Desbloqueo de las posibilidades de la impresión 3D con polímeros PAEK

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Desde que comenzó la explosión de las impresoras 3D de extrusión de materiales a alta temperatura, la poliariletercetona (PAEK) ha sido la familia de polímeros en boca de todos. Esto se debe en gran parte a la empresa británica de materiales avanzados, Victrex, un fabricante heredado del plástico duradero, resistente al calor y a los productos químicos que comenzó a desarrollar variedades imprimibles en 3D. (Por el bien de este artículo, no distinguiremos entre PAEK y la subvariedad ampliamente utilizada conocida como "PEEK", pero puede aprender sobre esas distinciones aquí).

En la Conferencia del Grupo de Usuarios de Fabricación Aditiva (AMUG) de 2023, pudimos ponernos al día con Robert McKay, director de Desarrollo de Nuevos Negocios de Victrex, para conocer cómo ha evolucionado el esfuerzo de la empresa en la fabricación aditiva (AM) en una parte sustancial de su negocio y el desarrollo del polímero LMPAEK para todo tipo de procesos y aplicaciones de impresión 3D.

McKay se unió a Victrex en 2014 para liderar el equipo dedicado a las tecnologías emergentes, justo cuando el campo de AM se convirtió en un área de interés para Victrex. Dado el éxito general de la impresión 3D para la división, la necesidad de la industria de un filamento basado en PAEK optimizado para la impresión 3D ocupaba un lugar destacado en la lista de actividades del equipo de tecnología emergente. La clave para hacer que PAEK funcionara para PBF, y luego la extrusión de material, fue reformularlo para que tuviera una temperatura de fusión y una velocidad de cristalización más bajas.

"El polímero Victrex LMPAEK es realmente un polímero PEEK modificado, con una construcción ligeramente diferente que cambia el comportamiento de cristalización del polímero PEEK en AM para que funcione mejor en estos procesos", explicó McKay. "Entonces, la mayoría de las actividades que ve de nosotros en la fabricación aditiva se basan en esta tecnología de polímeros LMPAEK.

La tecnología se derivó del trabajo de Victrex en la construcción de compuestos en capas con colocación de cinta automatizada y reemplazo de fibra automatizado utilizando VICTREX AE 250 UDT, también basado en polímero LMPAEK, donde la temperatura del proceso de PEEK se reduce en 40 °C y la fabricación de estructuras compuestas es más rápida y eficiente. más eficiente sin sacrificar las propiedades de rendimiento. En estos procesos de composites, las condiciones que ve el polímero son muy diferentes a las del moldeo por inyección.

"En el moldeo por inyección, tienes este entorno de alta presión y alta temperatura en el que hay muchas tensiones en el polímero y eso hace que se comporte de cierta manera. En la impresión, tan pronto como sale de la boquilla, es simplemente fluyendo al aire libre después de que la masa fundida sale de la boquilla. Por lo tanto, necesitábamos un polímero que fluya bien en este entorno al aire libre de muy baja cizalladura, y ese es uno de los beneficios del polímero LMPAEK.

Aunque se puede procesar a una temperatura de fusión más baja, la temperatura de degradación del polímero LMPAEK es como la del PEEK, por lo que el material tiene una ventana de procesamiento 40 °C más amplia que proporciona más flexibilidad en la configuración del perfil de impresión. Puede imprimirse a una temperatura más baja que PEEK o imprimirse a las mismas temperaturas para lograr velocidades de flujo aún más altas desde la boquilla para piezas resistentes e intrincadas. Además, como copolímero basado en PEEK, el material aún ofrece la misma fuerza, resistencia a la temperatura y casi la misma resistencia química que una variedad de PEEK de alto punto de fusión.

McKay reconoce que incluso con los beneficios del polímero LMPAEK en la impresión, todavía hay usuarios que renuncian a los beneficios de los polímeros LMPAEK por el PEEK tradicional porque ya ha superado los requisitos reglamentarios. Explicó que estas impresoras aún deben usar altas temperaturas en la cámara para retardar la cristalización y obtener piezas resistentes. Esto tendría más sentido en aplicaciones médicas, por ejemplo, donde el PEEK moldeado por inyección ya está aprobado para implantes y dispositivos. Por este motivo, la filial de Victrex, Invibio, proporciona filamento PEEK-OPTIMA LT1 PEEK a impresoras 3D PAEK específicas para uso médico, imprimiendo el material en el extremo superior de su ventana de procesamiento.

Otro ejemplo médico es un proyecto conjunto con Bond3D en los Países Bajos. Bond3D atrajo tanto interés de Victrex que la firma británica respaldó financieramente la puesta en marcha para desarrollar la próxima generación de jaulas espinales porosas utilizando la tecnología. Bond3D diferencia su tecnología de FDM a través del uso de varillas PEEK, que fusiona esencialmente de manera uniforme en todas las direcciones en una cámara de construcción de alta temperatura. Esto significa que las propiedades isotrópicas de las piezas, incluso en el eje Z, son un obstáculo para AM en general y FDM en particular.

Un colector de refrigeración que ha sido rediseñado para la impresión 3D por Bond3D para reducir el peso y optimizar el flujo. Imagen cortesía de Bond3D.

El filamento VICTREX AM 450 PEEK también está disponible para aplicaciones industriales en máquinas de temperatura de cámara muy alta similares. McKay señala que, además de los implantes médicos, las tecnologías como Bond3D que permiten la impresión con PEEK también tienen valor para los clientes que buscan colocar piezas impresas en PEEK en los entornos más extremos. Aunque el polímero LMPAEK™ es casi idéntico a la variedad de alto punto de fusión, ofrece un nivel algo más bajo de resistencia química solo en los casos más extremos. Por lo tanto, para las aplicaciones de fondo de pozo en petróleo y gas, los usuarios tienden a inclinarse por la variedad, dado el entorno exigente. En esas situaciones, se requieren impresoras de muy alta temperatura como Bond3D para usar PEEK para petróleo y gas en los entornos más corrosivos. Las piezas de ejemplo incluyen carcasas, anillos y sellos de la bomba de aceite.

Para todos los demás, incluida la aplicación aeroespacial donde el polímero LMPAEK ya se usa en forma compuesta, el polímero LMPAEK se puede imprimir a una temperatura de cámara más baja y de fusión más baja, lo que facilita la imprimibilidad y reduce la tensión en la máquina.

A su vez, Victrex ha podido abrir un mundo completamente nuevo para uno de los polímeros de mayor rendimiento del mundo. Más recientemente, esto ha sido a través del lanzamiento del filamento VICTREX AM 200 de Victrex para el modelado por deposición fundida (FDM). Varios fabricantes de máquinas ya admiten el material, incluidos Intamsys, 3DGence, 3NTR, AON3D y Zortrax. Stratasys también ha anunciado el próximo soporte para VICTREX AM™ 200 en su impresora 450MC a medida que agregan materiales de terceros a su ecosistema.

Ducto aero ECS complejo impreso con tecnología FDM en material Victrex AM 200. Imagen cortesía de Stratasys.

Tres áreas que anteriormente tendrían dificultades para usar PEEK de la empresa son AM de gran formato, impresión 3D con soportes solubles e impresión de piezas cristalinas fuertes en máquinas de temperatura de cámara baja. En el primer caso, no es práctico calentar las impresoras 3D de gran formato hasta los niveles necesarios para las variedades de PEEK de alta fusión. Mientras que, en el último caso, el material de soporte soluble disponible no resiste ese entorno. Finalmente, los filamentos VICTREX AM 200 de cristalización más lenta dan como resultado una mayor adhesión entre capas cuando se imprimen en forma amorfa en cámaras más frías, pero mantienen su forma mejor al recocerse a cristalino que en las variedades amorfas de PEKK. McKay explica que el material VICTREX AM 200 "tiene la facilidad de impresión de PEKK amorfo, con el rendimiento parcial de las variedades cristalinas de PEKK y PEEK, y la flexibilidad de diseño de usar soportes solubles comunes en polímeros de menor rendimiento".

Con el polímero LMPAEK, es posible que estas áreas se beneficien del poder de PAEK. Para la impresión 3D de gran formato, uno puede imaginar sellos de tubería grandes para petróleo y gas o moldes para piezas aeroespaciales compuestas que deben someterse a temperaturas de procesamiento extremas. Para los soportes solubles, esto significa poder aprovechar al máximo las posibilidades geométricas de la fabricación aditiva, incluidos los ensamblajes móviles complejos impresos en 3D en una sola operación.

Una pregunta que puede surgir cuando se habla de un polímero de alta resistencia como el PAEK es el papel que desempeñará en un entorno ecológicamente consciente y con recursos limitados. A medida que el mundo se desplaza hacia las energías renovables, el petróleo tendrá que desempeñar un papel cada vez más pequeño en la industria química. Esto es particularmente cierto a medida que los límites de los suministros de petróleo de fácil acceso se vuelven más evidentes.

McKay aclaró que el hecho de que PAEK sea un material tan robusto no significa que deba fabricarse con productos petroquímicos.

"Todos estos polímeros están hechos de moléculas de carbono, oxígeno e hidrógeno. Puede hacer esas moléculas a partir de recursos biológicos o petróleo. El petróleo son recursos biológicos que se han fosilizado. Por lo tanto, puede omitir el paso de fosilización e ir directamente a biorrecursos renovables". ciertamente. Y eso ya está sucediendo. Y a medida que la industria construye esa infraestructura, nos beneficiaremos de eso y la gente podrá obtener esos recursos de hidrocarburos de base biológica y construir sus propios polímeros, tal como lo hacemos nosotros".

En otras palabras, PAEK no irá a ninguna parte en el corto plazo. Entonces, a medida que la AM se convierte en una de las tecnologías de referencia para la transición energética, las materias primas de las que depende la tecnología tendrán que pasar por su propia transición, pero seguirán estando disponibles en gran medida. Y, si es probable que alguna empresa se involucre en esa evolución, será Victrex.

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