PEEK熔融沉积成形温度对零件拉伸性能的影响

赵峰，李涤尘，靳忠民，曹毅，石长全

（1.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安710049；2.西安交通大学快速制造国家工程研究中心，陕西西安710049；3.西安交通大学高端制造装备协同创新研究中心，陕西西安710049）

PEEK熔融沉积成形温度对零件拉伸性能的影响

赵峰1，2，3，李涤尘1，2，3，靳忠民1，曹毅1，2，3，石长全1，2，3

（1.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安710049；2.西安交通大学快速制造国家工程研究中心，陕西西安710049；3.西安交通大学高端制造装备协同创新研究中心，陕西西安710049）

作为一种高性能聚合物，聚醚醚酮（PEEK）具有耐高温、耐化学腐蚀、高强度等优点，但由于材料熔点高，采用传统制造方法难以实现复杂结构功能零件的低成本快速制造。针对该问题，利用高温型熔融沉积成形（FDM）设备开展了以PEEK为研究对象的FDM工艺实验研究。结果表明：通过合理控制打印机喷嘴温度、底板温度及成形室温度，可改善单层的线间搭接及层间的融合状态，从而使PEEK零件的最高拉伸强度达到77MPa，接近传统注塑成形的力学性能指标，为难加工材料复杂结构成形过程中的控形与控性提供了新的解决方法。

PEEK；FDM；温度控制；拉伸性能

聚醚醚酮（PEEK）材料无毒、质轻、强度高、耐腐蚀，具有优异的生物相容性，因此，无论在航空航天、汽车、能源领域，还是在食品、电子、医疗领域，都具有广泛的应用需求［1］。

传统的PEEK加工方法包括注射成形、模压成形、机加工、挤出成形及粉末喷涂等。由于模具设计与制造成本高昂，注射成形主要用于大批量生产。与注射成形相比，模压成形成本相对低廉，但生产周期长，主要用于小批量生产、原型设计或厚度较大的零件生产。机加工与表面处理相结合也是常见的PEEK加工方法，一般在机加工前、后，需进行退火处理以消除残余应力对制件的影响。需要指出的是，当利用该方法加工的零件具有中空或较大的曲面结构时，切削量占据原材料的较大比重，材料浪费巨大。

为了满足复杂零件的低成本快速制造，增材制造（3D打印）技术开始用于PEEK零件成形。选区激光烧结（SLS）因其灵活、高效的生产特点而最先获得尝试。由于没有针对高熔点聚合物的激光成形装备，早期PEEK的SLS研究主要通过改进低熔点粉末烧结设备EOSINT P 380进行小尺寸零件的加工，如组织工程支架［2-3］或纯PEEK粉末的基本工艺研究［4］。直到2008年，国外某公司才推出了专门用于PEEK的高温激光烧结系统EOSINT P 800，并在2009年推出专门针对该系统的PEEK烧结粉末EOSPEEK HP3。但由于价格昂贵，上述产品目前都尚未获得广泛的市场应用。

作为增材制造技术的另一种形式，熔融沉积成形（FDM）具有设备成本低、材料利用率高的特点。相比于SLS技术，FDM技术更利于产品的普及。目前，市场上还未推出专门针对PEEK等高熔点聚合的3D打印设备，可用于FDM技术的打印材料主要集中在ABS、PLA等低熔点塑料，打印机喷头温度一般不超过300℃。国内学者利用自行开发的PEEK FDM打印系统，对不同打印参数下的零件翘曲变形进行了研究，但受成形尺寸限制，研究未对零件的力学性能进行评价［5-6］。除了打印设备，市场上也不存在可用于FDM技术的PEEK线材。直到2015年3月，德国一家专门为工业级FDM技术开发新型材料的公司才宣称，他们已将原料PEEK制成了可供FDM技术使用的线材，同时可为用户通过现有FDM 3D打印机使用该种线材提供帮助和咨询服务。

为了满足PEEK复杂零件的低成本快速制造，本文利用自制的PEEK FDM打印设备及3D打印线材，以零件拉伸性能为指标，通过正交试验设计，分析成形过程中的温度控制参数（喷嘴温度、底板温度、成形室温度）对指标的影响水平，确定最佳的温度工艺条件。

1 实验材料与方法

如图1a所示，实验采用的是以粒状PEEK料为原料，经加热挤出，形成直径为1.75±0.10 mm的 PEEK 3D打印线材。再利用高温FDM成形设备（图1b）将线材打印成所需的零件。相比于普通FDM打印机，该成形设备的喷头温度可达380℃，并在成形空间内增加了加热及保温装置，因此可满足PEEK材料的零件成形。

图1 PEEK的FDM成形

作为一种半结晶高聚物，PEEK零件在打印过程中的温度控制将影响材料的结晶、收缩，进而影响零件的力学性能。本实验中，温度控制参数主要包括喷嘴温度TN、底板温度TP及成形室温度TE。故将这3个参数作为正交试验的影响因子，以拉伸强度作为评价指标，设计三因素五水平正交试验。因素水平的取值见表1。

表1 因素水平表

受成形设备尺寸所限，实验采用1BA型拉伸试样。在数据处理阶段，设置分层厚度为0.20mm，外壳厚度为0.60mm，内部为100%填充。将打印速度设为30 mm/s，填充方式选择45°斜填充，相邻两层的填充方向相差90°（图2）。将数据模型放置在成形基板的中间，一次打印成形5个拉伸试样。本实验采用的打印机喷嘴直径为0.40mm。在拉伸实验中，设置拉伸速率为1mm/s，记录拉伸强度。

图2 填充方式

2 实验结果

图3是一次成形的5个拉伸试样，均按ISO527标准的相关要求进行拉伸实验，各参数下的拉伸强度实验数据见表2。可见，正交试验参数下，PEEK零件的平均拉伸强度分布在45～70MPa之间。忽略各温度参数之间的交互作用，对正交试验的结果数据进行直观分析，根据表3所示的极差大小可知，各因素对拉伸强度影响的重要性排序从高到低分别为底板温度、喷嘴温度、成形室温度。为了获得最好的力学性能，推荐的温度参数组合为：喷嘴温度365℃，底板温度200℃，成形室温度180℃。

图3 拉伸试样

表2 正交试验样品拉伸强度

为进一步了解各温度参数对拉伸强度的影响是否显著，再对实验数据做方差分析。由表4可知，如果定义显著水平P＜0.001时为非常显著的影响，P＜0.05时为显著影响，则底板温度对拉伸强度有非常显著的影响，喷嘴温度对拉伸强度有显著影响，成形室温度对拉伸强度影响不显著。因此，实验过程中需特别注意底板及喷嘴的温度控制。

表3 直观分析

表4 方差分析

3 讨论

PEEK材料良好的生物相容性是其区别于其他特种工程塑料的特性之一，又因其弹性模量接近于皮质骨（18 GPa），因此，临床上常选择PEEK作为金属的代替材料，用于人体骨损伤修复。与其他的骨修复材料（如金属、可降解陶瓷）相比，PEEK材料的优势主要体现在以下几个方面：①模量与骨接近（金属材料的模量比骨骼高2～3个数量级），可降低应力屏蔽引发的骨溶解与松动风险；②可采用多种影像学检查跟踪术后恢复情况，如PEEK具备金属材料所不具备的X射线可透过性，通过X光平片即可观察到骨小梁与骨的生长融合情况；此外，PEEK材料的假体还能避免很多金属植入物在CT、MRI检查中的伪影问题；③避免因金属离子释放而引发的炎症及过敏反应；④强度远胜于生物可降解陶瓷，可满足大段的骨缺损及损伤修复要求［7］。

目前，临床上使用的骨替代物假体，如骨板、骨钉、人工关节等，通常按标准尺寸规格制造，并不能满足不同骨损伤病人的定制化修复需求。作为增材制造的方法之一，FDM技术是定制化PEEK骨修复假体的有效制造手段。本实验虽然采用的是工业级PEEK原料，但经熔体过滤，原料的清洁度和生物相容性均可进一步提高，从而成为理想的内植物材料。研究结果表明，经过料筒加热及打印机喷头加热，原料的化学组成并未发生变化。虽然这不足以证明利用FDM成形的PEEK零件可被植入体内，但这是其可被用于个性化假体制造的最基本前提。

由拉伸实验结果可知，利用FDM打印的零件，平均拉伸强度分布在45～70 MPa之间，约为同种材料注射零件的50%～80%。从原理上分析，2种加工方法最大的区别在于注射成形引入了外部压力。根据推荐的PEEK材料注射成形加工工艺流程，在熔体进入模具前，模具表面温度应达到175～205℃，为防止熔体注入时模具涨开，还应施加50～80 MPa的锁模力，熔体填满模具后，继续施加约10 MPa的保压压力［8］。熔体从开始注入到填满模具期间，一系列的外部压力均有利于提高零件的致密程度，减少零件内部的空隙与缺陷。而在FDM成形过程中，材料熔化从喷嘴挤出后，处于自由状态，空隙的填充完全依赖于线与线的搭接、层与层的粘接，缺陷、孔隙率的形成几率与数量大大增加。

在正交试验的125个拉伸试样中，取拉伸强度最小的试样（41.8 MPa，TN=345℃、TP=230℃、TE= 210℃，样品2）和拉伸强度最大的试样（77 MPa，TN=365℃、TP=240℃、TE=210℃，样品5），用扫描电子显微镜分别观察试样的上表面及横断面（图4）。观察发现：①低强度的试样上表面可清晰地看到线与线之间的搭接界线，而高强度的试样上表面，线与线的搭接处融合，仅留下搭接痕迹与少量空隙；②在横断面，低强度试样的层间粘接痕迹明显，高强度的层间连接表现出好的融合状态，但仍存在少量空隙。

图4 断裂试样的SEM图

4 结论与展望

本文利用自行开发的FDM成形设备，以拉伸性能作为评价指标，通过设计三因素五水平正交试验，研究了温度控制对零件拉伸性能的影响。实验结果表明，按影响的显著水平从高到低分别为底板温度、喷嘴温度、环境温度，零件的平均拉伸强度分布在45～70 MPa之间。

本文的研究还存在一定的局限性，如温度参数选择的上限受制于设备状态，但就PEEK材料本身而言，其所能承受的打印温度远不止365℃。因此，根据本实验的结果，还应对关键参数（喷嘴温度、底板温度等）进行更细致、广泛的试验。

［1］Kurtz SM，Devine JN.PEEK biomaterials in trauma，orthopedic，and spinal implants［J］.Biomaterials，2007，28（32）：4845-4869.

［2］Tan K，Chua C，Leong K，et al.Scaffold development using selective laser sintering of polyetheretherketone-hydroxyapatite biocomposite blends［J］.Biomaterials，2003，24（18）：3115-3123.

［3］Tan K，Chua C，Leong K，et al.Selective laser sintering of biocompatible polymers for applications in tissue engineering［J］.Bio-medical Materials and Engineering，2005，15（1）：113-124.

［4］Schmidt M，Pohle D，Rechtenwald T.Selective laser sintering of PEEK［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2007，56（1）：205-208.

［5］Wu W Z，Geng P，Zhao J，et al.Manufacture and thermal deformation analysis of semicrystalline polymer polyether ether ketone by 3D printing［J］.Materials Research Innovations，2014，18（S5）：S5-12-S5-6.

［6］吴文征，赵继，姜振华，等.聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法：中国2013106755640［P］.2014-04-09.

［7］Steven M，Kurtz Ph D.Peek biomaterials handbook［M］. William Andrew，2012.

［8］赵纯，张玉龙.聚醚醚酮［M］.北京：化学工业出版社，2008.

Effect of PEEK Fused Deposition M odeling Tem perature on Tensile Properties of Parts

Zhao Feng1，2，3，Li Dichen1，2，3，Jin Zhongmin1，Cao Yi1，2，3，Shi Changquan1，2，3
（1.State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China；2.Rapid Manufacturing National Engineering Research Center，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China；3.The high-end manufacturing equipment Collaborative Innovation Research Center，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）

As a kind of high-performance thermoplastic，polyetheretherketone（PEEK）has outstanding advantageous properties such as high temperature resistance，chemical corrosion resistance and excellentmechanical strength.However，considering the cost and cycle of the production，it is not an effectivemethod tomanufacture functional parts with complex structure by conventionalway due to the high melting point of the PEEK.Therefore，the aim of this study was to show that PEEK components can be produced in an economic manufacturingmethod by the fused deposition modelling（FDM）methodology.The result shows that rational controlling the temperature of the nozzle，the plate and the printing room can improve the overlapping condition among the printing lines and fusion degree between interfacing layers.Themaximum tensile strength of the PEEK parts reached up to around 77 MPa，which was close to the value of the partsmade from injectionmethod.This study provides a better solution formanufacturing partswith complex structure using hard processingmaterials.

PEEK；FDM；temperature control；tensile properties

TG669

A

1009－279X（2015）05－0043-05

2015-08-02

赵峰，女，1987年生，博士研究生。