聚醚醚酮 (PEEK) 是一種具有出色機械性能的高性能塑料。相對于傳統(tǒng)PEEK 零件制造工藝，基于材料擠出工藝的熔融沉積建模 (FDM)3D打印技術能夠以簡單、高效的方式有效地開發(fā)特定于設計的PEEK 結構。當然，PEEK FDM 3D打印技術也存在挑戰(zhàn)，這是由于PEEK 材料具有高熔點和熔體對于粘度。因此，優(yōu)化FDM增材制造-3D打印工藝，以生產具有良好機械性能的PEEK部件至關重要?？死蛱m州立大學機械工程系的研究團隊，研究了6種FDM 3D打印工藝參數對PEEK機械性能的影響，并為 PEEK 材料FDM 3D打印技術建立了加工-結構-性能關系。本期，將對此研究成果的主要內容進行分享。

相關研究論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mtla.2022.101427

?研究背景

聚醚醚酮 (PEEK) 是一種半結晶熱塑性塑料，與聚乳酸 (PLA) 和丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 等常規(guī)聚合物相比，具有出色的機械性能和熔點。例如，該材料的楊氏模量約為3GPa，拉伸強度約為103MPa，熔點為343 °C。此外，PEEK材料對熱和化學降解具有很強的抵抗力。所有這些高質量的特性使得 PEEK 成為最適合用于航空航天、軍工、汽車、電子、石油和天然氣、化學工業(yè)和生物醫(yī)學的各種高性能應用的先進聚合物之一。

通常，基于PEEK的產品是通過傳統(tǒng)的制造技術開發(fā)的，例如注塑成型、壓縮成型或擠壓棒的加工。然而，通過傳統(tǒng)制造技術制造復雜設計的 PEEK 零件是很困難的。此外，傳統(tǒng)方法缺乏精確度，涉及材料浪費、加工時間和成本高，甚至污染成品。

增材制造-3D打印技術可根據產品設計和架構精確地逐層開發(fā)產品。由于PEEK 材料的高熔點，長期以來主要使用的3D打印技術是選擇性激光燒結 (SLS)。然而，SLS 3D打印技術也存在一些挑戰(zhàn)。如：燒結過程程因 PEEK 的粉末粒度和形態(tài)變化而變得復雜；燒結過程中產生的有害氣體可能導致產品污染；未燒結的PEEK粉末，存在材料浪費的問題；工業(yè)級SLS 3D打印設備相對價格昂貴，需要較大的占地空間。這些挑戰(zhàn)限制了PEEK 增材制造的廣泛應用?；诓牧蠑D出工藝的熔融沉積建模 (FDM) 3D打印技術，這類技術因使用相對簡單且設備成本較低，設備緊湊，已被廣泛用于工業(yè)產品開發(fā)與小批量制造，該技術已逐漸被應用到PEEK 材料增材制造領域。

然而，與ABS、PLA 等熱塑性塑料相比，PEEK 材料對于FDM 3D打印技術提出了更高挑戰(zhàn)。由于PEEK的高熔點，而需要高的熱處理條件。在3D打印PEEK 材料時，只能使用350–440 °C 范圍內的噴嘴溫度打印，并且要求構建板溫度范圍為100–150 °C，環(huán)境（或腔室）溫度范圍為 90–160 °C 。升高的加工溫度與 PEEK 的高結晶速度相結合會導致過大的熱應力（打印層之間分布不均勻），并可能導致熱裂紋，3D打印PEEK部件中的層間附著力差和部件翹曲。因此，PEEK FDM 3D打印遠比很多工程塑料、通用塑料的過程復雜和具有挑戰(zhàn)性，需要通過專業(yè)的制造技術，以及適合PEEK 材料的FDM 3D打印設備，來開發(fā)高質量的PEEK 3D打印零件。

在過去幾年中，PEEK材料 FDM3D打印技術引起了廣泛關注，多個研究機構探索了不同 FDM 加工參數對 PEEK 零件性能的影響。研究表明，PEEK 零件的材料和機械性能以及整體質量在很大程度上取決于 FDM 3D打印的加工參數。因此，大多數研究的側重點是確定最佳 FDM 3D打印參數，從而制造出具有最佳性能的 PEEK 3D打印零件。

克利夫蘭州立大學機械工程系的研究團隊在研究論文中指出，盡管現有研究提供了有 PEEK材料FDM 3D打印的基本信息，但仍缺乏全面的研究來詳細分析 FDM 3D打印PEEK 零件的加工-結構-性能-關系。在大多數情況下，研究人員在不同的研究中探索了有限的加工參數對3D打印 PEEK 材料的機械和/或材料特性的影響，例如，有的研究只選擇了熱處理條件，有的研究只選擇了層厚度、光柵角度或打印速度等參數。總而言之，以往的現有研究并未全面徹底的探討不同加工參數對使用特定3D打印設備與材料制造的3D打印PEEK 的機械性能的影響。

研究團隊為解決上述問題，針對FDM PEEK材料3D打印技術開展了從何研究。在研究過程中，該團隊使用專有的PEEK 絲材和3D打印設備探索了許多必要的加工條件對于PEEK 各種機械性能的影響。具體來說，團隊研究了六個工藝參數的影響： (1) 噴嘴溫度 (2) 基板溫度 (3) 打印腔室溫度 (4) 層厚 (5) 打印速度 (6) 退火對FDM 3D打印PEEK零件拉伸、壓縮和彎曲性能的影響。這些加工參數在之前的研究中已被確定為會顯著影響3D打印零件質量的重要參數。

實驗

l 材料與設備

研究團隊采用的實驗材料為3DXTECH的直徑1.75毫米的PEEK 絲材，并將絲材在 120°C 下干燥了5小時。采用的3D打印設備為INTAMSYS-遠鑄智能的FUNMAT HT。研究團隊對各種PEEK 3D打印樣件進行了機械測試。每組樣件中，每次只調整一種打印參數，其他參數保持不變。例如：每次調整打印噴嘴的問題，但是打印基板溫度、腔室溫度、層厚、打印速度參數保持不變。

表 1（節(jié)選）. 研究中遵循的各種3D打印參數。?

l 機械性能

研究團隊在室溫下對3D打印的 PEEK 部件進行拉伸、壓縮和彎曲測試。

圖 1. 用于 (a) 拉伸測試、(b) 壓縮測試和 (c) 彎曲測試的FDM 3D打印PEEK樣件。每個測試的詳細信息顯示在 (i) 至 (iv) 中。(i) 樣件 CAD 圖紙 (ii) 正在打印中的PEEK樣件(iii) 成品 PEEK 3D打印樣件（在打印后經過退火處理） (iv) 正在進行機械測試的3D打印樣件。

研究團隊選擇了一種后熱處理工藝來提高PEEK 零件的機械性能。完成打印后，他們將一組樣品做了如下處理：在160°C下熱處理30 分鐘，然后在 200°C 下熱處理 2 小時，并逐漸冷卻至室溫。為了比較的目的，另一組樣品沒有進行退火。這兩組樣件都是使用以下 FDM 3D打印參數開發(fā)的：噴嘴溫度 410 °C，底板溫度130 °C，腔室溫度90 °C，層厚0.2 mm，打印速度 50 mm/s。此外還對3D打印樣件進行了物理表征與統(tǒng)計分析。

?結果舉例

研究中探索的所有拉伸樣品均因突然整齊斷裂而失敗。失敗后的一些拉伸試樣如圖 2a 所示; 其中一個拉伸試樣的斷裂表面 SEM 圖像如圖 3（a-d）所示。

圖 2. (a) 拉伸、(b) 壓縮和 (c) 彎曲試驗后失效/斷裂3D打印樣件圖片。白色箭頭表示層的破碎，黃色箭頭表示完全分層。

圖 3 拉伸樣件斷口的 SEM 圖像。(a) 斷裂表面的低倍顯微照片 （b）、（c）和（d）為圖（a）所示虛線區(qū)域的高倍顯微照片。 空隙的裂紋萌生和擴展是顯而易見的， 大部分分層和破裂發(fā)生在3D打印樣件的中心。

研究人員探索了PEEK 3D打印樣件是否需要退火，或在實驗中所設置的3D打印設備腔室溫度是否足以產生堅固的樣品。實驗中使用的3D打印設備腔室溫度可高達 90 °C。盡管使用了最高的腔室溫度設置（90 °C），研究團隊仍觀察到在未經退火處理的 3D打印PEEK樣件上出現不同的非晶態(tài)（或結晶度較低）和結晶區(qū)域(相對于非晶態(tài)區(qū)域結晶度更高），如圖 4（a-c）所示。

圖 4. 退火和非退火3D打印PEEK樣件的結果。(a-c）為 (a) 拉伸 (b) 壓縮和 (c) 彎曲測試的未退火和退火3D打印PEEK樣件。退火零件在整個樣品表面區(qū) ?域都顯示出均勻的米色。(d) 退火和非退火 PEEK 樣件的典型應力-應變（壓縮）曲線。(e) 退火和非退火部分各自強度的比較。* 表示相對于同一強度組中的未退火樣件具有統(tǒng)計學意義（Tukey 檢驗，p < 0.05）。(f) 退火和非退火拉伸樣件橫截面的 SEM 圖像。

結果證實，90 °C 的腔室溫度足以產生具有良好機械性能的部件，但不足以提供足夠高的腔室或環(huán)境溫度來制造具有均勻結晶的3D打印PEEK零件。因此，需要退火作為一種后熱處理方法，以獲得具有增強機械性能的均勻結晶 PEEK 部件。研究團隊接下來還陸續(xù)探索了噴嘴溫度、基板溫度、腔室溫度、層厚、打印速度對于 PEEK 3D打印零件機械性能的影響。?

?總結

研究結果表明噴嘴和腔室溫度、層厚和打印速度對于開發(fā)堅固的 PEEK 結構至關重要。此外，退火有助于獲得具有出色拉伸 (97.34 MPa)、壓縮 (118.26 MPa) 和彎曲 (104.65 MPa) 強度的PEEK 3D打印零件；值得注意的是，其強度與注塑成型零件相當。零件橫截面和斷口的 SEM 和立體顯微鏡圖像提供了有趣的洞察力，讓研究團隊深入了解3D打印參數在微觀結構水平上對零件機械性能的影響，并提出了盡量減少機械性能退化的方法?？傮w而言，這項研究提供了通過FDM 3D打印技術開發(fā)具有出色機械性能的PEEK 零件時所需的基本知識。

未來發(fā)展方向

總體而言，研究團隊探討了關于FDM 3D打印PEEK零件機械性能的六個重要 加工參數。其研究結果揭示了影響材料結構和3D打印零件機械性能的熱處理條件（例如噴嘴、底板和腔室溫度）之間可能存在關系。此外，需要更多的研究來具體確定增強 3D打印PEEK 產品機械性能的最關鍵參數。

研究部團隊指出，憑借在這項研究中獲得的知識并借助優(yōu)化的打印條件，未來的工作應集中在開發(fā)各種 PEEK 3D打印應用產品上。由于材料的表面特性決定了許多重要的應用，因此還應努力提高 3D打印PEEK零件的表面特性。值得注意的是，由于打印小型 PEEK 零件具有挑戰(zhàn)性，因此應開發(fā)具有高分辨率和強大機械性能的小型 3D打印PEEK零件（在 10-20 毫米范圍內）。同時，也值得探索相同的3D打印條件是否可以在這些零件中產生所需的機械性能。