6个重要参数对FDM PEEK 3D打印零件机械性能的影响-金属3D打印工厂

6个重要参数对FDM PEEK 3D打印零件机械性能的影响-金属3D打印工厂插图

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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6FDM 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,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

相关研究论文链接: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。

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ABSPLA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350440°C范围内的喷嘴温度打印,并且要求构建板温度范围为100150°C,环境(或腔室)温度范围为90160°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。

实验

l材料与设备

研究团队采用的实验材料为3DXTECH的直径1.75毫米的PEEK丝材,并将丝材在120°C下干燥了5小时。采用的3D打印设备为INTAMSYS-远铸智能的FUNMAT HT。研究团队对各种PEEK 3D打印样件进行了机械测试。每组样件中,每次只调整一种打印参数,其他参数保持不变。例如:每次调整打印喷嘴的问题,但是打印基板温度、腔室温度、层厚、打印速度参数保持不变。

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1(节选).研究中遵循的各种3D打印参数。 

l机械性能

研究团队在室温下对3D打印的PEEK部件进行拉伸、压缩和弯曲测试。

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1.用于(a)拉伸测试、(b)压缩测试和(c)弯曲测试的FDM 3D打印PEEK样件。每个测试的详细信息显示在(i)(iv)中。(i)样件CAD图纸(ii)正在打印中的PEEK样件(iii)成品PEEK 3D打印样件(在打印后经过退火处理)(iv)正在进行机械测试的3D打印样件。

研究团队选择了一种后热处理工艺来提高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理:在160°C下热处理30分钟,然后在200°C下热处理2小时,并逐渐冷却至室温。为了比较的目的,另一组样品没有进行退火。这两组样件都是使用以下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打印样件进行了物理表征与统计分析。

 结果举例

研究中探索的所有拉伸样品均因突然整齐断裂而失败。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表面SEM图像如图3a-d)所示。

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2. (a)拉伸、(b)压缩和(c)弯曲试验后失效/断裂3D打印样件图片。白色箭头表示层的破碎,黄色箭头表示完全分层。

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3拉伸样件断口的SEM图像。(a)断裂表面的低倍显微照片 (b)、(c)和(d)为图(a)所示虚线区域的高倍显微照片。 空隙的裂纹萌生和扩展是显而易见的, 大部分分层和破裂发生在3D打印样件的中心。

研究人员探索了PEEK 3D打印样件是否需要退火,或在实验中所设置的3D打印设备腔室温度是否足以产生坚固的样品。实验中使用的3D打印设备腔室温度可高达90°C。尽管使用了最高的腔室温度设置(90°C),研究团队仍观察到在未经退火处理的3D打印PEEK样件上出现不同的非晶态(或结晶度较低)和结晶区域(相对于非晶态区域结晶度更高),如图4a-c)所示。

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4.退火和非退火3D打印PEEK样件的结果。(a-c)为(a)拉伸(b)压缩和(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表面区  域都显示出均匀的米色。(d)退火和非退火PEEK样件的典型应力应变(压缩)曲线。(e)退火和非退火部分各自强度的比较。*表示相对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。

结果证实,90°C的腔室温度足以产生具有良好机械性能的部件,但不足以提供足够高的腔室或环境温度来制造具有均匀结晶的3D打印PEEK零件。因此,需要退火作为一种后热处理方法,以获得具有增强机械性能的均匀结晶PEEK部件。研究团队接下来还陆续探索了喷嘴温度、基板温度、腔室温度、层厚、打印速度对于PEEK 3D打印零件机械性能的影响。 

 总结

研究结果表明喷嘴和腔室温度、层厚和打印速度对于开发坚固的 PEEK结构至关重要。此外,退火有助于获得具有出色拉伸(97.34 MPa)、压缩(118.26 MPa)和弯曲(104.65 MPa)强度的PEEK 3D打印零件;值得注意的是,其强度与注塑成型零件相当。零件横截面和断口的SEM和立体显微镜图像提供了有趣的洞察力,让研究团队深入了解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方法。总体而言,这项研究提供了通过FDM 3D打印技术开发具有出色机械性能的PEEK零件时所需的基本知识。

来发展方向

总体而言,研究团队探讨了关于FDM 3D打印PEEK零件机械性能的六个重要 加工参数。其研究结果揭示了影响材料结构和3D打印零件机械性能的热处理条件(例如喷嘴、底板和腔室温度)之间可能存在关系。此外,需要更多的研究来具体确定增强3D打印PEEK产品机械性能的最关键参数。

研究部团队指出,凭借在这项研究中获得的知识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。由于材料的表面特性决定了许多重要的应用,因此还应努力提高3D打印PEEK零件的表面特性。值得注意的是,由于打印小型PEEK零件具有挑战性,因此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,也值得探索相同的3D打印条件是否可以在这些零件中产生所需的机械性能。

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