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3D打印技術(shù)及其在聚醚醚酮材料中的應(yīng)用研究

來源：杰呈3D打印發(fā)布時間：2025-11-20 11:50:13 瀏覽次數(shù)：0次

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3D打印是一種基于逐層疊加原理的增材制造打印方法，能實現(xiàn)復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)零件直接成型，縮短生產(chǎn)周期、降低成本。熔融沉積3D打印（FDM）是應(yīng)用最廣泛的3D打印技術(shù)，在熱塑性材料成型方面優(yōu)勢獨特。在FDM制造中，溫度、打印速度、層厚度、打印角度是關(guān)鍵參數(shù)。噴嘴溫度關(guān)乎線材熔化，打印底板溫度影響零件成型，過高或過低都會帶來問題；打印速度是噴嘴移動速度；層厚度是打印端沉積材料高度；打印角度是沉積線材路徑，優(yōu)化這些參數(shù)可提升制件表面質(zhì)量和機械性能。

FDM技術(shù)與特種工程塑料

隨著技術(shù)發(fā)展，有限元分析為高溫FDM技術(shù)帶來新材料選擇，如聚乙烯亞胺（PEI）、聚醚酮酮（PEKK）、聚苯乙烯（PS）和聚醚醚酮（PEEK）等特種工程聚合物，它們具有高機械性能、高熱和耐化學(xué)性。與金屬相比，特種工程塑料輕質(zhì)、低成本、易制造、自潤滑且耐腐蝕，能顯著節(jié)省重量，為航空航天等運輸應(yīng)用提供超高燃料效率，還越來越多地應(yīng)用于摩擦學(xué)領(lǐng)域，如航空航天機械和海洋工程機械中的軸承等部件。其中，聚醚醚酮（PEEK）是最有前途的摩擦學(xué)應(yīng)用工程材料之一，具有優(yōu)良生物相容性、良好機械性能、耐高溫、低吸濕等特性。通過FDM技術(shù)可設(shè)計復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PEEK零部件，這是傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實現(xiàn)的。

實驗材料與設(shè)備

實驗所用聚醚醚酮，購買自三的部落上海科技股份有限公司，型號為3dpro PEEK 450K，純樹脂（100% PEEK），灰黃色，密度1.3 g/cm3，熔點DSC為343℃，熱變形溫度163℃。選用的熔融沉積3D打印機為三的部落上海科技股份有限公司的小屁孩H-3T打印機，專用于高溫聚合物打印。FDM設(shè)備由機器主體、擠出機、進絲控制系統(tǒng)等組成，噴嘴靠內(nèi)部加熱塊加熱并帶有溫度控制系統(tǒng)，底板由鋁合金組成。

打印參數(shù)設(shè)置與成型原理

FDM主要打印參數(shù)如打印速度、填充速度、層厚等由切片軟件Ultimaker Cura 4.4設(shè)置。采用正交對稱法構(gòu)建模型，同一層內(nèi)兩條相連填充路徑夾角為90°。成型原理為：先用3D畫圖軟件Solidworks建立樣品模型并保存為stl格式，再用切片軟件Ultimaker Cura 4.4切片，設(shè)置參數(shù)后保存為Gcode并導(dǎo)入打印機打印。實驗中重疊率固定為15%，冷卻由打印機自動控制。

機械實驗與摩擦實驗

機械實驗在配有20 KN負(fù)載的萬能試驗機上進行，拉伸試樣按GB/T 1040.1 - 2006拉伸，拉伸速率1 mm/min；壓縮試樣按GB/T 1041 - 2008壓縮，壓縮速率2 mm/min。摩擦實驗使用直徑6 mm的市售鋼球軸承（GGr 15）作為摩擦副，摩擦方式為往復(fù)摩擦，設(shè)置滑動距離5 mm、載荷10 N、滑動頻率2 Hz、試驗時間1800 s。通過非接觸式光學(xué)表面三維輪廓儀分析樣品磨損量等，用掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡分析磨斑表面形貌。

拉伸性能

聚醚醚酮拉伸試樣拉伸過程先彈性變形，后屈服塑性變形，接著拉伸斷口處頸縮，拉應(yīng)力降低直至斷裂。不同填充方向和圖案下拉伸強度值有差異，填充方向為90°且填充圖案為直線時，拉伸強度值最高，為45.08 MPa，斷裂伸長率61.81%，彈性模量24 MPa。FDM打印樣品拉伸性能各向異性，填充圖案為網(wǎng)格時斷裂發(fā)生在粘結(jié)位置，粘合較弱；填充角度增大，斷裂有拉扯痕跡，韌性斷裂，直線填充圖案抵抗破壞能力強。

壓縮性能

壓縮時材料先彈性變形，應(yīng)力與應(yīng)變正比；超過屈服強度后應(yīng)力基本不變；接著試樣不穩(wěn)定，應(yīng)力值減小但應(yīng)變增大；之后材料變形減弱，應(yīng)力值最低；繼續(xù)施加載荷，力值隨應(yīng)變增加又增長。填充圖案為三角形和內(nèi)六角的試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線增長，三角形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，內(nèi)六角有蜂窩結(jié)構(gòu)特性。填充圖案為網(wǎng)格時性能可與三角形媲美。

摩擦性能

填充率影響聚醚醚酮材料摩擦系數(shù)，隨填充率增大，摩擦系數(shù)先增大后減小。填充率20% - 40%時，摩擦系數(shù)由0.14增大至0.29；40% - 80%時，由0.29減小到0.10。低填充率試樣表面由平整變粗糙，高填充率試樣表面由粗糙變平整，填充率80%時試樣內(nèi)部致密化程度高，表面平整，摩擦系數(shù)和磨損率最小。