3Dプリントが炭素繊維強化PEEK複合材料の粉末床溶融成形メカニズムを突破

3Dプリントが炭素繊維強化PEEK複合材料の粉末床溶融成形メカニズムを突破
ポリエーテルエーテルケトン(略してPEEK)は、優れた機械的特性、高いガラス転移温度(145°C)、融点(339°C)を備えた高温熱可塑性プラスチックです。繊維強化PEEK複合材料は、強度、弾性率、熱変形温度が高く、航空宇宙、自動車製造などの分野でアルミニウムやアルミニウム合金などの金属材料を置き換えることができます。 3D 印刷技術の一種である選択的レーザー焼結 (SLS) は、複雑な構造部品の製造や構造の最適化において独自の利点があり、PEEK とその複合材料の 3D 印刷を非常に魅力的なものにしています。


しかし、現在のPEEKおよびその複合材料のSLS部品の強度は射出成形部品よりも低く、PEEKおよびその複合材料の3Dプリント部品の適用範囲が大きく制限されています。同時に、処理温度が高い(> 300°C)ため、設備に大きな課題が生じています。現在、PEEK材料のSLS成形に使用できる設備は少なく、市販されている設備はEOSP800、EOSP810などのみですが、これらは高価でシステムが閉鎖的であるため、PEEKのSLSプロセス研究や複合材料の配合研究が大きく制限されています。

図 1. PEEK および CF/PEEK 複合材料のゼロせん断粘度と温度の関係。この記事では、SLS を使用して高強度炭素繊維 (CF) 強化 PEEK 複合材料を製造し、高温レオロジー挙動に基づいて CF/PEEK 複合材料の焼結メカニズムを詳細に研究します。シミュレートされた温度分布と粘度と温度の関係を組み合わせることで新しい有効溶融領域が定義され、予測プロセス計画に使用されます。

図2. PEEKおよびCF/PEEKで計算された有効溶融面積(ae)とPEEKの熱重量曲線(f) 計算結果に基づいて、CF/PEEKでSLSプロセス実験を実施しました。結果によると、レーザー出力が18.5W、スキャン速度が3000mm/s、スキャン間隔が0.12mm、層厚が0.1mmの場合、炭素繊維含有量が10%の複合材料の引張強度は109±1 MPa、引張弾性率は7365±468 MPaに達しました。炭素繊維含有量が5%の複合材料の曲げ強度は183±4 MPaに達し、PEEK射出成形部品の強度よりもはるかに高い値でした。これは、ゼロせん断粘度に基づく有効溶融領域の計算が SLS 熱モデルの補足として機能し、高溶融粘度ポリマーとその複合材料の SLS プロセスを予測するために使用できることを証明しています。同時に、高強度および高弾性率の CF/PEEK の SLS 部品は、航空宇宙分野における部品のトポロジー最適化と迅速な製造の可能性も提供します。


図3. SLS焼結プロセスと標準試験サンプル参照
Mengxue Yan、Xiaoyong Tian*、Gang Peng、Dichen Li 他「選択的レーザー焼結中の CF/PEEK 複合材料の高温レオロジー挙動と焼結速度」、複合材料科学技術 165C (2018) pp. 140-147

出典:機械製造システム工学国家重点実験室
EOS、航空、航空宇宙、自動車、トポロジー最適化

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