Vorbereitender Test zur Wirkung direkten Ausheilens auf die Biegeeigenschaften von additiv gefertigtem PEEK

16. CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering, CIRP ICME '22, Italien
Vorbereitender Test zur Wirkung direkten Ausheilens auf die Biegeeigenschaften von additiv gefertigtem PEEK
Luigi Morfinia, *, Maria Grazia Guerraa, Fulvio Lavecchiaa, Roberto Spinaa, b, c, Luigi Maria Galantuccia
a Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management (DMMM), Politecnico di Bari, Bari, Italien
b Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)-Sezione di Bari, Bari, Italien
c Consiglio Nazionale delle Ricerche-Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (CNR-IFN), Bari, Italien

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Zusammenfassung

Ingenieurkunststoffe werden in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Luftfahrt und in der Biomedizinindustrie häufig verwendet. Sie können mit verschiedenen Technologien und additiver Fertigung verarbeitet werden. Polyetheretherketon (PEEK) ist ein teilkristallines Polymer, das ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen aufweist. Als teilkristallines Polymer können Wärmebehandlungen verwendet werden, um seine Eigenschaften zu verbessern. Sie können im Ofen oder durch ein direktes Ausheilungssystem durchgeführt werden, das in der Fused Filament Fabrication (FFF)-Maschine enthalten ist. Ziel dieser Studie ist es, weitere Informationen zur Korrelation zwischen Ausheilung und den Biegeeigenschaften von PEEK-Proben zu liefern, die mit FFF-Technologie hergestellt wurden. Ein direktes Ausheilungsprozess, der während des Drucks durchgeführt wurde, wurde mit einer traditionellen Ofenausheilung ähnlicher Dauer verglichen. Die Biegeeigenschaften wurden als Funktion des Ausheilungstyps und der Temperatur analysiert.
© 2023 The Authors. Published by Elsevier B.V.
Dies ist ein Open-Access-Artikel unter der CCBY-NC-ND-Lizenz (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0)
Peer-Review unter Verantwortung des wissenschaftlichen Komitees der 16. CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering
Schlüsselwörter: Fused Filament Fabrication; PEEK; Ausheilung; Biegestärke; Additive Fertigung

1. Einführung

Additive Fertigungsverfahren (AM) mit Polymeren werden kontinuierlich in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Luftfahrt, in der Biomedizin und in der Energiebranche für Prototypen und die Herstellung funktionaler Teile mit der Veröffentlichung neuer hochwertiger Materialien verwendet [1]. Polyetheretherketon (PEEK) ist ein lineares, aromatisches, teilkristallines Thermoplast [2], das in diesen Bereichen aufgrund seiner ausgezeichneten thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften eingesetzt wird [3]. PEEK-Verfahren wie Spritzguss oder die neuesten AM-Pulverbettverschmelzungsverfahren wie Selective Laser Sintering (SLS) oder Direct Energy Deposition (DED). In den letzten Jahren wurden Anstrengungen unternommen, um PEEK-Teile mit Fused Filament Fabrication (FFF) herzustellen, um die Herstellungskosten zu senken [4]. Obwohl FFF zunehmend als benutzerfreundliche Technologie angesehen wird, erfordert das Erhalten guter Druckresultate mit PEEK erhebliche Anstrengungen aufgrund der spezifischen Material- und Prozessmerkmale. Mehrere Parameter beeinflussen die Ergebnisse, hauptsächlich Drucktemperatur, Schichthöhe und Druckgeschwindigkeit [5]. El Magri et al. [6] führten eine Design of Experiments (DoE)-Analyse der wichtigsten FFF-Prozessparameter durch und stellten fest, dass die Extrusionstemperatur den größten Einfluss auf die Zugfestigkeit und den Kristallinitätsgrad des gedruckten PEEK hatte. Andere Parameter bezüglich der Ablagestrategien, wie Füllstandsichte und Füllwinkelversatz, waren für die Zug- und Biegeeigenschaften signifikant [7], [8]. Die oben genannten Parameter sind entscheidend, da sie direkt die Zwischenschichtadhäsion beeinflussen. In dieser Hinsicht zeigten PEEK-Proben, die mit nicht optimierten Parametern gedruckt wurden, geringere mechanische Eigenschaften als Proben aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) mit optimierten Parametern, wie von Wu et al. [9] berichtet.

Signifikante Studien wurden zu PEEK durchgeführt, einschließlich Differential Scanning Calorimetry (DSC)-Analysen und anderer Methoden zur Erstellung eines thermischen Profils des Materials. Jin et al. [10] stellten fest, dass die doppelten Schmelzspitzen in der DSC-Analyse aus der Reorganisation von PEEK-Kristallen resultierten, aufgrund der schnelleren Rekristallisationsrate von PEEK als den auferlegten Heiz- und Kühlraten. Laut Liaw et al. [11] wies die Analyse des Kristallinitätsgrads auf die Wichtigkeit hin, einen hohen Wert zu erzielen, um die Zwischenschichtbindungsadhäsion zu verbessern, was zu hohen mechanischen Eigenschaften führt. Eine höhere Kristallinität wurde durch Erhöhung der Düsentemperatur und der Schichthöhe erzielt, während die Wartezeit vor dem Entfernen des Teils und die Druckgeschwindigkeit verringert wurden. Da PEEK ein teilkristallines Polymer ist, ist es wichtig, die Möglichkeit zu untersuchen, die Kristallinität von gedruckten PEEK-Teilen durch eine Wärmebehandlung nach dem Druck zu erhöhen. Wie bei anderen Polymeren unterlag die Schmelze einer komplexen Verformungs- und Abkühlungsgeschichte, was zu einer inhomogenen Mikrostrukturveteilung im Bauteil führte, wie Laschet et al. [12] berichteten. Yang et al. [13] zeigten, wie verschiedene Wärmebehandlungsverfahren die PEEK-Kristallinität beeinflussten, was lokal die mechanischen Eigenschaften beeinflusste. In der Literatur wurden Luftkühlung, Ofenkühlung, Abschreckung, Ausheilung und Anlassen berichtet. Ausheilungsergebnisse zeigten sich besser für das Erhalten eines höheren Kristallinitätsgrads. Basgul et al. [14] untersuchten, wie sich die Struktur der Poren von PEEK-Teilen nach der Ausheilung veränderte, ohne eine Verringerung der unerwünschten Porosität, die während des 3D-Drucks gebildet wurde, zu erreichen, was auf Zwischenschichtdelamination zurückzuführen war. Eine andere Studie zeigte, dass Ausheilung gute Ergebnisse bei mechanischen, tribologischen und viskoelastischen Eigenschaften lieferte [15]. Regis et al. [16] untersuchten das Verhalten und die Kristallinität von spritzgegossenen PEEK-Proben, die einer Ausheilbehandlung bei 200°C bis 300°C unterzogen wurden. Das Ergebnis berichtete eine höhere Kristallinität, die durch ...

Ziel dieser Studie ist es, weitere Informationen zur Korrelation zwischen Ausheilung und den Biegeeigenschaften von PEEK-Proben zu liefern, die mit FFF-Technologie hergestellt wurden. Ein direktes Ausheilungsprozess, der während des Drucks durchgeführt wurde, wurde mit einer traditionellen Ofenausheilung ähnlicher Dauer verglichen. Die Biegeeigenschaften wurden als Funktion des Ausheilungstyps und der Temperatur analysiert.

2. Material und Methoden

Das verwendete Material war das PEEK KetaSpire®MS NT1 AM 1,75mm von Solvay SA (Brüssel, Belgien), ein natürliches Filament, das eine Langzeitleistung bis zu 240°C bietet. Seine hohe Korrosionsbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit, Hitzebeständigkeit, Duktilität und Dimensionsstabilität machen es geeignet für Anwendungen wie Metallersatz in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und in der Öl- und Gasindustrie. Die vom Lieferanten angegebene Schmelztemperatur beträgt 343°C [17] und die Glasübergangstemperatur liegt bei etwa 145°C [14]. Die Spule wurde acht Stunden bei 150°C in einem Umluftofen getrocknet und bis zum Drucken in Vakuumbeuteln gelagert. Entsprechend UNI EN ISO 178 [18] betrugen die Abmessungen der Biegeproben 80×10 mm² und 4 mm Dicke. Proben wurden mit einem Creatbot PEEK-300 coreXY 3D-Drucker mit einem Bauraum von 300×400×300mm³ in einer vollständig geschlossenen Heizkammer hergestellt.

Abb.1. Direktes Ausheilungssystem.

Er war mit einem Doppelschneckenextrudersystem ausgestattet. Die maximalen Temperaturen der Düsen, der Plattform und der Kammer betrugen 500°C, 200°C bzw. 120°C. Eine der zusätzlichen Hauptmerkmale dieser Maschine war das Direct Annealing System (DAS), eine Firmentechnologie zum Ausheilen des Teils während der Ablagerung. Der Lieferant erklärte, dass die DAS-Technologie patentiert sei und nur auf CreatBot-Maschinen verfügbar sei. Ein korona-förmiges Heizelement wurde verwendet, um den Bereich um die Ablagerungsdüse auf der letzten Schicht auf einer kontrollierten Temperatur zu halten (Abb. 1). Der Vorteil der direkten Ausheilung war die Verbesserung der Bindungsfestigkeit zwischen den Schichten, wodurch Probleme im Zusammenhang mit der Schichtdelamination vermieden wurden. Eine 0,4 mm harte Stahl Düse und eine Kohlefaserplatte wurden während der Experimente verwendet.

Vorbereitende Drucktests wurden durchgeführt, um die Haftung auf der Druckplattform zu bewerten. Ein spezielles Hochtemperaturkleber garantierte die Haftung der Druckplattform entlang 15 Randlinien. Anfangliche Drucktests wurden mit in der Literatur gefundenen Parametern durchgeführt, die in Tabelle 1 angegeben sind.

Tabelle 1. Druckparameter.

Parameter	Value	Unit
Temperaturen
Düse	430	°C
Plattform	150	°C
Kammer	100	°C
Umrandung
Schichthöhe	0.2	mm
Linienbreite	0.4	mm
Wandschichtanzahl	3	-
Füllung
Füllstandsichte	100	%
Füllwinkelversatz	-45°/+45°	-
Geschwindigkeit
Druckgeschwindigkeit	20	mm/s

Ein faktorielles 2²-DoE wurde verwendet, um den Einfluss des direkten Ausheilungsprozesses zu untersuchen und ihn mit dem klassischen Ofenausheilungsprozess zu vergleichen. Ein 2²-DoE wurde gewählt, da der Prozess sich in einer Erkundungsphase befand. Tabelle 2 gibt die für die Analyse ausgewählten Faktoren und relativen Ebenen an, mit drei Replikationen für jede Kombination. Untersuchte Faktoren waren die Art der Ausheilung und die maximale Temperatur. Fünfzehn Proben wurden hergestellt. Sechs wurden anschließend im Ofen behandelt, während die anderen sechs einer direkten Ausheilung unterzogen wurden. Die verbleibenden drei blieben unbehandelt.

Prozess	Direkte Ausheilung (DA)	Ofenausheilung (OA)
Temperatur(°C)	200	300

Faktorstufe

Abb.2. Ausheilzyklus.

Die Druckzeit jeder Probe betrug 40 Minuten. Die direkte Ausheilungszeit war gleich der Druckzeit, da die heiße Krone die Behandlung durchführte, während die Düse das geschmolzene Filament ablagerte. Die Ofenbehandlungzeit war gleich der direkten Ausheilung, um die Versuchsergebnisse vergleichbar zu machen. Die verwendete Aufheiz- und Abkühlrate betrug 5°C/min. Der thermische Zyklus ist in Abb. 2 dargestellt.

2.1. Zeit- und Kostenanalyse

Auch wurde eine Analyse der Zeit- und Kostenfaktoren durchgeführt. Die Zeiten sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Die Druckzeit t_print war für jede Probe und Behandlung gleich. Die Ausheilzeit im Ofen umfasste die Heiz- und Haltezeiten.

Tabelle 3. Tabelle der Druck- und Ausheilzeiten.

	Direct Annealing		Oven Annealing
Time(min)	200°C	300°C	200°C	300°C
ID	DA200	DA300	OA200	OA300
Annealing time (toven)	-	-	75	95

3. Ergebnisse und Diskussion

3.1. Mechanische Tests

Drei-Punkt-Biegetests wurden durchgeführt, um den Einfluss der beiden Ausheilbehandlungen auf die mechanischen Eigenschaften des Materials zu bewerten (Abb.3). Die Ergebnisse (Abb.4) zeigten, dass die Wirkung der Wärmebehandlung beträchtlich war, wobei die Biegestärke im Vergleich zu den unbehandelten Proben variierte. Die durchschnittliche Biegestärke der unbehandelten Proben (UNT) betrug 124,43 MPa mit einer Standardabweichung von 6,75 MPa, ähnlich wie in der Literatur berichtet [19]. Der Ausheilprozess bei hohen Temperaturen verbesserte die mechanischen Eigenschaften von Thermoplasten, wie von Butt und Bhaskar [20] hervorgehoben, die den Einfluss der Ausheilung auf häufig verwendete Polymere untersuchten. Aus diesem Grund wurde bei PEEK eine Zunahme der Eigenschaften erwartet. Die Proben, die einer Ausheilbehandlung im Ofen bei 300°C (OA300) unterzogen wurden, zeigten eine um 16% höhere Biegestärke als UNT, wie von einigen Arbeiten bestätigt [14], [15]. Darüber hinaus verbesserte die Ausheilung die mechanischen Eigenschaften bei hohen Heiztemperaturen dank einer höheren Zwischenschichtbindungsadhäsion [21]. Zwischenschichtbindungsadhäsion ist ein entscheidender Faktor in mechanischen Tests zur Bewertung von Spannungen. Die Verbesserung der Bindungsadhäsion führte zu einer Verringerung der Porosität des Materials, wodurch es den Eigenschaften des gleichen Materials näherkam, das durch Spritzguss verarbeitet wurde [6]. Die OA300-Proben zeigten jedoch ein spröderes Verhalten mit 66% gebrochenen Proben. Alle anderen Proben erreichten am Ende des Tests kein Probenversagen.

Die Proben, die der direkten Ausheilbehandlung bei 300°C (DA300) unterzogen wurden, erreichten nicht die gleichen Biegestärkewerte wie OA300. Sie zeigten eine fast 6% höhere Biegestärke im Vergleich zu den unbehandelten Proben, mit einer durchschnittlichen Biegestärke von 131,77 MPa und einer Standardabweichung von 3,30 MPa. Andererseits zeigten die bei 200°C behandelten Proben eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften.

Abb.3. Biegeproben vor und nach mechanischen Tests.

Abb.4. Prozentsatzwerte der Biegestärke von wärmebehandelten Proben im Vergleich zu unbehandelten Proben (0%).

Infolgedessen verschlechterten sich die Eigenschaften um 6,5% für die im Ofen behandelten Proben bei 200°C (durchschnittlich 116,2 MPa, Standardabweichung 19,41 MPa) und um 5% für die direkt behandelten bei 200°C (durchschnittlich 118,3 MPa).

3.2. Statistische Analyse

Es wurde eine statistische Analyse durchgeführt. Die Eingabefaktoren (Behandlung, Behandlungstemperatur) wurden aufgrund ihres bemerkenswerten Einflusses auf die mechanischen Eigenschaften ausgewählt. Frühere Arbeiten [6], [14] haben Interesse daran gezeigt, Ausheilzyklen bei 200°C und 300°C durchzuführen. Daten bezüglich der Biegestärke der 12 wärmebehandelten Proben, die zuvor aus mechanischen Tests erhalten wurden, wurden analysiert. In der ANOVA-Analyse mit einem Konfidenzintervall von 95% war nur die Behandlungstemperatur einflussreich (p-Wert 0,016). Dieses Verhalten war auch aus dem Hauptwirkungsdiagramm (Abb. 5) ersichtlich.

Abb. 5. Hauptwirkungsdiagramm für Biegestärke.

Das Diagramm zeigt, dass der Behandlungsart wenig Einfluss auf die Biegestärke hatte. Auf der anderen Seite erwies sich die Behandlungstemperatur als signifikant einflussreich, was den Trend der zuvor analysierten Literatur bestätigte [6], [11], [16].

3.3. REM-Analyse

Rasterelektronenmikroskopie (REM) bewertete Änderungen in der Materialstruktur, die durch Ausheilung verursacht wurden (Abb. 6). Direkte und Ofenausheilung bei 300°C verbesserten die Bindung zwischen den Schichten, was die Ergebnisse der mechanischen Tests und die Literaturübersicht bestätigte. Die in diesem Papier analysierten Biegeproben zeigten ein ähnliches Verhalten, wobei die Hauptkritikalität die Trennung der Schichten aufgrund der durch den Biegetest eingeführten Spannungen war. In den Proben mit geringerer Biegestärke gab es Bereiche der Diskontinuität zwischen den Schichten, die durch Delaminationen und Hohlräume nachgewiesen wurden. Abb. 6-a zeigt die UNT-Probe als Referenz vor dem mechanischen Test. Der Druckprozess verursachte eine geringe Haftung zwischen den Schichten. Abb. 6 zeigte Querschnittsbilder von direkt behandelten und im Ofen behandelten Proben, die nach mechanischen Tests analysiert wurden. DA200 war sehr ähnlich zu UNT, was hervorhebt, wie die Behandlung keine Wirkung haben könnte und, wie im untersuchten Fall, zu niedrigeren Werten der Biegestärke führte. Abb. 6-c zeigte das gleiche Verhalten wie Abb. 6-b. Lücken zwischen den Schichten, die durch Biegen angeregt wurden, sind die Hauptursache für die Verschlechterung der Biegeeigenschaften.

Abb.6. REM-Bilder von Probenquerschnitten: (a) Druckorientierung (xy) mit hervorgehobenen Querschnitt (zy); (b) UNT; (c) DA200; (d) OA200; (e) DA300; (f) OA300.

Im Gegensatz dazu waren die bei 300°C behandelten Proben kompakter. Dieses Verhalten bestätigte, was aus den mechanischen Tests erhalten wurde, wobei verbesserte Biegeeigenschaften erreicht wurden. Die Proben hatten weniger Lücken zwischen den Schichten. DA300 hatte einige Lücken, die die aus den Tests erhaltenen Werte beeinflussten. OA300 war am kompaktesten, und seine Ergebnisse waren in Bezug auf die Biegestärke die besten, zeigten jedoch eine geringere Verformung vor dem Bruch. Die Lücken in DA200 und OA200 waren breiter und tiefer als die in DA300 und OA300.

4. Schlussfolgerungen

Dieses Papier befasst sich mit der mechanischen Charakterisierung von PEEK, das einem direkten Ausheilprozess unterzogen wurde. Ein Vergleich zwischen dieser Ausheilung und der Ofenausheilung wurde durchgeführt. Die als Funktion der Behandlungsart, direkt oder im Ofen, analysierten Daten hatten keinen signifikanten Einfluss auf die Biegestärke, während die Temperatur einflussreich war. Analysen haben gezeigt, dass die geeignetste Behandlung die bei 300°C ist. Die mechanischen Eigenschaften der Biegestärke nahmen um 16% bzw. 6% zu, jeweils für Ofenausheilung und direkte Ausheilung. Die Behandlung im Ofen bei 300°C steigerte die mechanische Leistung um 10%, erforderte jedoch eine Gesamtproduktionszeit (Druck plus Ofenausheilzeit) von 3,5 Mal im Vergleich zur Gesamtproduktionszeit mit direkter Ausheilung. Die direkte Ausheilung (DA300) war hinsichtlich der Produktionszeit evident, die auf nur die Druckzeit reduziert wurde, und folglich die Kosten.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde vom italienischen Ministerium für Bildung, Universität und Forschung im Rahmen des Programms "Department of Excellence" Legge 232/2016 Grant No. CUP - D94I18000260001 unterstützt. Die Forschung war Teil des Forschungsprojekts PON SIADD – "Innovative Lösungen für Qualität und Nachhaltigkeit von additiven Fertigungsverfahren" CUP B36G18001430005, finanziert durch das Nationale Operationelle Programm PON - Forschung und Innovation 2014-2020.