Với nhu cầu bùng nổ về các linh kiện nhẹ và tùy chỉnh trong robot hình người, hàng không vũ trụ và cấy ghép y tế cao cấp, polyetheretherketone (PEEK), một loại nhựa kỹ thuật đặc biệt hàng đầu, đang mở ra một mô hình sản xuất mới thông qua công nghệ in 3D. Tuy nhiên, việc chuyển đổi PEEK, một loại vật liệu có hiệu suất tương đương với kim loại, thành các linh kiện in 3D chính xác và đáng tin cậy không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Các chuyên gia trong ngành chỉ ra rằng nhiệt độ xử lý cực cao và việc kiểm soát phức tạp quá trình kết tinh là hai thách thức kỹ thuật cốt lõi hiện đang hạn chế ứng dụng quy mô lớn của sản xuất bồi đắp PEEK.
"Lấy lửa làm bánh pie": Trường nhiệt độ chính xác trên 400℃
Việc in 3D PEEK, trước hết và trên hết, là một thách thức đối với nhiệt độ cực cao. Điểm nóng chảy của PEEK cao tới 343°C.℃và nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của nó cũng là 143℃Cao hơn nhiều so với các vật liệu in thông thường như PLA và ABS.
"Điều này đòi hỏi toàn bộ môi trường in phải tạo ra một trường nhiệt độ cao cực kỳ ổn định và đồng đều," một kỹ thuật viên trong ngành giải thích. Lấy quy trình tạo hình lắng đọng nóng chảy (FDM/FFF) phổ biến nhất làm ví dụ, nhiệt độ vòi phun cần phải duy trì ổn định ở mức khoảng 400 độ.℃Trong khi đó, buồng in cần được làm nóng đến khoảng 100 độ C.℃và tấm đế (bàn nhiệt) cần đạt nhiệt độ 200-300 độ.℃Bất kỳ sự dao động nhiệt độ nhỏ nào cũng có thể gây ra hiện tượng cong vênh nghiêm trọng, tách lớp và thậm chí là lỗi in trong quá trình lắng đọng và làm nguội sợi PEEK nóng chảy.
Kiểm soát tinh thể: Động học kết tinh quyết định hiệu suất cuối cùng
Nếu nhiệt độ cao là ngưỡng phần cứng, thì việc kiểm soát chính xác quá trình kết tinh của PEEK là vấn đề phần mềm cốt lõi hơn. PEEK là một polyme bán tinh thể, và các đặc tính cơ học tuyệt vời, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn của nó phần lớn là nhờ vào khoảng 30% thành phần tinh thể bên trong vật liệu.
Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Giao thông Tây An chỉ ra rằng, lịch sử nhiệt độ trong quá trình in ấn quyết định trực tiếp hình dạng và tốc độ kết tinh, cuối cùng ảnh hưởng đến độ bền, độ ổn định kích thước và độ bền của chi tiết. Trong các quy trình thiêu kết laser (như SLS hoặc HT-LPBF), vùng nóng chảy trải qua quá trình gia nhiệt và làm nguội nhanh chóng, bao gồm các quá trình kết tinh không đẳng nhiệt động và kết tinh đẳng nhiệt bán tĩnh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, thông qua việc tối ưu hóa quy trình để đạt được sự kết tinh đẳng nhiệt đầy đủ hơn, các chi tiết được in có thể đạt được độ bền cao hơn.
Tích hợp quy trình: Từ xác minh tính khả thi đến sản xuất linh kiện cuối cùng
Mặc dù gặp phải nhiều thách thức, tính khả thi về mặt kỹ thuật của công nghệ in 3D PEEK đã được chứng minh. Từ năm 2015, khi ngành công nghiệp in thành công ống dẫn khí nạp nhiên liệu cho xe (thay thế cho nhôm) có thể chịu được nhiệt độ 240°C và có độ tin cậy cơ học tuyệt vời, công nghệ này đã chuyển từ sản xuất nguyên mẫu sang sản xuất trực tiếp các linh kiện sử dụng cuối cùng.
Hiện nay, thiêu kết laser chọn lọc (SLS) và tạo hình lắng đọng nóng chảy (FDM) là hai quy trình chính được sử dụng. SLS phù hợp hơn cho việc chế tạo các hình dạng phức tạp và các bộ phận sử dụng cuối có độ chính xác cao, chẳng hạn như thiết bị cấy ghép sọ não đã đề cập ở trên; trong khi FDM có lợi thế về chi phí và thời gian đối với các bộ phận kết cấu kích thước lớn và các đồ gá tùy chỉnh. Thách thức chung mà cả hai đều gặp phải là làm thế nào để duy trì hiệu suất vật liệu mà không bị suy giảm trong quá trình xử lý ở nhiệt độ cao và đảm bảo sự khuếch tán phân tử tốt và sự kết dính giữa các lớp để tránh ứng suất bên trong do sự co ngót tinh thể và sự suy giảm hiệu suất dẫn đến.
Con đường phía trước: Đổi mới vật liệu và trí tuệ quy trình
Để vượt qua những nút thắt hiện có, ngành công nghiệp hiện đang đồng thời tập trung vào cả vật liệu và quy trình. Một mặt, vật liệu composite PEEK gia cường sợi carbon liên tục (CF/PEEK) đã trở thành hướng đi hàng đầu, có thể tăng cường đáng kể khả năng chịu kéo và chịu va đập của các bộ phận, nhưng cũng đặt ra yêu cầu cao hơn đối với quy trình tẩm sợi và in ấn. Mặt khác, tối ưu hóa đường in và kiểm soát trường nhiệt độ thông qua các thuật toán trí tuệ nhân tạo để đạt được khả năng dự đoán và điều chỉnh thông minh quá trình kết tinh đã trở thành chìa khóa để nâng cấp quy trình.
Khi nhu cầu thị trường hạ nguồn trong các lĩnh vực như cấu trúc nhẹ hàng không vũ trụ, linh kiện tùy chỉnh cho xe năng lượng mới và khớp robot hình người ngày càng rõ ràng, việc khắc phục những khó khăn kỹ thuật của công nghệ in 3D PEEK không còn chỉ là vấn đề lý thuyết; nó đã trở thành một cuộc cạnh tranh công nghiệp để giành lấy vị thế dẫn đầu trong sản xuất tương lai. Tất cả các lĩnh vực nghiên cứu, giáo dục và công nghiệp trong nước đang đẩy mạnh hợp tác để thúc đẩy sự kết hợp giữa vật liệu mới và công nghệ mới này, chuyển từ phòng thí nghiệm ra thị trường công nghiệp rộng lớn hơn.
