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最新消息| 6個重要參數對FDMPEEK3D打印零件機械性能的影響 | 2022-09-26 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://xw.qq.com/amphtml/20220625A01UWA00" 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特定于設計的PEEK結構。當然，PEEKFDM3D打印技術也存在挑戰，這是由于PEEK材料具有高熔點和熔體對于粘度。因此，優化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。克利夫蘭州立大學機械工程系的研究團隊，研究了6種FDM3D打印工藝參數對PEEK機械性能的影響，并為PEEK材料FDM3D打印技術建立了加工-結構-性能關系。本期，谷.專欄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.org10.1016j.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、化學工業和生物醫學的各種高性能應用的先進聚合物之一。通常，基于PEEK的產品是通過傳統的制造技術開發的，例如注塑成型、壓縮成型或擠壓棒的加工。然而，通過傳統制造技術制造復雜設計的PEEK零件是很困難的。此外，傳統方法缺乏精確度，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，SLS3D打印技術也存在一些挑戰。如：燒結過程程因PEEK的粉末粒度和形態變化而變得復雜；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；工業級SLS3D打印設備相對價格昂貴，需要較大的占地空間。這些挑戰限制了PEEK增材制造的廣泛應用。基于材料擠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，已被廣泛用于工業產品開發與小批量制造，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FDM3D打印技術提出了更高挑戰。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，PEEKFDM3D打印遠比很多工程塑料、通用塑料的過程復雜和具有挑戰性，需要通過專業的制造技術，以及適合PEEK材料的FDM3D打印設備，來開發高質量的PEEK3D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FDM3D打印的加工參數。因此，大多數研究的側重點是確定最佳FDM3D打印參數，從而制造出具有最佳性能的PEEK3D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FDM3D打印的基本信息，但仍缺乏全面的研究來詳細分析FDM3D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FDMPEEK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FDM3D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FUNMATHT。研究團隊對各種PEEK3D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FDM3D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PEEK3D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FDM3D打印參數開發的：噴嘴溫度410°C，底板溫度130°C，腔室溫度90°C，層厚0.2mm，打印速度50mms。此外還對3D打印樣件進行了物理表征與統計分析。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生在3D打印樣件的中心。研究人員探索了PEEK3D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（或結晶度較低）和結晶區域(相對于非晶態區域結晶度更高），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計學意義（Tukey檢驗，p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探索了噴嘴溫度、基板溫度、腔室溫度、層厚、打印速度對于PEEK3D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(97.34MPa)、壓縮(118.26MPa)和彎曲(104.65MPa)強度的PEEK3D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。總體而言，這項研究提供了通過FDM3D打印技術開發具有出色機械性能的PEEK零件時所需的基本知識。未來發展方向總體而言，研究團隊探討了關于FDM3D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化的打印條件，未來的工作應集中在開發各種PEEK3D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零件具有挑戰性，因此應開發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。查看網友的精彩評論 關鍵字標籤：IKO軸承經銷商 |
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