Vật liệu in 3D PEEK và những điều cần biết

Polyether Ether Ketone – PEEK là một loại nhựa nhiệt dẻo bán kết tinh được biết đến trong công nghiệp sản xuất vì các đặc tính cơ học đặc biệt của nó. Trong những năm gần đây, nhựa PEEK đã trở thành một vật liệu được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực sản xuất bồi đắp – in 3D.

Hiện nay, PEEK có sẵn dưới dạng sợi cho tất cả các máy FDM/FFF và đang dần trở nên phổ biến dưới dạng bột cho các quá trình in bột SLS. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng đây là một vật liệu in 3D đòi hỏi cao, khó in và chỉ có thể được in thành công nếu đáp ứng được một số thông số.

Chủ yếu được sử dụng trong các ngành hàng không, y tế và ô tô, PEEK có khả năng chịu nhiệt và mài mòn, thậm chí còn có thể được sử dụng như một vật liệu thay thế cho một số kim loại nhờ tỷ lệ độ bền trên trọng lượng của nó.

1. Tính chất cơ học của nhựa PEEK

PEEK thuộc họ vật liệu PAEK (Polyaryl-etherketone), được biết đến với các đặc tính nhiệt cơ cao. Nếu chúng ta nhìn vào kim tự tháp của các loại polymer khác nhau trong ngành, PEEK nằm ở trên cùng của kim tự tháp, trong danh mục các loại polymer hiệu suất cao.

Dựa vào đặc điểm cấu trúc phân tử, nhựa PEEK là một loại polymer bán tinh thể nên khi nóng chảy, các phân tử của nó tự sắp xếp dưới tác dụng của nhiệt, tạo ra một trật tự nhất định cho đến khi vật liệu đông đặc hoàn toàn. Điều này cho phép PEEK duy trì các đặc tính cơ học khi nhiệt độ tăng lên. Mặc dù cấu trúc bán tinh thể này có nhiều ưu điểm, nhưng cần lưu ý rằng trong sản xuất bồi đắp – in 3D, nhựa PEEK yêu cầu một quy trình in phức tạp hơn: nó là vật liệu có kỹ thuật cao, đòi hỏi kinh nghiệm và hệ thống máy in phù hợp.

2. Đặc điểm của nhựa PEEK khi sử dụng trong in 3D

Nhựa PEEK có nhiều ưu điểm khi được sử dụng trong in 3D. Dưới đây là một số ưu điểm nổi bật:

• Chịu nhiệt cao: PEEK có khả năng chịu được nhiệt độ cao, thường lên đến 260°C, khiến nó phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt.
• Độ bền cơ học: Với độ bền kéo trên 100 MPa và mô đun uốn khoảng 4100 MPa, nhựa PEEK trở thành lựa chọn lý tưởng cho các chi tiết yêu cầu khả năng chịu lực và độ bền cao.
• Khả năng chống mài mòn: Hệ số ma sát thấp và khả năng chịu biến dạng cao khiến PEEK trở thành lựa chọn phù hợp cho các bộ phận chịu tải liên tục hoặc lặp đi lặp lại, như bánh răng và ổ trục
• Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng: Với tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tốt, PEEK có thể thay thế một số kim loại, giúp giảm trọng lượng của các bộ phận và hệ thống.
• Chống hóa chất: PEEK có khả năng chống lại hầu hết các hóa chất, axit và kiềm, làm cho nó thích hợp cho các ứng dụng trong môi trường hóa chất khắc nghiệt.
• Tính ổn định kích thước: PEEK có tính ổn định kích thước cao, giúp duy trì độ chính xác của các bộ phận trong quá trình sử dụng.
• Đặc tính cách điện: PEEK là chất cách điện tốt, thích hợp cho các ứng dụng trong ngành điện và điện tử.
• Khả năng tương thích sinh học: PEEK là một vật liệu tương thích sinh học, thích hợp cho các ứng dụng y tế như cấy ghép.

Tuy nhiên, vật liệu này chỉ chịu được mức độ trung bình đối với bức xạ UV và có thể trở nên giòn khi tiếp xúc nhiều, làm cho nó chỉ phù hợp với một số ứng dụng ngoài trời.

2.1. In 3D FFF với nhựa PEEK

Trong quá trình in 3D với PEEK, việc kiểm soát quá trình kết tinh là rất quan trọng vì một phần vật liệu sẽ kết tinh, dẫn đến sự thay đổi về mật độ và có thể ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học của mẫu in. Để đạt được kết quả tối ưu, người vận hành cần duy trì nhiệt độ cao và ổn định trong suốt quá trình in.

Dưới đây là các yêu cầu nhiệt độ quan trọng để in 3D FFF PEEK:

• Nhiệt độ đầu đùn: Bởi vì nhựa PEEK có nhiệt độ nóng chảy cao (343°C). Đầu đùn phải có khả năng đạt và duy trì nhiệt độ cao thường trên 360°C – 450°C, để đảm bảo nhựa chảy ra liền mạch và kết dính với các lớp in trước
• Nhiệt độ buồng in: Buồng in cần được làm nóng đến tối thiểu 120°C để duy trì môi trường thích hợp cho quá trình in và ngăn chặn sự cong vênh mẫu. Đối với PEEK, duy trì nhiệt độ buồng in cao cũng sẽ tối ưu quá trình kết tinh, dẫn đến các mẫu in trở nên chắc chắn và không cần phải ủ nhiệt sau khi in
• Nhiệt độ bàn in: Bàn in cần có khả năng làm nóng đến khoảng 120°C – 160°C để đảm bảo mẫu in bám dính vào bàn in và đồng thời giảm hiện tượng cong vênh
• Tốc độ in: Tốc độ in là một thông số quan trọng khác trong in 3D PEEK. PEEK có nhiệt độ nóng chảy và độ nhớt cao, yêu cầu tốc độ in chậm hơn nhiều so với các loại nhựa nhiệt dẻo khác để đảm bảo sự đùn chính xác và liên kết giữa các lớp, thường trong khoảng từ 15 – 50 mm/s, sử dụng nhiệt độ thấp hơn cho những mẫu in phức tạp và nhiều chi tiết nhỏ.

Hiện nay, các hãng máy in đều cho ra mắt các mẫu máy FFF chuyên nghiệp với khả năng in vật liệu cơ tính cao và đặc biệt như PEEK. Trong số đó, CUBICON, thương hiệu máy in 3D chuyên nghiệp đến từ Hàn Quốc cũng vừa cho ra mắt hệ thống máy in FFF công nghiệp của hãng là CUBICON Dual Plus. Máy hỗ trợ hầu hết tất cả các loại nhựa hiện nay trên thị trường, bao gồm cả nhựa cơ tính cao như PEEK, PA12, PA6, … Máy có khả năng in sợi nhựa chịu nhiệt đến 500°C, thích hợp cho sản xuất những bộ phận chịu nhiệt.

Điểm nổi bật của Dual Plus là khả năng in vật liệu support hòa tan với hệ thống đầu in kép – Dual Nozzle. Hệ thống đầu in kép của máy cho khả năng in kết hợp vật liệu support và vật liệu chính trên cùng 1 mẫu in. Vật liệu support có thể hòa tan dễ dàng trong nước, giúp quy trình xử lý mẫu in trở nên đơn giản, nhanh chóng và ít tác động vào bề mặt mẫu in hơn. Từ đó, cải thiện chất lượng bề mặt mẫu in tốt hơn nhiều lần so với phương pháp truyền thống.

Ngoài ra, hệ thống cân bằng trục XY tự động của máy giúp đảm bảo chất lượng, độ chính xác và tối ưu thời gian chuẩn bị cho quá trình in mà không cần sự can thiệp, điều chỉnh thủ công của người dùng. Hệ thống cân bằng tự động có khả năng tự tính toán và bù trừ sai lệch trục dựa trên thông số hiệu chuẩn. Từ đó sẽ rút ngắn thời gian cài đặt và hiệu chuẩn trước khi in chỉ trong vòng 1 phút.

Bên cạnh đó, máy in 3D Dual Plus còn được trang bị hệ thống Air Optimizer, một hệ thống rất quan trọng giúp ổn định nhiệt độ trong buồng in. Điều này rất hữu ích khi in nhựa PEEK, vốn yêu cầu nhiệt độ cao và có nguy cơ kết tinh nếu nhiệt độ buồng in không ổn định. Hệ thống Air Optimizer duy trì nhiệt độ ổn định xung quanh mẫu in, giảm thiểu hiện tượng cong vênh và đảm bảo chất lượng in tối ưu.

2.2. In 3D SLS với nhựa PEEK

Công nghệ thiêu kết laser chọn lọc (SLS) là một công nghệ khác có thể được sử dụng cho in 3D nhựa PEEK, mặc dù mức độ áp dụng còn hạn chế do số lượng bột có sẵn và các thách thức trong quá trình in. SLS sử dụng laser công suất cao để thiêu kết chọn lọc bột PEEK, từng lớp một, để tạo ra một vật thể rắn.

Công nghệ SLS mang lại một số lợi ích và đặc điểm độc đáo khi được sử dụng để in nhựa PEEK. Không giống như FFF, công nghệ SLS không cần cấu trúc hỗ trợ để in các hình dạng phức tạp, vì bột xung quanh đóng vai trò như các cấu trúc hỗ trợ. Đặc điểm này đơn giản hóa quá trình in và xử lý hậu kỳ bằng cách giảm nhu cầu loại bỏ cấu trúc hỗ trợ. Quá trình thiêu kết tạo ra sự phân bố vật liệu đồng đều và liên kết giữa các lớp tốt hơn, dẫn đến các đặc tính cơ học ổn định theo mọi hướng.

Hiện tại, nhựa PEEK chưa được sử dụng rộng rãi cho SLS, với các vật liệu khác trong họ PAEK được ưu tiên hơn. Công ty tiên phong trong lĩnh vực này là EOS đã phát triển và tiếp thị một loại bột PEEK gọi là PEEK HP3, nhưng hiện tại phạm vi vật liệu PAEK của công ty chỉ bao gồm PEKK và PEKK gia cố sợi carbon, những vật liệu mà công ty cho rằng có hiệu suất tương tự như sợi ULTEM.

Ưu điểm của nhựa PEEK HP3:

• Độ bền cơ học: Với độ bền kéo lên đến 90MPa và độ bền uốn khoảng 150-170 MPa giúp tạo ra các bộ phận có thể chịu được tải trọng và lực va đập cao.
• Chịu nhiệt tốt: Bột PEEK HP3 có khả năng chịu được nhiệt độ cao lên đến 250°C giúp các bộ phận in 3D có thể hoạt động trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt.
• Không cần cấu trúc hỗ trợ: Công nghệ SLS sử dụng bột PEEK HP3 không yêu cầu cấu trúc hỗ trợ cho các hình dạng phức tạp, nhờ vào khả năng tự hỗ trợ của bột. Điều này làm đơn giản hóa quá trình in và giảm công việc hậu kỳ như loại bỏ hỗ trợ, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

3. Ứng dụng của nhựa PEEK

3.1. Hàng không vũ trụ

Nhựa PEEK  được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và là một vật liệu khá được ưa chuộng bởi các đặc tính nổi trội như trọng lượng nhẹ, cơ tính tốt, độ ổn định nhiệt độ cao, khả năng chống tia gamma, khả năng chống hóa chất. PEEK được sử dụng như là một loại nhựa nhiệt dẻo và các cấu trúc bộ phận chịu nhiệt trong ngành hàng không vũ trụ.

3.2. Y tế và chăm sóc sức khỏe

Nhựa PEEK có tính tương thích sinh học, nên được sử dụng để in 3D các thiết bị y tế như cấy ghép nha khoa, cấy ghép chỉnh hình, ốc vít xương và các thiết bị cấy ghép khác.

Ưu điểm của nhựa PEEK so với kim loại trong cấy ghép sinh học:

• Trọng lượng nhẹ: vật liệu PEEK thường chỉ nặng khoảng 1,3g/cm³, có mật độ tương tự như xương người, giúp giảm tải trọng cho cơ thể so với kim loại
• Chống ăn mòn: PEEK cũng có khả năng chống ăn mòn và có thể chịu được môi trường phức tạp trong cơ thể con người
• Module đàn hồi: Module đàn hồi của PEEK tương đương với mô xương của con người, giúp làm việc tốt hơn với các mô lân cận và giảm hiện tượng chặn ứng suất thường gặp ở các vật liệu kim loại
• Khả năng tương thích hình ảnh y tế: PEEK không gây nhiễu trong các hình ảnh y tế như MRI hoặc CT, giúp bác sĩ chẩn đoán và theo dõi quá trình điều trị một cách chính xác hơn
• Vật liệu PEEK có đặc tính tự bôi trơn, đây là một khả năng mà các kim loại truyền thống không thể đạt được, và có thẻ được sử dụng tốt hơn trong các khớp chuyển động ở người.

3.3. Điện – Điện tử

Trong lĩnh vực điện – điện tử, PEEK được sử dụng để in 3D các bộ phận điện tử như vỏ bọc, linh kiện cách điện, các bộ phận chịu nhiệt nhờ khả năng cách điện tốt và chịu nhiệt cao,

Ngoài ra, PEEK có nhiều tiềm năng trong lĩnh vực điện khi PEEK có thể trở nên dẫn điện khi được thêm các vật liệu khác. Các nhà nghiên cứu tìm ra phương pháp giúp PEEK trở nên dẫn điện khi kết hợp với Carbon Fiber.

3.4. Công nghiệp hóa chất

Ngành công nghiệp hóa chất: PEEK có khả năng chống hóa chất tốt, do đó có thể in 3D các thiết bị và linh kiện trong ngành công nghiệp hóa chất như ống dẫn, van, và các bộ phận tiếp xúc với hóa chất ăn mòn

3.5 Tổng hợp các ứng dụng in 3D nhựa PEEK trong các lĩnh vực

4. Những vấn đề thường gặp trong quá trình in 3D nhựa PEEK và cách khắc phục

4.1. Cong vênh (Warping)

Hiện tượng cong vênh là một vấn đề phổ biến khi in 3D nhựa PEEK do hiện tượng kết tinh và độ giãn nở nhiệt đáng kể của vật liệu có thể làm cho các lớp in co lại khi nguội. Điều này có thể dẫn đến các phần in không đều, giảm độ chính xác về kích thước và ảnh hưởng đến tính chất cơ học của sản phẩm.

Có một số giải pháp có thể được áp dụng để giảm thiểu hiện tượng cong vênh và cải thiện chất lượng của các bộ phận in 3D nhựa PEEK:

• Duy trì nhiệt độ cao cho đầu đùn, bàn in và buồng in
• Dùng găng tay để lấy các bộ phận ra khỏi bàn in khi chúng vẫn còn ấm.
• Sử dụng vật liệu thay thế có tốc độ kết tinh chậm hơn như PEKK.

4.2. Đốm hoặc vết loang màu (Discoloration)

Khi in 3D nhựa PEEK, hai vấn đề thường gặp là xuất hiện các đốm hoặc vết loang trên bề mặt của bộ phận hoặc những mảng màu nâu. Một số lớp in cũng có thể có màu tối hơn so với các lớp khác. Cả hai vấn đề này thường bắt nguồn từ quá trình kết tinh không đúng cách của vật liệu sau khi được đùn, thường là do dao động nhiệt độ trong buồng in.

Để giải quyết những vấn đề này, bạn có thể thử các biện pháp sau:

• Để buồng in có đủ thời gian để đạt nhiệt độ thích hợp và đảm bảo rằng nhiệt không bị thoát ra ngoài.
• Thực hiện ủ nhiệt cho các bộ phận sau khi in xong.

4.3. Mẫu in không bám bàn (Poor Bed Adhesion)

Khả năng bám dính vào bàn in là yếu tố rất quan trọng khi in 3D nhựa PEEK, vì loại polymer hiệu suất cao này không bám dính vào bề mặt dễ dàng như các loại polymer phổ biến như PLA. Thiếu độ bám dính giữa bàn in và lớp đầu tiên của nhựa PEEK có thể dẫn đến hiện tượng cong vênh hoặc tách rời trong quá trình in.

Các bề mặt in lý tưởng cho PEEK bao gồm các loại polymer hiệu suất cao như chính PEEK và một số chất liệu sợi thủy tinh như Garolite. Các bề mặt bàn in khác có thể sử dụng gồm kính phủ một lớp chất tạo độ bám dính như keo xịt hoặc keo dính, và các tấm đặc biệt được thiết kế cho các vật liệu chịu nhiệt cao.

Để khắc phục các vấn đề về độ bám dính vào bàn in, bạn có thể áp dụng các biện pháp sau:

• In chậm lại cho các lớp đầu tiên để đảm bảo sự tiếp xúc tốt hơn với bàn in.
• Sử dụng bề mặt in chuyên dụng như Garolite.

Sử dụng lớp đế (Raft) để đảm bảo tiếp xúc tối đa với bề mặt bàn in.