Effects of over-extrusion on porosity, mechanical properties and printing quality of additively manufactured PEKK and CF-PEKK parts. Future orientation of fused filament fabrication

Abstract

El modelado por deposición fundida (MDF) es la tecnología más común dentro de la fabricación aditiva. Se distingue por los bajos costes de producción, la facilidad para obtener piezas con formas complejas y el amplio abanico de materiales compatibles. Recientemente, el desarrollo de impresoras 3D de alta temperatura ha permitido la incorporación de polímeros con propiedades termo-mecánicas relativamente altas y de sus correspondientes materiales compuestos. Entre ellos se encuentran el PEKK y el PEKK reforzado con fibras de carbono (CF-PEKK). El PEKK es un termoplástico de alto rendimiento que pertenece a la familia de la poliariletercetona (PAEK) con excelentes propiedades mecánicas. Destaca su alta resistencia a la tracción y su módulo de elasticidad comparable al del aluminio, así como su resistencia a elevadas temperaturas. La adición de fibras de carbono a la matriz de PEKK mejora las ya excelentes propiedades mecánicas que ofrece el polímero por sí mismo. Por todo ello, existe un creciente interés en ambos materiales para aplicaciones industriales.

A pesar de las ventajas mencionadas, las piezas modeladas por deposición fundida presentan deficiencias intrínsecas que han limitado mayormente las aplicaciones de esta tecnología a la creación de prototipos. Este estudio investiga la sobre-extrusión como solución para reducir el grado de anisotropía mecánica de piezas de PEKK y CF-PEKK fabricadas aditivamente. Los resultados del estudio sugieren que la mejora del rendimiento mecánico es función de la reducción de la porosidad. En el caso del PEKK, un aumento del 5% en el multiplicador de extrusión (ME) resulta en una reducción de la porosidad de 0,53 pp y no se detecta ninguna mejora en las propiedades mecánicas. En cambio, la misma sobre-extrusión da lugar a una disminución de 1,63 pp de la porosidad interna del CF-PEKK, lo que lleva a una mejora del 32,6% de la resistencia a la tracción. Además, se estudia el impacto de la sobre-extrusión, así como de una novedosa técnica de recocido con sal, sobre la calidad de impresión. En ningún caso se detectan cambios estructurales ni dimensionales significativos.

Fused filament fabrication (FFF) is a very promising additive manufacturing (AM) technology that offers many advantages including lower production costs, ease of manufacturing complex parts and abundant compatible feedstock. The development of high-temperature FFF 3D printers has allowed the incorporation of polymers with relatively high thermomechanical properties and their composites. Among them are polyetherketoneketone (PEKK) and PEKK reinforced with chopped carbon fibers (CF-PEKK). PEKK is a high-performance thermoplastic that belongs to the polyaryletherketone (PAEK) family with excellent mechanical properties, namely their high tensile strength and modulus comparable to aluminum, and their resistance to elevated temperatures. The addition of carbon fibers to the PEKK matrix improves the already excellent properties offered by the polymer alone and hence there is growing interest for future high-demanding applications.

Despite the aforementioned advantages, intrinsic deficiencies of FFF printed parts have prevented this technology from competing with other AM processes and have mostly limited its applications to rapid prototyping. This paper aims to investigate over-extrusion as a potential solution to address the large degree of mechanical anisotropy of additively manufactured PEKK and CF-PEKK. The results of the study suggest that the improvement of the mechanical performance is a function of the porosity reduction. For PEKK, a 5% increase in the EM results in a 0.53 pp porosity reduction and no improvement in mechanical properties is detected. By contrast, the same over-extrusion results in a 1.63 pp reduction of CF-PEKK internal porosity and a 32.6% enhancement of the tensile strength. The slight increase in the EM is not enough to appreciably enhance the Young’s modulus. Finally, the impacts of over-extrusion, as well as a novel approach to annealing parts (in a salt-packed container), on printing quality were also studied. No significant structural or dimensional changes were detected with the higher EM or with annealing in salt.