新しい研究により、3DプリントにおけるPEEKの結晶化プロセスが明らかになり、材料特性をより適切に制御できるようになりました。

新しい研究により、3DプリントにおけるPEEKの結晶化プロセスが明らかになり、材料特性をより適切に制御できるようになりました。
2024年3月15日、Antarctic Bearは、研究者が3Dプリントプロセス中のポリエーテルエーテルケトン(PEEK)の結晶化プロセスをマッピングすることに成功したことを知りました。 この研究は、米国空軍研究所、コーネル大学、ボーイングの研究者らによるものである。

△この研究結果はMacromolecules誌に掲載されており、設計者やエンジニアが3Dプリントパラメータが部品の機械的特性に与える影響をより深く理解するのに役立ちます。これらのパラメータには、材料堆積速度、3Dプリントヘッド速度、3Dプリントヘッド温度、3Dプリントベッド温度、ノズル径(ポータル)が含まれます。
PEEK などの高性能ポリマーは、耐高温性や軽量性などの優れた機械的特性を備えているため、3D プリントでますます使用されるようになっています。研究者たちは、3Dプリント部品の性能をより適切に制御するには、3Dプリントプロセス中にこれらの材料の内部構造がどのように形成されるかをより深く理解する必要があると考えています。

△ 3Dプリント中のPEEKの結晶化プロセス(層状結晶構造への硬化とも呼ばれる)をX線で記録することに成功しました。
PEEK 3Dプリントの結晶化のマッピング

研究者たちは、3D プリントのパラメータと最終部品の性能との相関関係についてはまだ十分に理解されていないと考えています。これは、PEEK のような結晶化速度の速いポリマーの押し出しベースの付加製造に特に当てはまります。研究中、研究チームはシンクロトロンマイクロビーム広角X線散乱(WAXS)を使用して、FFF 3D印刷プロセス中の材料の結晶形成プロセスを記録しました。 X 線が物質に当たると、電子と接触してさまざまな方向に散乱します。

△ 3 つの異なる 3D プリントベッド温度での結晶度指数曲線 WAXS では、この散乱が発生する角度と強度がプロットされ、分析されて、材料の内部結晶構造に関する重要な情報が決定されます。この技術を使用して、研究者は、3D プリンターのノズルから押し出された後の最初の数秒以内に PEEK 材料がどのように結晶化するかを示す詳細なマップを作成することができました。実験中、3D プリントを複数回実行し、プリントベッドの温度を 145°C、175°C、205°C に設定して測定を行いました。 3D プリントノズルの温度は常に 400°C に維持されます。

△WAXS画像取得プロセス 試験中に収集されたデータは、時間の経過と共に材料がどのように、どこで結晶化したかを示す詳細な2次元マップにまとめられました。研究の結果、PEEK の結晶化は 3D プリントベッドに最も近い層で最初に起こることが示されました。その後、押し出された材料が完全に硬化するまで、プロセスは徐々に垂直上方に移動します。

データは、3D プリントベッドの温度上昇と結晶化の開始との間に明確な相関関係があることも明らかにしました。実際、3D プリントベッドの温度を高くして印刷すると、材料の硬化プロセスが始まるまでに時間がかかります。さらに研究者らは、より高いプリントベッド温度で 3D プリントされた材料は最終的な結晶度が高くなり、硬度と密度が増加することを発見しました。

研究者らは、最終的に、この発見により、PEEK を使用する人々は 3D 印刷パラメータをより細かく制御できるようになり、3D 印刷された部品の機械的特性を正確に判断できるようになると述べています。


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