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6个重要参数对FDM PEEK 3D打印零件机械性能的影响

时间:2022-06-28 20:42:57点击量:193 作者:张馨予

  聚醚醚酮 (PEEK) 是一种具有出色机械性能的高性能塑料。相对于传统PEEK 零件制造工艺,基于材料挤出工艺的熔融沉积建模 (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打印技术也存在挑战,这是由于PEEK 材料具有高熔点和熔体对于粘度。因此,优化FDM增材制造-3D打印工艺,以生产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究团队,研究了6种FDM 3D打印工艺参数对PEEK机械性能的影响,并为 PEEK 材料FDM 3D打印技术建立了加工-结构-性能关系。本期,谷.专栏将对此研究成果的主要内容进行分享。

  

6个重要参数对FDM PEEK 3D打印零件机械性能的影响

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

  /研究背景

  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,该材料的杨氏模量约为3GPa,拉伸强度约为103MPa,熔点为343 °C。此外,PEEK材料对热和化学降解具有很强的抵抗力。所有这些高质量的特性使得 PEEK 成为最适合用于航空航天、军工、汽车、电子、石油和天然气、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。/实验

  通常,基于PEEK的产品是通过传统的制造技术开发的,例如注塑成型、压缩成型或挤压棒的加工。然而,通过传统制造技术制造复杂设计的 PEEK 零件是很困难的。此外,传统方法缺乏精确度,涉及材料浪费、加工时间和成本高,甚至污染成品。

  增材制造-3D打印技术可根据产品设计和架构精确地逐层开发产品。由于PEEK 材料的高熔点,长期以来主要使用的3D打印技术是选择性激光烧结 (SLS)。然而,SLS 3D打印技术也存在一些挑战。如:烧结过程程因 PEEK 的粉末粒度和形态变化而变得复杂;烧结过程中产生的有害气体可能导致产品污染;未烧结的PEEK粉末,存在材料浪费的问题;工业级SLS 3D打印设备相对价格昂贵,需要较大的占地空间。这些挑战限制了PEEK 增材制造的广泛应用。

  基于材料挤出工艺的熔融沉积建模 (FDM) 3D打印技术,这类技术因使用相对简单且设备成本较低,设备紧凑,已被广泛用于工业产品开发与小批量制造,该技术已逐渐被应用到PEEK 材料增材制造领域。

  然而,与ABS、PLA 等热塑性塑料相比,PEEK 材料对于FDM 3D打印技术提出了更高挑战。由于PEEK的高熔点,而需要高的热处理条件。在3D打印PEEK 材料时,只能使用350–440 °C 范围内的喷嘴温度打印,并且要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 的高结晶速度相结合会导致过大的热应力(打印层之间分布不均匀),并可能导致热裂纹,3D打印PEEK部件中的层间附着力差和部件翘曲。因此,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挑战性,需要通过专业的制造技术,以及适合PEEK 材料的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材料 FDM3D打印技术引起了广泛关注,多个研究机构探索了不同 FDM 加工参数对 PEEK 零件性能的影响。研究表明,PEEK 零件的材料和机械性能以及整体质量在很大程度上取决于 FDM 3D打印的加工参数。因此,大多数研究的侧重点是确定最佳 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究团队在研究论文中指出,尽管现有研究提供了有 PEEK材料FDM 3D打印的基本信息,但仍缺乏全面的研究来详细分析 FDM 3D打印PEEK 零件的加工-结构-性能-关系。在大多数情况下,研究人员在不同的研究中探索了有限的加工参数对3D打印 PEEK 材料的机械和/或材料特性的影响,例如,有的研究只选择了热处理条件,有的研究只选择了层厚度、光栅角度或打印速度等参数。总而言之,以往的现有研究并未全面彻底的探讨不同加工参数对使用特定3D打印设备与材料制造的3D打印PEEK 的机械性能的影响。

  研究团队为解决上述问题,针对FDM PEEK材料3D打印技术开展了从何研究。在研究过程中,该团队使用专有的PEEK 丝材和3D打印设备探索了许多必要的加工条件对于PEEK 各种机械性能的影响。具体来说,团队研究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、压缩和弯曲性能的影响。这些加工参数在之前的研究中已被确定为会显著影响3D打印零件质量的重要参数。

  l 材料与设备表 1(节选). 研究中遵循的各种3D打印参数。