6个重要参数对FDM PEEK 3D打印零件机械性能的影响

聚醚醚酮 (PEEK) 是一种具有出色机械性能的高性能塑料。相关于传统PEEK 零件制造工艺，基于资料挤收工艺的熔融堆积建模 (FDM)3D打印技术能够以简单、高效的方式有效地开发特定于设计的PEEK 结构。

当然，PEEK FDM 3D打印技术也存在应战，这是由于PEEK 资料具有高熔点和熔体关于粘度。因而，优化FDM增材制造-3D打印工艺，以消费具有良好机械性能的PEEK部件至关重要。

克利夫兰州立大学机械工程系的研讨团队，研讨了6种FDM 3D打印工艺参数对PEEK机械性能的影响，并为 PEEK 资料FDM 3D打印技术树立了加工-结构-性能关系。本期，谷.专栏将对此研讨成果的主要内容中止分享。

相关研讨论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtla.2022.101427

/研讨背景

聚醚醚酮 (PEEK) 是一种半结晶热塑性塑料，与聚乳酸 (PLA) 和丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 等常规聚合物相比，具有出色的机械性能和熔点。例如，该资料的杨氏模量约为3GPa，拉伸强度约为103MPa，熔点为343 °C。此外，PEEK资料对热和化学降解具有很强的抵御力。一切这些高质量的特性使得 PEEK 成为最合适用于航空航天、军工、汽车、电子、石油和自然气、化学工业和生物医学的各种高性能应用的先进聚合物之一。

通常，基于PEEK的产品是经过传统的制造技术开发的，例如注塑成型、紧缩成型或挤压棒的加工。但是，经过传统制造技术制造复杂设计的 PEEK 零件是很艰难的。此外，传统措施缺乏精确度，触及资料糜费、加工时间和成本高，以至污染废品。

增材制造-3D打印技术可依据产品设计和架构精确地逐层开发产品。由于PEEK 资料的高熔点，长期以来主要运用的3D打印技术是选择性激光烧结 (SLS)。但是，SLS 3D打印技术也存在一些应战。如：烧结过程程因 PEEK 的粉末粒度和形态变更而变得复杂；烧结过程中产生的有害气体可能招致产品污染；未烧结的PEEK粉末，存在资料糜费的问题；工业级SLS 3D打印设备相对价钱昂贵，需求较大的占地空间。这些应战限制了PEEK 增材制造的普遍应用。

基于资料挤收工艺的熔融堆积建模 (FDM) 3D打印技术，这类技术因运用相对简单且设备成本较低，设备紧凑，已被普遍用于工业产品开发与小批量制造，该技术已逐步被应用到PEEK 资料增材制造范畴。

但是，与ABS、PLA 等热塑性塑料相比，PEEK 资料关于FDM 3D打印技术提出了更高应战。由于PEEK的高熔点，而需求高的热处置条件。在3D打印PEEK 资料时，只能运用350–440 °C 范围内的喷嘴温度打印，并且请求构建板温度范围为100–150 °C，环境（或腔室）温度范围为 90–160 °C 。升高的加工温度与 PEEK 的高结晶速度相分离会招致过大的热应力（打印层之间散布不平均），并可能招致热裂纹，3D打印PEEK部件中的层间附着力差和部件翘曲。因而，PEEK FDM 3D打印远比很多工程塑料、通用塑料的过程复杂和具有应战性，需求经过专业的制造技术，以及合适PEEK 资料的FDM 3D打印设备，来开发高质量的PEEK 3D打印零件。

在过去几年中，PEEK资料 FDM3D打印技术惹起了普遍关注，多个研讨机构探求了不同 FDM 加工参数对 PEEK 零件性能的影响。研讨表明，PEEK 零件的资料和机械性能以及整体质量在很大水平上取决于 FDM 3D打印的加工参数。因而，大多数研讨的偏重点是肯定最佳 FDM 3D打印参数，从而制造出具有最佳性能的 PEEK 3D打印零件。

克利夫兰州立大学机械工程系的研讨团队在研讨论文中指出，固然现有研讨提供了有 PEEK资料FDM 3D打印的基本信息，但仍缺乏全面的研讨来细致剖析 FDM 3D打印PEEK 零件的加工-结构-性能-关系。在大多数状况下，研讨人员在不同的研讨中探求了有限的加工参数对3D打印 PEEK 资料的机械和/或资料特性的影响，例如，有的研讨只选择了热处置条件，有的研讨只选择了层厚度、光栅角度或打印速度等参数。总而言之，以往的现有研讨并未全面彻底的讨论不同加工参数对运用特定3D打印设备与资料制造的3D打印PEEK 的机械性能的影响。

研讨团队为处置上述问题，针对FDM PEEK资料3D打印技术展开了从何研讨。在研讨过程中，该团队运用专有的PEEK 丝材和3D打印设备探求了许多必要的加工条件关于PEEK 各种机械性能的影响。细致来说，团队研讨了六个工艺参数的影响： (1) 喷嘴温度 (2) 基板温度 (3) 打印腔室温度 (4) 层厚 (5) 打印速度 (6) 退火对FDM 3D打印PEEK零件拉伸、紧缩和弯曲性能的影响。这些加工参数在之前的研讨中已被肯定为会显著影响3D打印零件质量的重要参数。

/实验

l 资料与设备

研讨团队采用的实验资料为3DXTECH的直径1.75毫米的PEEK 丝材，并将丝材在 120°C 下单调了5小时。采用的3D打印设备为INTAMSYS-远铸智能的FUNMAT HT。研讨团队对各种PEEK 3D打印样件中止了机械测试。每组样件中，每次只调整一种打印参数，其他参数坚持不变。例如Ｃ拦畚调整打印喷嘴的问题，但是打印基板温度、腔室温度、层厚、打印速度参数坚持不变。

表 1（节选）. 研讨中遵照的各种3D打印参数。

l 机械性能

研讨团队在室温下对3D打印的 PEEK 部件中止拉伸、紧缩和弯曲测试。

图 1. 用于 (a) 拉伸测试、(b) 紧缩测试和 (c) 弯曲测试的FDM 3D打印PEEK样件。每个测试的细致信息显现在 (i) 至 (iv) 中。(i) 样件 CAD 图纸 (ii) 正在打印中的PEEK样件(iii) 废品 PEEK 3D打印样件（在打印后经过退火处置） (iv) 正在中止机械测试的3D打印样件。

研讨团队选择了一种后热处置工艺来进步PEEK 零件的机械性能。完成打印后，他们将一组样品做了如下处置：在160°C下热处置30 分钟，然后在 200°C 下热处置 2 小时，并逐步冷却至室温。为了比较的目的，另一组样品没有中止退火。这两组样件都是运用以下 FDM 3D打印参数开发的：喷嘴温度 410 °C，底板温度130 °C，腔室温度90 °C，层厚0.2 mm，打印速度 50 mm/s。此外还对3D打印样件中止了物理表征与统计剖析。

/结果举例

研讨中探求的一切拉伸样品均因忽然划一断裂而失败。失败后的一些拉伸试样如图 2a 所示; 其中一个拉伸试样的断裂名义 SEM 图像如图 3（a-d）所示。

图 2. (a) 拉伸、(b) 紧缩和 (c) 弯曲实验后失效/断裂3D打印样件图片。白色箭头表示层的破碎，黄色箭头表示完整分层。

图 3 拉伸样件断口的 SEM 图像。(a) 断裂名义的低倍显微照片 （b）、（c）和（d）为图（a）所示虚线区域的高倍显微照片。 空隙的裂纹萌发和扩展是显而易见的， 大部分分层和决裂发作在3D打印样件的中心。

研讨人员探求了PEEK 3D打印样件能否需求退火，或在实验中所设置的3D打印设备腔室温度能否足以产生巩固的样品。实验中运用的3D打印设备腔室温度可高达 90 °C。固然运用了最高的腔室温度设置（90 °C），研讨团队仍察看到在未经退火处置的 3D打印PEEK样件上呈现不同的非晶态（或结晶度较低）和结晶区域(相关于非晶态区域结晶度更高），如图 4（a-c）所示。

图 4. 退火和非退火3D打印PEEK样件的结果。(a-c）为 (a) 拉伸 (b) 紧缩和 (c) 弯曲测试的未退火和退火3D打印PEEK样件。退火零件在整个样品名义区域都显现出平均的米色。(d) 退火和非退火 PEEK 样件的典型应力-应变（紧缩）曲线。(e) 退火和非退火部分各自强度的比较。* 表示相关于同一强度组中的未退火样件具有统计学意义（Tukey 检验，p < 0.05）。(f) 退火和非退火拉伸样件横截面的 SEM 图像。

结果证明，90 °C 的腔室温度足以产生具有良好机械性能的部件，但缺乏以提供足够高的腔室或环境温度来制造具有平均结晶的3D打印PEEK零件。因而，需求退火作为一种后热处置措施，以取得具有增强机械性能的平均结晶 PEEK 部件。

研讨团队接下来还陆续探求了喷嘴温度、基板温度、腔室温度、层厚、打印速度关于 PEEK 3D打印零件机械性能的影响。

/总结

研讨结果表明喷嘴和腔室温度、层厚和打印速度关于开发巩固的 PEEK 结构至关重要。此外，退火有助于取得具有出色拉伸 (97.34 MPa)、紧缩 (118.26 MPa) 和弯曲 (104.65 MPa) 强度的PEEK 3D打印零件；值得留意的是，其强度与注塑成型零件相当。零件横截面和断口的 SEM 和平面显微镜图像提供了有趣的洞察力，让研讨团队深化了解3D打印参数在微观结构水平上对零件机械性能的影响，并提出了尽量减少机械性能退化的措施。总体而言，这项研讨提供了经过FDM 3D打印技术开发具有出色机械性能的PEEK 零件时所需的基本学问。

/未来展开方向

总体而言，研讨团队讨论了关于FDM 3D打印PEEK零件机械性能的六个重要 加工参数。其研讨结果提示了影响资料结构和3D打印零件机械性能的热处置条件（例如喷嘴、底板和腔室温度）之间可能存在关系。此外，需求更多的研讨来细致肯定增强 3D打印PEEK 产品机械性能的最关键参数。

研讨部团队指出，仰仗在这项研讨中取得的学问并借助优化的打印条件，未来的工作应集中在开发各种 PEEK 3D打印应用产品上。由于资料的名义特性决议了许多重要的应用，因而还应努力进步 3D打印PEEK零件的名义特性。值得留意的是，由于打印小型 PEEK 零件具有应战性，因而应开发具有高分辨率和强大机械性能的小型 3D打印PEEK零件（在 10-20 毫米范围内）。同时，也值得探求相同的3D打印条件能否能够在这些零件中产生所需的机械性能。