3D打印PEEK样品的层间结合强度

供稿人：马聚隆 李涤尘
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

熔融沉积成形（FDM）是一种将聚合物长丝材料熔融并通过逐层沉积方式进行样件制造的3D打印工艺，该工艺具有定制设计、高复杂零件制造、按需制造和低成本等优势，但由于层间力学性能普遍较差，阻碍了其向更广泛领域的应用。

美国理海大学的Chya-Yan Liaw等使用了三点弯曲试验研究了3D打印工艺参数（包括喷嘴温度、打印速度、层高和等待时间）对PEEK试件层间结合强度的影响，并根据结果开发了一种实验设计方法研究了打印参数与最终使用特性（包括弯曲应力、断裂应变、弯曲模量、结晶度）之间的相关性。

层间结合强度的测试如图1所示，根据ISO 178确定出如图1（a）所示的标准模型，并将样本置于垂直方向进行打印，改变工艺参数条件制备如图1（b）所示12组测试样件，为验证层间结合强度将样品进行如图1（c）和（d）所示的三点弯曲试验，试验载荷垂直于沉积方向施加，并施加到印刷层之间的界面。在下表面张力的作用下，失效主要由层间的粘结所决定。

图1 层间粘合强度测试

根据测试结果，粘结强度与喷嘴温度最为密切相关，且喷嘴温度越高，粘结强度越高，主要机理在于提高了新旧材料浸润性和分子链的迁移率。等待时间和层高对断裂应力都有负面影响，较长的等待时间可能导致印刷层的温度显著下降，限制了分子扩散；过大的层高可能导致层间形成更大尺寸的空隙，层间键合和断裂应力变弱。由于将等待时间单独考虑，速度对层间粘结强度的影响可以忽略不计。

进一步探究了断裂应力与断裂应变、模量、结晶度的变化关系。如图2（a）所示，断裂应力/应变是层间结合强度的直接结果，并且在实验过程中发现断裂应力和断裂应变之间呈正趋势。如图2（b）所示，在断裂应力方面没有观察到与模量的显著趋势，表明模量与层间粘合强度没有密切关系，而是取决于打印部件的层高（几何参数）。如图2（c）所示，结晶度和断裂应力/应变之间存在正相关关系。图2中的红色回归线显示了断裂应力和断裂应变、断裂应力和结晶度的统计学关系，根据推算断裂应变和结晶度每增加一个单位，断裂应力分别增加约14 MPa和6 MPa。

图2 断裂应力与（a）断裂应变，（b）模量，（c）结晶度关系

参考文献：
Liaw, C., J. W. Tolbert, L. W. Chow, M. Guvendiren (2021). " Interlayer bonding strength of 3D printed PEEK specimens." Soft Matter, 2021. 17(18): p. 4775-4789.