Development of warm isostatic press (WIP) process for hybrid structures of additive manufactured PEEK and Ti-6Al-4V parts

Abstract

Polymer-metal hybrid structures have been used in various field because of their interactive synergy effect. Here, the warm isostatic press (WIP) process was designed and adopted to joint additive manufactured polyetheretherketone (PEEK) and Ti-6Al-4V (Ti64). For stable additive manufacturing (AM) of PEEK, the material extrusion (ME) process was developed at first. The PEEK showed superior mechanical property in terms of tensile strength at nozzle and chamber temperatures of 410 °C and 160 °C, respectively, without warpage. The AMed PEEK achieved extreme tensile strength of 91.4 MPa through heat treatment by increasing the crystallinity. To configure the interface of metal-polymer hybrid structures, AMed Ti64 lattice structures were used. The octet-truss and diamond lattice structures were tested to confirm the characteristics on compression load. The octet-truss lattice structure having a density of 30 % and a unit cell size of 3 mm. AMed PEEK and Ti64 with octet-truss were joined by WIP at pressure and temperature of 90 bar and 330 °C because the PEEK represented superior tensile strength under that WIP condition. The tensile and shear strength of PEEK-Ti64 hybrid structures were secured approximately 70-75 % of WIPed bulk PEEK. As a result, the PEEK-Ti64 hybrid structures were applied to the spinal cage and lightweight injection molding to demonstrate the feasibility. Thus, the joining method via the proposed WIP in this research is expected to be used in various industries.|플라스틱-금속 하이브리드 구조체는 상호작용적 시너지 효과로 다양한 분 야에서 활용된다. 본 연구에서는 Warm isostatic press (WIP) 공정을 채택 및 설계하여 Polyetheretherketone (PEEK)와 Ti-6Al-4V (Ti64)를 접합을 시도하였다. PEEK의 안정적인 적층 성형을 위해 Material extrusion (ME) 공정을 개발하였으며 410 °C의 노즐 온도와 160 °C의 챔버 온도에서 변형 없이 우수한 기계적 물성을 보였다. 특히, PEEK의 결정화도를 높이기 위해 추가적으로 300 °C에서 열처리를 진행하였으며 약 91.4 MPa의 우수한 인 장 강도를 확보하였다. 플라스틱-금속 하이브리드 구조체의 계면을 구성하 기 위해 Powder bed fusion (PBF) 공정으로 Ti64 격자 구조물을 제작하였 다. 격자 구조의 압축 거동을 확인하기 위하여 10, 30, 50 %의 밀도를 갖는 Octet-truss와 Diamond의 압축 시험을 진행하였다. 30 %의 Octet-truss 구조물에서 밀도 대비 높은 압축 강도를 보였다. 즉, 밀도 30 %의 Octettruss의 유닛 셀 크기를 변경하여 PEEK와 Ti64의 접합을 시도하였다. 30 % 의 밀도를 갖는 Octet-truss에서 유닛 셀 크기가 3 mm 일 때, PEEK와 Ti64의 접합 강도는 PEEK 소재 대비 약 70-75 %로 가장 우수한 강도를 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 척추 케이지와 경량 사출 금형에 PEEKTi64 하이브리드를 구조체를 적용하고 실용성을 입증했다. 따라서, 본 연구 에서 제안하는 WIP을 통한 접합 방법은 다양한 산업 분야에서 활용될 것으 로 기대된다.