Mechanical performance of PEKK-based components produced by FDM technology

In many industrial sectors, the use of components obtained with additive manufacturing (AM) techniques including the Fused Deposition Modelling (FDM) technique is growing. The semi-crystalline high-performance polymer PEKK (Poly ether ketone ketone) is an example of it in the aerospace field, as shown by the PEKK-based material Antero 800NA by Stratasys. However, the literature lacks the fatigue characterization of components produced with this material by FDM, which is necessary to study its reliability when subjected to cyclic loads. This paper reports the results of a fatigue characterization campaign of dog bone samples printed in Antero 800na, cyclically stressed in tension-tension with fatigue stress ratio R=0,1 and with the number of cycles to reach runout set at one million cycles. The results obtained have been elaborated with the log-likelihood technique to produce the stress-number of cycles curve (S-N curve) which summarizes the fatigue strength properties of a component. A comparison was made between samples printed vertically and horizontally, obtaining a better fatigue resistance for the latter. A link between the results obtained and the number of inclusions present in the cross-section of the specimens was found. On average 6,8% (±2,50%) in the vertical one and 4,8% (±1,12%) in the horizontal one. Another aspect addressed in this thesis is the effect of annealing on the crystallinity of the samples after printing, with the aim of increasing it to improve their mechanical performance. Different temperatures and annealing durations were tested, achieving the highest crystallinity level of the study at 18,6% (starting from 9,8%) with a 2-hour treatment at 250 °C. It was observed the presence of a secondary crystalline form that appears for high temperatures and durations of annealing, which contributes to the total crystallinity of the material. In addition to the above, a series of other tests were conducted on the material to deepen the knowledge about its thermal and mechanical properties, including DMA, DSC and rheological tests, and a study on moisture absorption by PEKK printed components.

In molti settori industriali è in crescita l’impiego di tecniche legate alla tecnologia additiva (AM), tra cui la tecnica di Modellazione a deposizione fusa (FDM). In ambito aeronautico trova impiego il polimero semi cristallino ad alta prestazione PEKK (Polietereketoneketone). Ne è un esempio l’Antero 800NA prodotto da Stratasys. In letteratura manca però la caratterizzazione a fatica di componenti realizzati con questo materiale tramite FDM, necessaria per studiarne l’affidabilità quando sottoposti a carichi ciclici. Questo elaborato riporta i risultati di una campagna di caratterizzazione a fatica di componenti a osso di cane stampati in Antero 800NA, sollecitati ciclicamente in tensione-tensione con rapporto di sollecitazione a fatica R=0,1 e con numero di cicli per raggiungere runout imposto a un milione di cicli. I risultati ottenuti sono stati elaborati con la tecnica della log-verosimiglianza per produrre la curva sforzo-numero di cicli (curva S-N) che riassume le proprietà di resistenza a fatica di un componente. Viene fatto un confronto tra campioni stampati in verticale e orizzontale, ottenendo una miglior resistenza a fatica per questi ultimi. È stato osservato un collegamento tra i risultati ottenuti e la quantità di inclusioni presenti nella sezione dei provini: in media 6,8% (±2,50%) nei verticali e 4,8% (±1,12%) negli orizzontali. Un altro aspetto affrontato nella tesi è l’effetto del trattamento di ricottura (annealing) sulla cristallinità dei campioni dopo la stampa, con l’obiettivo di aumentarla per migliorarne le prestazioni meccaniche. Diverse temperature e tempi di ricottura sono stati provati, ottenendo con un trattamento a 250°C della durata di 2 ore il livello più alto di cristallinità dello studio al 18,6% (partendo da 9,8%). È stata osservata la presenza di una seconda forma cristallina che compare per tempi e temperature elevati di ricottura, la quale contribuisce alla cristallinità totale del materiale. Oltre a quanto detto, una serie di altri test è stata condotta sul materiale per approfondire le conoscenze sulle sue proprietà termiche e meccaniche, tra cui test DMA, DSC e reologici e uno studio sull’assorbimento di umidità da parte di componenti stampati in PEKK.