Zortrax Endureal上的3D列印-高性能複合模型

11/9/2020

概要

在歐洲航天局的支持下，已經開發出了使用雙擠出技術從兩種高性能聚合物中列印複合模型的功能。
Zortrax Endureal 3D列印機採用標準PEEK和ESA開發的實驗導電PEEK製造而成，這是世界上第一個完全由PEEK聚合物以雙擠出方式完全打印的3D數據傳輸設備。
3D列印複合模型的功能使工程師能夠設計具有高級功能的高性能零件，例如磨損檢測，故障警報或響應溫度或電流而改變幾何形狀。

Zortrax研發團隊已經在3D列印的道路上邁出了重要的一步，該技術是由我們的雙擠出工業3D列印機Endureal的兩種高性能聚合物中的智能複合材料組成的。通過將純PEEK與歐洲航天局開發的PEEK實驗性導電混合物相結合，已成功構建了具有能量和數據傳輸功能的概念驗證模型。

採用雙重擠壓成型的複合3D模型，具有純PEEK主體，並由ESA開發的實驗性導電PEEK印刷出導電路徑。

重新定義高性能聚合物

高性能聚合物如Z-PEI 9085或基於PEEK的材料，可提供相當與航空工程和探空探索之金屬合金相當的熱性能和機械性能，PEEK樣品已通過日本航天局JAXA的廣泛測試，並在熱循環，振動和輻射測試中取得優異的數據；在國際空間站的MPAC和SEED實驗期間，他們甚至已經暴露於開放空間數月。

3D列印Z-PEI 90852的航空機構零件。

歐洲空間研究與技術中心（ESTEC）的工程師們想出來了更多方法來改善這種材料。早在2018年，ESTEC團隊就發表了一篇研究論文，發表俱導電特性的PEEK 3D列印線材，將不是導體的PEEK重新研發、設計後，可以用作能量或數據傳輸材料，該團隊通過將PEEK與碳奈米管和石墨奈米顆粒以適當的比例混合以實現導電性，。唯一缺少的部件是可以使用這種材料在標準PEEK主體中形成導電路徑的3D列印機，由於市場上沒有這種3D列印機，因此Zortrax發起了一項研究項目以使這項工作得以實現。

規格空間不足

Zortrax工程團隊設法提高了擠出系統的剛性，從而使尺寸精度更高，這是一個嚴峻的挑戰，因為在模型上工作的兩個噴嘴必須在整個打印過程中保持相對的穩定位置，考慮到3D列印機使用高性能聚合物進行打印所必須滿足的要求，Endureal是硬體平台的最佳選擇。

Endureal擠出機的隔室與放置在其下方的列印空間有熱隔離。

現在最高擠出溫度為480°C，列印艙室和加熱底板的最高溫度分別可以達到200°C和220°C，可減少高性能材料的翹曲和收縮；此外，用戶可以精確地定義這些溫度中的每一個。

在能夠列印PEEK的3D列印機中，Zortrax Endureal的列印空間大，並且處於同類產品領先地位。

與其他能夠處理PEEK材料的3D列印機相比，Endureal的列印空間非常大，為400 x 300 x 300mm。這意味著該機器可以在必要時容納整個1U和2U奈米衛星，Endureal所有的特點、規格，已經成為用於航空航天應用的理想3D列印機。

重新設計的雙擠出系統

雙擠壓技術使3D列印機可以與兩種材料互換使用，擠出系統在兩個獨立的噴嘴之間切換，以在正確的位置沉積正確的材料。到目前為止，我們一直在使用它從一種材料中構建模型，並從另一種材料中構建結構。這樣我們可以通過從可溶性或易碎材料（例如Z-SUPPORT ATP或Z-SUPPORT HT）中列印支撐來簡化後處理過程。

Endureal上列印的Z-PEI 9085材料。有Z-SUPPORT HT支撐材(左側)；已移除支撐的相同模型(右側)。

想像一下電子設備的X光掃描，塑膠盒內部將清晰可見電線和電路。我們希望從事高科技行業的工程師能夠設計電路和排線佈局，將它們全部嵌入到模型主體中，並在一台3D列印機上一次性進行3D列印。我們希望這種設備具有在PEEK等聚合物中發現的所有類鋼性能，我們的目標是列印具有簡單能量和數據傳輸功能的組件，這些組件可以承受太空環境的影響。

一個複合模型，其導電路徑在頂部可見，並完全嵌入在PEEK主體的底部。

為此，我們重新定義了雙重擠壓的工作方式，我們不是定義模型並使用單獨的材料，而是定義了模型的哪些部分應使用哪種材料進行列印，由於我們希望使用高性能線材來完成所有工作，因此我們要求ESA讓我們嘗試使用其導電PEEK來完成，而且我們成功了。

突破性的創新

用兩種高性能聚合物構建複合材料模型，為航空航天領域提供了無限可能，能源和數據傳輸功能僅僅是開始，我們已經測試過我們的模型，並通過RS-232協議，通過3D列印ESA的導電PEEK材料實現了9600 bit / s的傳輸速率，這足以應付太空中的緊急情況。

3D列印通過專用於PEEK的數據傳輸，傳輸世界上第一個圖像。

未來，相同的技術可以用於所謂的4D列印，其中第四維是時間。例如，存在響應於溫度或電流的變化而改變其特性的材料。因此，可以列印在其周圍的溫度超過一定閾值時自動啟動的功能性機械手臂，或者在對其施加電流時根據需要自動啟動的功能性機械手臂。

由ESA開發的PEEK和導電PEEK已在Zortrax Endureal上進行了3D列印。(原廠內建參數，無需進行任何自定義修改)

關於Endureal的最重要的事情，可能是支持所有這些功能以及更多功能的硬體已經準備就緒。這是因為我們的研發團隊使用具有標準硬體配置的Endureals進行工作，我們在研究項目中沒有調整或修改列印機，我們正在使用與銷售給客戶相同的設備，這意味著，當我們正在開發的複合雙擠出3D列印和其他激動人心的技術達到生產水平時，它們將通過簡單的軟體更新發佈到市場上。

本文中表達的觀點絕不能反映歐洲航天局的正式意見。

此文章轉發至https://zortrax.com/blog/3d-printing-high-performance-composite-models-on-zortrax-endureal/

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