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熔絲製造(FFF)3D打印PEEK工藝研究

2018-12-27

與現有技術相比,3D打印(AM)提供了一種更為經濟有效、自動化的製造過程,它可以實現數字化的庫存,同時為工程的設計提供了更大的靈活性。熔絲製造(FFF)也稱熔融沉積製造(FDM),是熱塑性聚合物最常用的3D打印技術之一。在FFF工藝中,將熱塑性長絲送入加熱的噴頭中,熔化或液化,然後擠出並沉積在構建模型的基板上。當熔融材料沉積時,台架在水平x-y平麵內移動噴頭。然後,在完成x-y平麵中的沉積之後,加熱底板垂直移動(在z軸上)。沉積層固化並與相鄰層粘合/焊接,形成所需的3D幾何形狀。

據了解,PEEK是一種高性能的熱塑性塑料,即使在高達240°C的溫度下也具有優異的機械和化學耐受性,PEEK還具有優異的耐水解性並提供防火,防煙和防毒性能。PEEK已用於汽車,航空航天,石油和天然氣等領域。本文研究的重點是PEEK的FFF用於製造生物植入物,以便有效地利用其性能,如生物相容性、疲勞性和耐磨性。本文首先討論FFF製備PEEK樣品的工藝參數,然後進行拉伸,彎曲和斷裂韌性的測試,包括與DIC的光學應變映射,為PEEK的FFF製造提供了指導,使其能夠實現在骨科植入物的應用。 研究方法 本文使用Indmatec HPP 155裝置(Apium Additive Technologies GmbH)製備FFF樣品,使用由Victrex®PEEK450G製成的直徑為1.75mm的長絲,經過壓力機構將長絲送入0.4mm直徑的噴頭,本研究中使用的FFF工藝參數如下: 噴頭移動速度:800mm/min;第一層:300mm/min 噴頭溫度:410℃;第一層390℃ 基板溫度:100℃ 層厚:0.1mm;第一層:0.18mm 擠壓寬度:0.48mm 填充圖案:直線 填充比重:100%

熔絲製造(FFF)3D打印PEEK工藝研究

圖1 通過FFF製備的PEEK拉伸樣件
圖1中(a)采用水平方向打印,(b)采用垂直方向打印,填充路徑的方向分別為0°(c)和90°(d),(c)和(d)中的p和q分別是(a)中相應區域p和q的放大視圖,相同地,(e)中的r和s是相應區域r和s的放大區域。彎曲試樣的構造類似於拉伸試樣的構造。

拉伸實驗在具有2.5kN測力傳感器的Zwick-Roell Z005萬能實驗機(UTM)上進行,在環境溫度(~20℃)下,根據ISO 527以1mm / min的恒定十字頭速度進行拉伸測試。FFF-PEEK拉伸樣件如圖2所示。

熔絲製造(FFF)3D打印PEEK工藝研究

圖2 FFF-PEEK拉伸樣件

根據國際標準ISO 178,在環境溫度(~20℃)下在具有2.5kN測力傳感器的Zwick-Roell Z005萬能實驗機(UTM)上以2mm / min的恒定十字頭速度進行三點彎曲實驗。進行斷裂實驗以評估3D打印PEEK的模式I斷裂韌性。根據ASTM D5045-14標準測量FFF-PEEK試樣的拉伸斷裂性能,以測量聚合物的平麵應變斷裂韌性。

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圖3 (a)緊湊拉伸試樣的幾何形狀,(b)FFF-PEEK緊湊拉伸樣件,(c)實驗前樣件的尖銳裂紋尖端區域的放大視圖。

結論

熔絲製造(FFF)3D打印PEEK工藝研究

表1H-0°、H-90°和V-90°PEEK樣件的拉伸和彎曲性能的平均值和標準誤差

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圖4FFF-PEEK過程中的熱梯度和構建速率的示意圖

根據ISO 527-1:2012,拉伸強度是在拉伸實驗期間觀察到第一局部最大值的應力。因此,在屈服點評估H-0°樣品的拉伸強度,而在失效點評估H-90°和V-90°樣品的拉伸強度,H-0 °試樣表現出最高的楊氏模量和拉伸強度,其次是H-90°和V-90°(圖4和表1)。在H-0°試樣中,拉伸加載力方向平行於絲材走線方向,因此該樣品顯示出更高的楊氏模量和拉伸強度。 H-90°的楊氏模量和拉伸強度值分別比H-0°低7%和12%。由於熔融的絲材之間優異的界麵結合,H-90°試樣表現出接近H-0°試樣的性能。

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表2 在FFF-PEEK過程期間,在x,y和z方向上的構建速率(Vi)和在單個水平麵中的沉積時間(txy)

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圖6SEM裂縫表麵形態(a)H-0°,(b)H-90°和(c)V-90°樣件。

H-0°樣件在110%應變下評估失效,因此橫截麵積較小,宏觀空隙較大。 紅色,黃色和白色(箭頭和圓圈)分別表示z製造方向,走線方向和負載方向。 圓圈表示垂直於表麵的方向。

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圖7 空載時FFF-PEEK樣品的μCT圖像; (a)H-0°樣品的2D圖像,插圖顯示相鄰走線之間交叉連接處的空隙,(b)H-90°樣品的2D圖像,(c)V-90°樣品的2D圖像,插圖顯示掏空的3D重建圖像,(d)V-90°緊湊張力樣品的2D圖像,插圖顯示空隙的3D重建圖像。 紅色,白色和黃色(箭頭或圓圈)分別表示z製造方向,載荷方向和走線角度。 圓圈表示垂直於表麵的方向。

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圖8 FFF-PEEK的載荷-位移曲線,(a)H-0°,(b)H-90°和(c)V-90°樣件。

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圖9 緊湊拉伸樣件實驗後照片(a)H-0°,(b)H-90°和(c)V-90°樣件。

斷裂實驗結果顯示了FFF工藝參數對斷裂韌性的影響。 H-0°樣件表現出最好性能,其次是H-90°和V-90°,如載荷-位移曲線(圖9)和KIC(表3)所示。

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圖10 (a)H-0°,(b)H-90°和(c)V-90°樣件的斷裂表麵SEM圖像。 紅色,黃色和白色(箭頭或圓圈)分別表示z製造方向,走線方向和載荷方向。 圓圈表示垂直於曲麵的方向。

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圖11 在最大載荷下的應變的DIC輪廓(a)H-0°,(b)H-90°和(c)V-90°樣件。

討論 本文給出了FFF製備PEEK樣品的拉伸、彎曲、斷裂韌性,實驗邏輯緊密,實驗充分,係統的研究了FFF工藝參數對PEEK樣件力學性能的研究,為PEEK在醫學中的使用提供了較為充分的工程理論。文中大量地方值得我們學習,例如圖表的製備,圖表清晰易懂,邏輯性性強,為我們今後做類似的力學實驗提供借鑒。


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