Fibre volume fractions’ and printing directions’ effects on tribological and mechanical properties in FDM printed carbon fibre reinforced PEEK : Suitability assessment of FDM printed PEEK-CF to act in a steam engine’s ball joint, by analysis of compressive properties, impact strength, friction and wear

The purpose with this study was to investigate FDM/FFF manufactured carbon fibre reinforced PEEK and assess its suitability to act as a sealing- and bearing material in a modern steam engine’s ball joint. The steam engine is totally free from oil due to the risk of water- and steam contamination. Therefore, water-hydrostatic bearings are used in the ball joints which puts high requirements on the sealing- and bearing material’s mechanical and tribological properties. PEEK specimens containing 10% and 20% short carbon fibres were printed in a Creatbot F430-3D-printer of FDM/FFF type. Compressive strength and stiffness were investigated in approximately 90 °C for both horizontal and vertical printing layers. Impact strength testing was performed in room temperature with the crack directions crack arrest and crack divider. Tribo-discs were printed, polished and their friction and wear investigated in dry sliding as well as in cold and hot water against a stainless steel sheet of EN 1.4301 (SAE 304/AISI 304), rolled to surface finish 2B. Compared with injection moulded or FDM printed PEEK-CF with well optimised printing parameters, all specimens had both exceptionally low strengths (26 MPa – 52 MPa), and compressive stiffnesses (0.20 GPa – 0.61 GPa). Most of the compressive specimens exhibited an additional stiffness change long before yielding, which likely were due to layer sliding. It is probable that a higher chamber temperature would result in both better layer- and fibre-matrix adhesion as well as higher crystallinity which would lead to higher strength and stiffness. Horizontally printed PEEK-CF20 had highest stiffness, impact strength and transversal isotropy. PEEK-CF20 exhibited lower friction and wear than PEEK-CF10. Despite that vertically printed PEEK-CF20 was slightly stronger than the horizontally printed, the low degree of transversal isotropy in a vertical design may be inappropriate since it entails a risk for increased water leakage. Hence, horizontal
Syftet med denna studie var att undersöka FDM/FFF-tillverkat kolfiberförstärkt PEEK och bedöma dess lämplighet att agera som tätnings- och lagermaterial i en modern ångmotors kulled. Ångmotorn är helt oljefri på grund av risken för kontaminering av vatten och ånga. Därför används vattenhydrostatiska lager i kullederna vilket ställer höga krav på tätnings- och lagermaterialets mekaniska och tribologiska egenskaper. Testningsprover av PEEK innehållande 10% och 20% korta kolfibrer printades i en Creatbot F430-3D-printer av FDM/FFF-typ. Kompressiv styrka och styvhet undersöktes i ungefär 90 °C för både horisontella och vertikala printningslager. Slagseghetstester utfördes i rumstemperatur med sprickriktningarna crack arrest och crack divider. Tribodiskar printades, polerades och deras friktion och nötning undersöktes i torr glidning samt i kallt och hett vatten mot en rostfri plåt av EN 1.4301 (SAE 304/AISI 304), valsad till ytfinish 2B. Jämfört med formsprutat eller FDM-printat PEEK-CF med väloptimerade printningsparametrar, så hade alla testningsprover både exceptionellt låga styrkor (26 MPa – 52 MPa), och kompressiva styvheter (0.20 GPa – 0.61 GPa). De flesta kompressiva testningsprover uppvisade en ytterligare styvhetsändring långt före plasticering vilket troligtvis berodde på lagerglidning. Det är troligt att högre kammartemperaturer skulle resultera i bättre lager- och fiber-matris-adhesion samt högre kristallinitet vilket skulle leda till högre styrka och styvhet. Horisontellt printad PEEK-CF20 hade högst styvhet, slagseghet och transversell isotropi. PEEK-CF20 uppvisade lägre friktion och nötning än PEEK-CF10. Trots att vertikalt printad PEEK-CF20 var aningen starkare än horisontellt printad så kan den låga graden av transversell isotropi i en vertikal design vara olämplig i kulleden eftersom det innebär risk för ökat vattenläckage. Följaktligen är horisontellt printad PEEK-CF20 det lämpligaste materialet att använda som tätnings- och lagermaterial i ångmotorns