Optimization of screw extrusion-based additive manufacturing process for direct extrusion of polyketone

Abstract

La policetona alifática (PK) es una clase relativamente nueva de polímero semicristalino, conocida por sus propiedades químicas, térmicas y mecánicas mejoradas, así como por su respeto al medio ambiente. Estos atributos lo convierten en un candidato prometedor para reemplazar varios otros polímeros. Sin embargo, la producción de este polímero plantea un desafío debido a su limitada estabilidad térmica. Esta tesis se centra en evaluar la viabilidad de producir piezas estables mediante fabricación aditiva basada en extrusión de tornillo para dos tipos de polecetonas alifáticas. Las policetonas utilizadas en este estudio son PK6246 (policetona base) y PK8655 (policetona reforzada con fibra de vidrio). Se empleó una metodología experimental y una caracterización detallada. Inicialmente, se realizaron pruebas preliminares para determinar y limitar parámetros como el rango de velocidad de la mesa, las dimensiones de la pieza de trabajo y las temperaturas de extrusión. Las dimensiones de la pieza de trabajo se definieron en función de las limitaciones de la mesa de impresión, mientras que el rango de velocidad de la mesa y las temperaturas de extrusión se determinaron según las recomendaciones del proveedor. Posteriormente se imprimieron 30 piezas de cada tipo de policetona. Los resultados revelaron que se pueden producir piezas estables de PK6246 mediante fabricación aditiva basada en extrusora, cuando se eligen los parámetros de impresión correctos. Por el contrario, las piezas fabricadas con PK8655 mostraron un rendimiento deficiente. Las muestras PK6246 demostraron que las resistencias a la tracción entre capas (ángulo de impresión de 90°) pueden alcanzar valores de hasta 42 MPa, un valor razonablemente confiable considerando un ángulo de impresión de 90° y cercano a los 60 MPa especificados por el proveedor. Sin embargo, las muestras de PK8655 apenas excedieron los 30 MPa, significativamente más bajo que el valor especificado por el proveedor de 130 MPa. Además, la microestructura de las muestras de PK8655 mostró una porosidad significativamente mayor en comparación con cualquier muestra de PK6246. Además, la temperatura entre capas jugó un papel crucial en la determinación de los parámetros de impresión óptimos. Esto afecta la resistencia a la tracción y está influenciado por la velocidad de enfriamiento entre las capas, que a su vez depende de la velocidad de la mesa y la geometría de la capa. Una temperatura entre capas alta puede hacer que la pieza se hunda debido a la acumulación de calor, mientras que una temperatura entre capas baja puede provocar deformaciones, especialmente en las capas iniciales de la impresión.Aliphatic polyketone (PK) is a relatively new class of semicrystalline polymer, known for its enhanced chemical, thermal, and mechanical properties, as well as its environmental friendliness. These attributes make it a promising candidate to replace several other polymers. However, the production of this polymer is challenging by its limited thermal stability. This thesis focuses on assessing the feasibility of producing stable parts through screw extrusion-based additive manufacturing for two types of aliphatic polyketones. The polyketones used in this study are PK6246 (base polyketone) and PK8655 (glass fiberreinforced polyketone). An experimental methodology and detailed characterization were employed. Initially, preliminary tests were conducted to determine and constrain parameters such as table speed range, workpiece dimensions, and extrusion temperatures. The workpiece dimensions were defined based on printing table limitations, while the table speed range and extrusion temperatures were determined according to supplier recommendations. Subsequently, 30 pieces of each type of polyketone were printed. The results revealed that stable parts of PK6246 can be produced through extruder-based additive manufacturing, when the correct printing parameters are chosen. In contrast, parts made from PK8655 exhibited poor performance. PK6246 samples demonstrated inter-road tensile strengths (raster angle 90°) can reach values up to 42 MPa, a reasonably reliable value considering a raster angle of 90° and close to the 60 MPa specified by the supplier. However, PK8655 samples barely exceeded 30 MPa, significantly lower than the supplierspecified value of 130 MPa. Additionally, the microstructure of the PK8655 samples showed significantly higher porosity compared to any PK6246 sample. Furthermore, the interpass temperature played a crucial role in determining the optimal printing parameters. This affects tensile strength and is influenced by the cooling rate between strands, which in turn depends on the table speed and strand geometry. A high interpass temperature can cause the piece to sink due to heat accumulation, while a low interpass temperature can lead to warping, especially on the initial strands of printing.Aliphatische Polyketone (PK) ist eine relativ neue Klasse teilkristalliner Polymere, die für ihre verbesserten chemischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften sowie ihre Umweltfreundlichkeit bekannt sind. Diese Eigenschaften machen sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für den Ersatz mehrerer anderer Polymere. Die Herstellung dieses Polymers ist jedoch aufgrund seiner begrenzten thermischen Stabilität eine Herausforderung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Bewertung der Machbarkeit der Herstellung stabiler Teile durch additive Fertigung auf Basis der Schneckenextrusion für zwei Arten aliphatischer Polyketone. Die in dieser Studie verwendeten Polyketone sind PK6246 (Basispolyketon) und PK8655 (glasfaserverstärktes Polyketon). Es wurden eine experimentelle Methodik und eine detaillierte Charakterisierung verwendet. Zunächst wurden Vorversuche durchgeführt, um Parameter wie Plattformgeschwindigkeitsbereich, Werkstückabmessungen und Extrusionstemperaturen zu bestimmen und einzuschränken. Die Abmessungen der Werkstücke wurden auf der Grundlage der Einschränkungen der Druckplattform definiert, während der Geschwindigkeitsbereich der Plattform und die Extrusionstemperaturen auf der Grundlage der Empfehlungen des Lieferanten bestimmt wurden. Anschließend wurden 30 Stück jedes Polyketontyps gedruckt. Die Ergebnisse zeigten, dass sich durch Extruder basierte additive Fertigung stabile Teile aus PK6246 herstellen lassen, wenn die richtigen Druckparameter gewählt werden. Im Gegensatz dazu zeigten Teile aus PK8655 eine schlechte Leistung. PK6246-Proben wiesen eine Zugfestigkeit zwischen den Schichten (Rasterwinkel 90°) auf, die Werte von bis zu 42 MPa erreichen kann, ein einigermaßen zuverlässiger Wert in Anbetracht eines Rasterwinkels von 90° und nahe an den vom Lieferanten angegebenen 60 MPa. PK8655-Proben überstiegen jedoch kaum 30 MPa und lag damit deutlich unter dem vom Lieferanten angegebenen Wert von 130 MPa. Darüber hinaus zeigte die Mikrostruktur der PK8655- Proben eine deutlich höhere Porosität als jede PK6246-Probe. Darüber hinaus spielte die Zwischenlagentemperatur eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der optimalen Druckparameter. Diese wirkt sich auf die Zugfestigkeit aus und wird von der Abkühlrate zwischen den Strängen beeinflusst, die wiederum von der Plattformgeschwindigkeit und der Stranggeometrie abhängt. Eine hohe Zwischenlagentemperatur kann dazu führen, dass das Teil aufgrund von Hitzestau absinkt, während eine niedrige Zwischenlagentemperatur insbesondere bei den ersten Druckschichten zu Verformungen führen kann.