解析 | 熔丝制造(FFF)打印PEEK工艺研究

与现有技术相比，增材制造（AM）提供了一种更为经济有效、自动化的制造过程，他可以实现数字化的库存，同时为工程的设计提供了更大的灵活性。熔丝制造（FFF）也称熔融沉积制造（FDM），是热塑性聚合物最常用的增材制造技术之一。在FFF工艺中，将热塑性长丝送入加热的喷嘴中，熔化或液化，然后挤出并沉积在构建模型的基板上。当熔融材料沉积时，台架在水平x-y平面内移动喷嘴。然后，在完成x-y平面中的沉积之后，加热底板垂直移动（在z轴上）。沉积层固化并与相邻层粘合/焊接，形成所需的3D几何形状。

PEEK是一种高性能的热塑性塑料，即使在高达240°C的温度下也具有优异的机械和化学耐受性，PEEK还具有优异的耐水解性并提供防火，防烟和防毒性能。PEEK已用于汽车，航空航天，石油和天然气等领域。本文研究的重点是PEEK的FFF用于制造生物植入物，以便有效地利用其性能，如生物相容性、疲劳性和耐磨性。本文首先讨论FFF制备PEEK样品的工艺参数，然后进行拉伸，弯曲和断裂韧性的测试，包括与DIC的光学应变映射，为PEEK的FFF制造提供了指导，使其能够实现在骨科植入物的应用。

研究方法
本文使用Indmatec HPP 155装置（Apium Additive Technologies GmbH）制备FFF样品，使用由Victrex®PEEK450G制成的直径为1.75mm的长丝，经过压力机构将长丝送入0.4mm直径的喷嘴，本研究中使用的FFF工艺参数如下：

喷头移动速度：800mm/min；第一层：300mm/min
喷头温度：410℃；第一层390℃
基板温度：100℃
层高：0.1mm；第一层：0.18mm
挤压宽度：0.48mm
填充图案：直线
填充密度：100%

图1 通过FFF制备的PEEK拉伸样件

图1中（a）采用水平方向打印，（b）采用垂直方向打印，填充路径的方向分别为0°（c）和90°（d），（c）和（d）中的p和q分别是（a）中相应区域p和q的放大视图，相同地，（e）中的r和s是相应区域r和s的放大区域。弯曲试样的构造类似于拉伸试样的构造。

拉伸试验在具有2.5kN测力传感器的Zwick-Roell Z005万能试验机（UTM）上进行，在环境温度（~20℃）下，根据ISO 527以1mm / min的恒定十字头速度进行拉伸测试。FFF-PEEK拉伸样件如图2所示。

图2 FFF-PEEK拉伸样件

根据国际标准ISO 178，在环境温度（~20℃）下在具有2.5kN测力传感器的Zwick-Roell Z005万能试验机（UTM）上以2mm / min的恒定十字头速度进行三点弯曲试验。进行断裂试验以评估3D打印PEEK的模式I断裂韧性。根据ASTM D5045-14标准测量FFF-PEEK试样的拉伸断裂性能，以测量聚合物的平面应变断裂韧性。

图3 （a）紧凑拉伸试样的几何形状，（b）FFF-PEEK紧凑拉伸样件，（c）试验前样件的尖锐裂纹尖端区域的放大视图。

结论

表1  H-0°、H-90°和V-90°PEEK样件的拉伸和弯曲性能的平均值和标准误差

图4  FFF-PEEK过程中的热梯度和构建速率的示意图

根据ISO 527-1：2012，拉伸强度是在拉伸试验期间观察到第一局部最大值的应力。因此，在屈服点评估H-0°样品的拉伸强度，而在失效点评估H-90°和V-90°样品的拉伸强度，H-0 °试样表现出最高的杨氏模量和拉伸强度，其次是H-90°和V-90°（图4和表1）。在H-0°试样中，拉伸加载力方向平行于丝材走线方向，因此该样品显示出更高的杨氏模量和拉伸强度。 H-90°的杨氏模量和拉伸强度值分别比H-0°低7％和12％。由于熔融的丝材之间优异的界面结合，H-90°试样表现出接近H-0°试样的性能。

表2 在FFF-PEEK过程期间，在x，y和z方向上的构建速率（Vi）和在单个水平面中的沉积时间（txy）

图6  SEM裂缝表面形态（a）H-0°，（b）H-90°和（c）V-90°样件。

H-0°样件在110％应变下评估失效，因此横截面积较小，宏观空隙较大。 红色，黄色和白色（箭头和圆圈）分别表示z制造方向，走线方向和负载方向。 圆圈表示垂直于表面的方向。

图7 空载时FFF-PEEK样品的μCT图像; （a）H-0°样品的2D图像，插图显示相邻走线之间交叉连接处的空隙，（b）H-90°样品的2D图像，（c）V-90°样品的2D图像，插图显示空心的3D重建图像，（d）V-90°紧凑张力样品的2D图像，插图显示空隙的3D重建图像。 红色，白色和黄色（箭头或圆圈）分别表示z制造方向，载荷方向和走线角度。 圆圈表示垂直于表面的方向。

图8 FFF-PEEK的载荷-位移曲线，（a）H-0°，（b）H-90°和（c）V-90°样件。

图9 紧凑拉伸样件试验后照片（a）H-0°，（b）H-90°和（c）V-90°样件。

断裂试验结果显示了FFF工艺参数对断裂韧性的影响。 H-0°样件表现出最佳性能，其次是H-90°和V-90°，如载荷-位移曲线（图9）和KIC（表3）所示。

图10 （a）H-0°，（b）H-90°和（c）V-90°样件的断裂表面SEM图像。 红色，黄色和白色（箭头或圆圈）分别表示z制造方向，走线方向和载荷方向。 圆圈表示垂直于曲面的方向。

图11 在最大载荷下的应变的DIC轮廓（a）H-0°，（b）H-90°和（c）V-90°样件。

讨论
本文给出了FFF制备PEEK样品的拉伸、弯曲、断裂韧性，试验逻辑紧密，试验充分，系统的研究了FFF工艺参数对PEEK样件力学性能的研究，为PEEK在医学中的使用提供了较为充分的工程理论。文中很多地方值得我们学习，例如图表的制备，图表清晰易懂，逻辑性性强，为我们今后做类似的力学实验提供借鉴。


来源： OrthoDesign西交假体设计  
翻译：张晨光

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