مقالات

فیلامنت PEEK چیست؟

پلی‌اتراترکتون یا PEEK که به صورت گسترده در فرایند­های ساخت سنتی استفاده می­شود را می­توان پرینت سه­ بعدی کرد.

PEEK یک پلیمر ترموپلاستیک آلی است که ترکیب جذابی از خواص مکانیکی شامل عملکرد در دما بالا، استحکام مکانیکی و مقاومت شیمیایی عالی دارد.

این ویژگی، آن را تبدیل به ماده­ ای زیست­ پذیر برای استفاده در تکنولوژی­ های مختلف ساخت افزایشی (AM) می­کند. در دنیای سنتی ساخت، قطعات برپایه PEEK در صنایع متعددی استفاده می­شود و بر حوزه ­هایی که برای فلزات مدنظر بود، درحال غلبه است.

شرکت بریتانیایی امپراتوری صنایع شیمیایی (ICI)، Polyetheretherketone (PEEK) را در دهه 1980 معرفی کرد. این ماده در شکل اصلی آن، نیمه بلوری، پلیمر با خلوص بالا حاوی مونومرهای تکرارشونده دو گروه اتر و یک گروه کتون است.

پلی‌اتراترکتون (Polyether etherketone) یا پیک (PEEK) یک بسپار حلقوی و نیمه‌بلوری است.

PEEK در کنار دیگر اعضا مثل PEK، PEEKK، PEKK یا PEKEKK به خانواده پلی­کتون پلیمرها (PAEK) تعلق دارد. با این حال از خویشاوندان خود به علت خواص برجسته و زمینه گسترده کاربرد، پیشی می­گیرد و آن را تبدیل به بیشترین ماده مصرفی در آن گروه خاص پلیمرها می­کند.

اگر علاقه دارید، این مرور پژوهشی روی عملکرد PEEK همراه با لیست اطلاعات خواص شیمایی را توصیه می­کنیم.

در غیر این صورت بیایید نگاهی به برخی از مشهورترین جنبه ­های PEEK بیندازیم.

معرفی خواص PEEK

فیلامنت PEEK چندین ویژگی تحمیل­ کننده مخصوصا در تولید نمونه ­های اولیه و قطعات دارد. موارد زیر خلاصه­ ای از مهم­ترین صفات آن است:

• مقاومت عالی در برابر دماهای بالا تا 260 ^oC (480 ^oF) به علاوه سیال ­ها و گازهای خورنده و فشار بالا
• نامحلول در حلال ­های متداول، از هیدرولیز آن جلوگیری می­کند و اجازه استفاده بدون هیچ گونه تخریب ناشی از آب یا بخار با فشار بالا به آن می­دهد
• سبک وزن: PEEK ذاتا وزن مخصوص کمی 3 g/cm³ کمتر از نصف آلومینیوم و یک ششم فولاد دارد
• توانایی خود روانکاری بالا و اصطکاک کم
• مقاومت خزشی عالی
• فرسایش خیلی کم
• پایداری ابعادی خوب
• اشتعال­ پذیری کم و انتشار دود کم هنگام احتراق
• خواص عایقی استثنائی
• مقاومت گندزدایی عالی در دمای بالا
• کاملا زیست ­سازگار

برخی از این خواص مقاومتی را می­توان با ترکیب کردن PEEK با مواد کامپوزیتی مثل فیبر شیشه، گرافیت، مولیبدن دی­ سولفید و تقویت ­کننده ­های کربنی، افزایش بیشتری داد.

محدودیت­ های PEEK کدامند؟

متاسفانه مشابه تمامی مواد موجود در قلمرو ساخت افزایشی، PEEK نیز محدودیت ­هایی دارد.

برای شروع، PEEK باید در دماهای خیلی بالا پردازش شود. نقطه ذوب PEEK 343 ^oC (649.4 ^oF) است.

در بحث مقاومت شیمیایی، PEEK برای مقاومت در برابر کلر/برم، گوگرد تغلیظ­شده و اسید نیتریک به علاوه کتئون ­ها و نیتروبنزن با مشکل مواجه است. PEEK توسط هالوژن و سدیم نیز مورد حمله قرار می­گیرد و کاربرد آن در برخی زمینه­ های صنعتی محدود می­شود.

به علاوه PEEK مقاومت کمی در برابر نور UV دارد. این را می­توان با افزودن لایه ­ای از رنگدانه که از ذرات دوده مخصوص تشکیل شده است، برطرف کرد. دانه ­های پرشده از کربن، پایداری بهبودیافته UV را فراهم می­کند و می­تواند در کاربردهای مشخص که نیازمند مقاومت UV بالاتری هستند، استفاده شود.

در مجموع مزایا و احتمالات فنی بر محدودیت­های این ماده غلبه دارد و زمینه گسترده­ای از کاربردها برای استفاده از مواد و قطعات برپایه PEEK و یا حتی جایگزینی مواد مرسوم مثل فلز یا آلومینیوم وجود دارد.

کاربردهای متداول PEEK

PEEK به علت خواص جذابش، به صورت گسترده در صنایعی مثل خودروسازی، هوافضا، پزشکی و مهندسی برق استفاده می­شود. بیایید نگاهی دقیق­تر به برخی کاربردهای بیندازیم.

هوافضا

صنعت هوافضا نیازمند مواد ایمن و قابل اعتماد است. PEEK خواص عالی خود را حتی هنگام قرارگیری در دماهای بالا و سوخت­های پرفشار حفظ می­کند. همچنین ضریب اصطکاک کم PEEK در برابر فلوئوروپلاستیک ­ها، آن را برای پردازش در قطعات کوچک مناسب می­کند.

استفاده از قطعات برپایه PEEK به علت مقاومت عالی آن در برابر فرسایش باران در محدوده قطعات بیرونی است. به علاوه با کاهش خطر در هنگام آتش ­سوزی به علت دود و انتشار گاز سمی کم آن و ایجاد تاخیر در اشتعال، کاربرد داخلی نیز دارد.

در مجموع Polyetheretherketone در حال جانشین شدن بیشتر و بیشتر قطعات آلومینیومی و فلزی مثل گیره ­ها، لوله ­های فشار بالا و لوله ­گذاری سیم برق در هواپیما است. این کار منجر به ذخیره وزن تا 70% و کاهش شدید هزینه­ های سوختی می­شود. برای مثال کاهش وزن هواپیما تنها به اندازه 45 kg در یک ناوگان هوایی 500 عددی، می­تواند منجر به پس­انداز تا 5000000 دلار هزینه سوخت سالانه می­شود.

خودروسازی

PEEK ویژگی­هایی مانند خواص مقاومت خستگی و شیمیایی عالی دارد و بنابراین در سیستم ­های مدیریت سوخت ماشین استفاده می­شود. PEEK به علت سبکی، درحال جایگزین شدن قطعات فلزی یا آلومینیومی فعال و متنوع مورد استفاده در جعبه دنده، ترمز و سیستم­ های تهویه هوا است. این می­تواند شامل واحدهای پیستون، درزها، واشرها یا یاتاقان ­ها می­شود که منجر به کاهش وزن و صدا می­شود.

به علاوه قطعات سفارشی پرینت سه ­بعدی قدیمی­ ها، یک بخش در حال رشد سریع است. آنها می­توانند تا 90% کمتر از قطعات اصلی قیمت داشته باشند درحالی که اگر هنوز در دسترس باشند یا به روش قدیمی ساخته شوند.

الکتریکی

خواص الکتریکی عالی PEEK آن را تبدیل به یک عایق الکتریکی ایده ­آل کردن است. قطعات پلیمری PEEK با خواص حرارتی برجسته قادر به تحمل دماهای است که عایق ­های سنتی ممکن است بسوزند. این و اعتماد به عملکرد طولانی مدت PEEK به علاوه دوام در برابر دما، فشار و تکرار باعث استفاده آن در میخ­های اتصال در تجهیزات کنترل محیط زیر دریا یا پمپ ­های آب با فشار بالا می­شود.

به علاوه PEEK در دستگاه­ های موبایل نیز استفاده می­شود. جست و جو برای موبایل­ های نازک­تر، سبک­تر و باهوش­تر باعث حضور قطعات برپایه PEEK در ساخت مواد برای مثال غشای نازک برای اسپیکر موبایل یا ایرپادها شده است.

پزشکی

PEEK در زمینه پزشکی نیز قطعات نوآورانه و مقرون به صرفه با مقاومت سایشی، حرارتی، الکتریکی و شیمیایی عالی فراهم می­کند. کاربرد آن در بهداشت و درمان عموما شامل تجهیزات دندان­پزشکی، اندوسکوپ­ ها، دستگاه دیالیز و ارتوپدی است.

PEEK به علت سبک­تر بودن از آلومینیوم مخصوصا وقتی پرینت سه ­بعدی شده باشد، اجازه سطح دقت جدیدی در اندام مصنوعی یا ایمپلنت صحیح از نظر آناتومی که برای نیاز هر فرد به صورت خصوصی طراحی شده باشد را می­دهد. درحالی که این بخش نوپاست اما پتانسیل رشد بالایی دارد.

PEEK در دندان­پزشکی برای جانشینی دسته­ های فلزی روی سرنگ یا جعبه ­های ضدعفونی برای مجرای ریشه به عنوان مثال استفاده می­شود. PEEK در اینجا مناسب است چون که پلیمر می­تواند تا 3000 چرخه ضدعفونی اتوکلاو –معمولا در 130 ^oC- را تحمل کند و استحکام مکانیکی و پایداری هیدرولیزی عالی در آب داغ، بخار آب، حلال­ها یا مواد شیمیایی حفظ کند.

PEI/ULTEM – یک جایگزین برای PEEK

با اینکه تقاضا برای قطعات برپایه PEEK در صنایع مختلفی مثل نظامی، دارویی، پتروشیمی یا بسته­بندی غذایی به شکل نمایی درحال رشد است، قیمت بالای آن، آن را از دستان غیرصنعتی دور می­کند. خوشبختانه برای هر ماده یک جایگزین وجود دارد:

ULTEM – یکی از مشتقات Polyetherimide (pei)

پلی­ اتر­ایمید (PEI) یک ترموپلاستیک آمورف و شفاف کهربایی است. با اینکه هر دو ماده PEEK و PEI مقاومت در برابر دمای بالای یکسانی دارند، از خانواده ­های ترموپلاستیک مختلفی هستند. PEEK یک خانواده پلاستیک متنوع دارد اما PEI کتون در ساختار مولکولی ندارد. برای تحلیل کامل خواص این مواد، این مقاله عمیق مقایسه PEEK و PEI را ببینید.

بخش پلاستیک­ های GE در سال 1982 PEI را فرمول­بندی کرد. در سال 2007 SABIC آن را برای استفاده تهیه کرد. هیچ عضو خانواده اصلی جز ULTEM و مشتقات آن ندارد که عموما ارزان­تر هستند اما خواص متنوعی مثل استحکام ضربه ­ای اندکی و دمای قابل استفاده کمتر نیز دارند.

با اینکه ممکن است برای شرایط سخت کمتر قابل استفاده به نظر بیاید، SABIC سازنده ULTEM چندین گواهی هوافضا دریافت کرده است و با پرینت سه ­بعدی قابلیت کار قطعات پلاستیکی در هواپیماهای تجاری را دارد.

مواد برپایه PEI تحت این نام تجاری، توسط تعدادی از سازندگان مثل SABIC (Ultem)، Ensinger (Tecapei)، RTP (RTP PEI) یا Quadrant (Duratron) فروخته می­شوند.

نکات پرینت سه­ بعدی PEEK

اکنون که مروری جامع بر PEEK و PEI داشتید، شاید بخواهید با آن پرینت سه بعدی کنید.

اینها چند نکته و ترفند اساسی هستند که برای پرینت PEEK و PEI مدنظر داشته باشید:

دمای ثابت

PEEK/PEI تحت دماهای نوسانی و ناپایدار به خوبی عمل نمی­کنند. بنابراین یک پرینتر با محفظه بسته اگر ضروری نباشد، شدیدا توصیه می­شود. برای گرفتن بهترین نتایج هنگام پرینت سه­ بعدی PEEK/PEI توصیه می­کنیم پرینتر سه بعدی را در محیطی قرار دهید که دستخوش کمترین تغییرات دمایی باشد و از مناطق تابش و تکرار خورشید دور باشد.

مراقب خال­ ها باشید

برخی اوقات مصرف ­کنندگان خال­ های سیاهی را هنگام پرینت با PEEK/PEI تجربه می­کنند. با اینکه ممکن است علت­ های زیادی داشته باشد، متداول­ ترین توضیح ناخالصی در ماده پرینت استفاده­ شده است یا پرینتر سه­ بعدی در پردازش دماهای مورد نیاز دچار مشکل است.

نازل را تمیز نگه دارید

همیشه باید نازل را بعد از تکمیل فرایند پرینت تمیز کنید. تمام مواد باقیمانده باید از نازل حذف شود یا ممکن است مسدود شود و نهایتا منجر به ایجاد خال­ ها (که بالا گفته شد) شود.

مراقب تبلور باشید

برخی اوقات هنگام پرینت با مواد PEEK/PEI تبلور نابجا ممکن است رخ دهد. اگر قطعات پرینت رنگ­ها متنوعی مثل یک رنگ رفتگی قهوه ­ای در مقابل رنگ بژ داشته باشند، بیانگر تبلور نابجا است. این اتفاق ممکن است به علت نوسان دما حین فرایند پرینت باشد.

فیلامنت را در یک فضای خشک نگه دارید

وقتی با PEEK/PEI پرینت نمی­کنید، باید مواد را در یک کیسه و در یک فضای خنک، خشک و تاریک نگه دارید تا زمانی که بخواهید دوبار از آنها استفاده کنید. با انجام این کار، از کیفیت مواد محافظت می­کنید و مطمئن می­شوید که نتایج بهینه حاصل می­شود.

آماده انجام این کار نیستید؟

اگر به پرینتر سه­ بعدی قابل پرینت PEEK یا PEI دسترسی ندارید، یا اگر می­خواهید از کیفیت بالای قطعات خود مطمئن شوید می توانید از شرکت هایی که خدمات پرینت سه­ بعدی ماهان تری دی ارائه می دهند کمک بگیرید.