Räätälöidyt PTFE-osat lämmittimille-kiinnityskannattimet, riviliittimet, erityiset välikkeet-vaativat yleensä kalliin koneistuksen. 3PTFE:n D-tulostus, vaikka se onkin haastavaa, on nyt mahdollista ja tarjoaa tavan tuottaa nopeasti monimutkaisia, kertaluonteisia komponentteja ilman työkaluja. Additiivinen valmistus tunkeutuu teollisiin lämmityssovelluksiin tarjoamalla nopeita prototyyppejä ja tilattavia varaosia PTFE-lämmitinkokoonpanoihin. Tekniikka on kuitenkin vielä kypsymässä, ja sen nykyisten ominaisuuksien ja rajoitusten ymmärtäminen on välttämätöntä realistiselle käyttöönotolle.
Miksi PTFE:tä on vaikea tulostaa perinteisesti?
Useimmat 3D-tulostusprosessit perustuvat filamentin sulattamiseen ja sen suulakepuristamiseen kerros kerrokselta (fuusiopinnoitusmallinnus, FDM). PTFE ei sula eikä valu kuten kestomuovit; sillä on äärimmäisen korkea sulaviskositeetti-, joten se ei ole riittävän juoksevaa suulakepuristus-pohjaista tulostusta varten. Sen sijaan PTFE siirtyy suoraan kiinteästä aineesta kumimaiseen, tahnamaiseen tilaan ennen kuin se hajoaa noin 327 asteessa. Tämä käyttäytyminen tekee tavanomaisesta puhtaan PTFE:n FDM-tulostuksesta epäkäytännöllistä.
Kaksi vaihtoehtoista lisäainevalmistusmenetelmää on syntynyt tämän rajoituksen voittamiseksi:
Liitä ekstruusio sintrauksella
3D-tulostettu PTFE-lämmitinkomponentti voidaan valmistaa pastasuulakepuristusmenetelmällä. PTFE-jauhe sekoitetaan nestemäisen sideaineen kanssa tahnaksi, joka puristetaan hienon suuttimen läpi. Painettu "vihreä osa" alistetaan sitten sidosten poistovaiheeseen (sideaineen poistaminen termisesti tai kemiallisesti), jota seuraa korkean lämpötilan sintraus (noin 380 astetta). Sintrauksen aikana PTFE-hiukkaset sulautuvat yhteen muodostaen kiinteän, vaikkakin hieman huokoisen rakenteen.
Tämä prosessi on analoginen metalliruiskupuristukseen (MIM) ja tuottaa osia, joiden mekaaniset ominaisuudet ovat lähellä puristusmuovatun PTFE:n mekaanisia ominaisuuksia, mutta joissa on jonkin verran jäännöshuokoisuutta. Sintratulla 3D-painetulla PTFE:llä on tyypillisesti hieman pienempi tiheys (2,10–2,15 g/cm³ vs. 2,17–2,20 g/cm³ ensiövaletulle PTFE:lle) ja pienempi vetolujuus (18–22 MPa verrattuna 25–30 MPa:iin koneistetuissa massamuotoissa).
PFA tulostettavana vaihtoehtona
Perfluorialkoksialkaani (PFA) on sula{0}}prosessoitava fluoripolymeeri, jonka ominaisuudet ovat hyvin samankaltaiset kuin PTFE-erinomainen kemiallinen kestävyys ja jatkuva käyttölämpötila jopa 260 astetta. PFA on saatavana filamenttina FDM-tulostimiin, joissa on korkean lämpötilan kuumat päät (yli tai yhtä suuri kuin 350 astetta) ja lämmitetyt kammiot vääntymisen estämiseksi.
Vaikka PFA ei ole PTFE, se hyväksytään usein kemiallisissa kuumennussovelluksissa, joissa PTFE muutoin määritettäisiin. PFA-osat voidaan tulostaa suoraan ilman sintrausta, jolloin saavutetaan lähes -täysi tiheys ja hyvä kerrosten välinen tarttuvuus. Kompromissi- on hinta: PFA-filamentti on huomattavasti kalliimpaa kuin PTFE-jauhe{4}}pohjaiset järjestelmät, ja tulostuslaitteet vaativat suljetun -silmukan lämpötilan säädön.
Käytännön sovelluksia PTFE-lämmitinkomponenteille
Mahdollisuus tulostaa mukautettu välikappale yössä on käytännöllistä todellisuutta lämmittimien valmistajille ja huoltotiimille. Tietyt komponentit, jotka sopivat hyvin-3D-tulostukseen, ovat:
Asennuskannattimet: Ei--standardit PTFE-lämmittimien kiinnittämiseen omituisiin-muotoisiin säiliöihin. Teline, jonka koneistus PTFE-aihiosta kestäisi kaksi viikkoa, voidaan suunnitella ja tulostaa 48 tunnissa.
Liitinkotelot: Suojakannet kylmäosan liittimien päällä. Nämä eivät näe mekaanista kuormitusta ja vain kohtuullisia lämpötiloja (alle tai yhtä suuria kuin 100 astetta), mikä tekee huokoisuudesta vähemmän kriittistä.
Mukautetut välilevyt ja erottimet: Osat, jotka säilyttävät tarkat raot lämmittimien tai lämmittimen ja säiliön seinämän välillä. Painetulla PTFE:llä on helppo täyttää välilevyjen alhaiset rakenteelliset vaatimukset.
Roiskesuojat ja tippasuojat: Monimutkaiset kaarevat muodot, jotka estävät kemikaaliroiskeet pääsemästä sähköliitäntöihin. Sintratun PTFE:n vähäinen huokoisuus ei vaaranna roiskesuojausta.
Loppukäyttäjille, jotka käyttävät mukautettuja pinnoituslinjoja tai kemiallisia reaktoreita, a3D-tulostettu PTFE-lämmitinkomponenttivoidaan valmistaa-toivomuksesta, mikä eliminoi tarpeen varastoida laajaa valikoimaa varaosia. Osatiedostojen digitaalinen inventaario mahdollistaa rikkinäisen kannakkeen tulostamisen paikallisesti, mikä vähentää seisokkeja viikoista tunteihin.
Nykyiset rajoitukset: Missä 3D-tulostus ei voi vielä korvata koneistettua PTFE:tä
PTFE-lämmitinkomponenttien lisävalmistus ei korvaa yleistä perinteistä koneistusta. Useita rajoituksia säilyy:
Huokoisuus ja dielektrinen lujuus
Sintratulla painetulla PTFE:llä on mitattavissa oleva huokoisuus (tyypillisesti 3–8 % huokostilavuudesta). Tämä vähentää sen dielektristä lujuutta verrattuna täysin tiheään, koneistettuun PTFE:hen. Komponenttien, jotka toimivat sähköeristeinä jännitteisten liittimien lähellä (esim. riviliittimet tai erottimet, jotka eristävät lämmityselementtejä), heikentynyt dielektrinen suorituskyky voi aiheuttaa seurannan tai kaaren välähdyksen vaaran. Useimpia painettuja PTFE-komponentteja suositellaan tällä hetkellä vain ei--dielektrisiin-kriittisiin rooleihin.
Mekaaninen lujuus jatkuvassa kuormituksessa
Koneistettu PTFE kestää noin 4–5 MPa:n (600–700 psi) jatkuvan puristusjännityksen minimaalisella virumalla. Sintratulla painetulla PTFE:llä on korkeampi virumisnopeus ja pienempi myötöraja, minkä vuoksi se ei sovellu kuormitusta{5}}kantaviin laippoihin, painetta-pidäviin osiin tai komponentteihin, joihin kohdistuu suuri pulttimomentti. Kannatin, jonka on kestettävä 3 kW:n PTFE-lämmittimen paino, tulee silti työstää alkuperäisestä PTFE:stä tai PFA:sta.
Huokoisuuden kemiallinen kestävyys
Vaikka PTFE itsessään on kemiallisesti inertti, painetun osan avoimet huokoset voivat vangita prosessinesteitä. Aggressiivisissa ympäristöissä (esim. väkevä typpihappo tai kuuma kromihappo) huokosiin jäänyt neste voi laajentua lämpökierron aikana aiheuttaen mikro-halkeamia ja mahdollisesti osien rikkoutumisen. Tiivistyskäsittelyt (esim. kyllästäminen fluoratulla vahalla) voivat vähentää huokoisuutta, mutta lisätä prosessivaiheita.
Materiaalin sertifiointi
Monet teolliset lämmityssovellukset edellyttävät materiaalien jäljitettävyyttä ja sertifiointia (esim. ASTM D4894 PTFE:lle).. 3D-painetuilla komponenteilla, joissa käytetään mukautettuja jauhe-sideainekoostumuksia, ei välttämättä vielä ole samoja sertifikaatteja, mikä rajoittaa niiden käyttöä säännellyillä teollisuudenaloilla, kuten lääke- tai puolijohdevalmistuksessa.
PFA:n rooli kuilun kuromisessa
Sovelluksiin, jotka vaativat sulate{0}}prosessoitavuutta ja erinomaisia mekaanisia ominaisuuksia, PFA-tulostus on kypsempi ratkaisu. PFA-komponentit voidaan tulostaa korkean lämpötilan -FDM-tulostimilla (esim. käyttämällä polyeetteri-imidi- (PEI) tai polyeetteriketoni (PEEK){5}}-laitteita, joiden kerrostartunta on riittävän vahva toiminnallisiin kiinnikkeisiin ja liitinkoteloihin. Ensisijainen haittapuoli on hinta-PFA-filamentti voi ylittää 500 per kiloa verrattuna 500:aan kilogrammaa kohti, verrattuna 50–100 kiloon tavallisten teknisten filamenttien osalta.
Kuitenkin yksittäisissä-arvokkaissa-sovelluksissa, joissa seisokkiaika on kallista, PFA-filamentin hinta on mitätön verrattuna nopean tuotannon säästöihin. Painettu PFA-terminaalikotelo, joka saapuu-työmaalle kahdessa päivässä verrattuna koneistettuun PTFE-osaan kahdessa viikossa, on vakuuttava arvolupaus monille laitoksille.
Tulevaisuuden näkymät: Fluoripolymeerien lisäainevalmistuksen kypsyminen
Laitevalmistajat kehittävät aktiivisesti erityisiä PTFE-3D-tulostimia, joissa yhdistyvät korkean lämpötilan{1}}pastan suulakepuristus tarkkoihin sintrauskammioihin. Kun nämä järjestelmät kypsyvät, painetun PTFE:n tiheyden ja mekaanisten ominaisuuksien odotetaan lähestyvän muotoiltuja muotoja. Samanaikaisesti alan elimet, kuten ASTM International (Committee F42 on Additive Manufacturing), kehittävät painettujen fluoripolymeerien standardoituja testimenetelmiä.
Mahdollisuus tulostaa mukautettu välilehti yhdessä yössä on nykyään käytännöllistä todellisuutta, vaikkakin suorituskyvyn{0}}vähennyksin. Ei--kriittisten komponenttien-kannattimien, koteloiden, suojusten ja välikkeiden-3D-tulostus on jo varteenotettava vaihtoehto koneistukselle. Kriittisten eristys- tai painetta pidättävien komponenttien osalta perinteinen valmistus pysyy vakiona.
Johtopäätös
3D-tulostus tarjoaa jännittävää joustavuutta mukautetuille PTFE-lämmitinkomponenteille, vaikka se tällä hetkellä täydentää perinteistä valmistusta sen sijaan, että se korvaa. Lisäainevalmistuksen rooli teollisuuden lämmityksessä kasvanee materiaalien ja prosessien kypsyessä. Lähiajan potentiaali piilee nopeassa prototyyppien valmistuksessa ja-on-demand-varaosissa vähän-rasittuviin, ei--dielektrisiin sovelluksiin. Kun sintrattu tiheys paranee ja sertifiointireittejä ilmaantuu, painetulla PTFE:llä on suurempi rooli lämmittimen suunnittelussa, mikä mahdollistaa geometriat ja mukautukset, jotka ovat yksinkertaisesti liian kalliita koneistaa. Toistaiseksi määritetään a3D-tulostettu PTFE-lämmitinkomponenttion käytännöllinen päätös tiettyihin käyttötapauksiin,{0}}joka vähentää läpimenoaikoja ja varastokustannuksia vaarantamatta prosessin turvallisuutta, kun se toteutetaan tekniikan nykyisten rajojen sisällä.
