I filamenti PAEK nella stampa 3D

Nel mondo della stampa 3D FDM/FFF, da alcuni anni esiste una famiglia di materiali che si distingue nettamente da tutti gli altri, la famiglia PAEK (poliarileterchetone o poliarileterchetone etere chetone). I materiali appartenenti a questa classe sono plastiche semicristalline, che resistono alle alte temperature (circa 200°C) mantenendo elevati valori di resistenza meccanica.

La famiglia PAEK comprende PEEK, PEKK e PEI (ULTEM 1010 e ULTEM 9085). Tutti hanno un'elevata resistenza meccanica, resistenza chimica ed elevata temperatura di infiammabilità.

Filamento in PEEK (polietereterchetone)

Il PEEK (PolyEtherEtherKetone) è il più cristallino dei tre materiali. Ciò indica che ha i valori di resistenza meccanica più elevati di tutti (esclusi quelli legati alla fibra di carbonio). Ma questo presenta un problema: poiché allo stato solido le molecole seguono un modello di disposizione ripetuta nelle tre dimensioni dello spazio, è più instabile quando si scioglie. Ciò rende molto difficile l'utilizzo del filamento PEEK nella stampa 3D, anche per gli utenti esperti con stampanti 3D avanzate.

Filamento PEKK (PoliEtereKetoneKetone)

Il PEKK (PoliEtereKetoneKetone) ha una struttura semicristallina (meno cristallina del PEEK). Questo tipo di struttura si verifica quando un materiale presenta due regioni chiaramente definite, una amorfa e una cristallina. Questa condizione strutturale offre una maggiore stampabilità (velocità di cristallizzazione più bassa), mantenendo valori di resistenza simili o addirittura superiori a quelli del PEEK.

Il PEKK si distingue dal PEEK per la sua resistenza alla compressione, superiore fino all'80%. Inoltre, questo tipo di filamento è chimicamente resistente a un gran numero di fluidi: idrocarburi alogenati (benzene), fluidi automobilistici (liquido di raffreddamento), alcool e soluzioni acquose (acqua di mare).

Applicazioni PEKK

Il PEKK è ampiamente utilizzato, dalla medicina alle applicazioni militari. Il suo potenziale è tale che persino la NASA utilizza questo materiale per la stampa 3D nello spazio. In medicina, alcuni centri di sviluppo hanno creato ginocchia, anche e altri tipi di impianti funzionali con un successo strepitoso nei loro pazienti. La combinazione di tutti i suoi vantaggi ha contribuito allo sviluppo di elmetti militari leggeri, resistenti e non riflettenti per evitare di essere individuati dalla luce emessa da una torcia nemica. Infine, le principali aziende aerospaziali utilizzano il PEKK per produrre parti funzionali per i loro aerei.

Filamento PEI (ULTEM 1010 e ULTEM 9085)

Il PEI (ULTEM 1010 e ULTEM 9085) è il materiale più modificato della famiglia PAEK, tanto che gli esperti del settore lo definiscono addirittura resina. La resistenza termica di questo materiale è una delle più elevate nel settore della stampa 3D FDM/FFF, con una temperatura di transizione vetrosa di 215°C e una temperatura massima di esercizio di 200°C a una pressione costante di 0,45 MPa.

Il vantaggio del PEI è che a queste temperature le proprietà meccaniche non cambiano quasi mai. Questo perché la sua elevata stabilità dimensionale mantiene la forma strutturale anche a temperature più elevate, cosa impensabile con la maggior parte dei materiali esistenti nella stampa 3D FDM/FFF.

Applicazioni del PEI

ULTEM 1010 è comunemente utilizzato per realizzare stampi per stampaggio a iniezione a ciclo breve, stampi per laminazione di fibre di carbonio e altri tipi di stampi sottoposti a pressione e temperatura elevate (autoclave). In questo tipo di stampi ad alta resistenza rientrano quelli utilizzati per il processo di vulcanizzazione delle materie plastiche, come la gomma. Grazie al PEI ULTEM 1010, gli stampi possono essere realizzati in modo più rapido, semplice ed economico rispetto agli attuali stampi in acciaio. D'altra parte, l'ULTEM 9085 è il materiale preferito dall'industria aerospaziale. La resistenza al calore, la resistenza chimica, la tenacità alla frattura e le elevate prestazioni consentono a questo materiale di soddisfare i più severi criteri di test e tracciabilità richiesti dall'industria aerospaziale e dagli enti normativi di certificazione.

Innovazione continua nel miglioramento dei materiali

I principali produttori di filamenti, come la francese Nanovia, hanno rivoluzionato il mercato potenziando sia il PEKK che il PEI (ULTEM 1010) con la fibra di carbonio. La fibra di carbonio è un materiale pseudo-amorfo che conferisce a questi materiali un punto di fusione più basso, una cristallizzazione più lenta e mantiene alta la temperatura di cristallizzazione (Tg= 160 ºC), il che si traduce in una maggiore stampabilità. Inoltre, questo legame aumenta anche la stabilità strutturale, migliorando le proprietà meccaniche. Per tutti questi motivi, PEKK CF e PEI CF si sono guadagnati un posto nella categoria dei materiali più potenti e facili da usare nella stampa 3D FDM/FFF. Inoltre, questi due materiali competono a livello generale con i termoplastici più comunemente utilizzati nell'industria meccanica (polisulfoni, polifenilensolfuri e polichetoni).

Immagine 2: PEI CF. Fonte: Nanovia

Requisiti per l'utilizzo dei materiali PAEK

Infine, va notato che l'uso di questi materiali avanzati è riservato a utenti esperti con stampanti 3D avanzate. I requisiti minimi che una stampante 3D FDM/FFF deve avere per utilizzare questi materiali sono: Temperatura dell'estrusore 370-400 ºC, temperatura di base superiore a 150 ºC, temperatura della camera superiore a 80 ºC. Questi valori sono necessari a causa della sensibilità di questi materiali alla deformazione strutturale a contatto con zone d'aria a diverse temperature.

La conclusione finale è che tutti i materiali appartenenti alla famiglia PAEK (PEEK, PEKK,PEI, PEKK CF, PEI CF ) sono al top dell'utilizzo industriale grazie alla loro elevata temperatura di infiammabilità, alla resistenza chimica, alla resistenza meccanica e al buon rapporto resistenza/peso.