tutti i casi la dispersione statistica dei dati non si discosta mai più del 5% dal valor medio misurato. In particolare, andrebbe inoltre sottolineato come i valori di modulo registrati risultano essere maggiori (nel caso del Carbon PEEK) o paragonabili (nel caso del PEEK) ai valori presenti in letteratura di equivalenti campioni realizzati tramite tecnologia Injection Molding.