Apium P220助力研究PEEK材料3D打印力学性能研究

当涉及到高性能工程材料时，聚醚醚酮（PEEK）材料一直是研究人员和工程师们的热门选择。其卓越的耐高温、耐化学腐蚀和机械强度使其在航空航天、医疗、汽车和其他领域的应用中备受推崇。然而，PEEK的广泛应用也伴随着对制造方法的不断探索，以满足不同工业需求。

在过去的几年里，3D打印技术逐渐崭露头角，成为改进高性能工程材料加工的有力工具。特别是熔融沉积建模（FFF），为PEEK材料的应用提供了全新的机遇。然而，要实现FFF制造的PEEK材料的最佳性能，需要深入研究材料性能与打印参数之间的关系。

为研究光栅角度对PEEK力学性能的影响，本研究采用Apium P220平台制备了0°、30°、45°、90°四种光栅角度的PEEK样品。Apium P220 3D打印机拥有0.05mm的高精度，使用Apium® PEEK 450 Natural材料，基于精确控制能够实现样品质量的可重复性，四组PEEK的拉伸试样的打印方案设计如图1所示。

                                                                                                   图1、拉伸样品不同光栅角度的打印路径示意图

0°光栅角表示沿水平方向X打印，90°光栅角表示沿垂直方向Y打印。30°光栅角是+30°/-30°交叉打印，45°光栅角类似定义。样品轮廓由三根约1.2mm宽的细丝构成，内部100%填充。最终样品精度达到设计尺寸的0.1mm。样品形状设计符合标准(ISO 527-2)，以便与工业PEEK比较，如图2所示。

利用P220平台打印的不同光栅角度PEEK样品进行了全面的测试分析，以评估光栅角度对PEEK性能的影响。XRD和DSC结果显示，与工业PEEK 450G相比，FFF过程并未改变PEEK的晶体结构和热属性，如图3和图4所示。这证明光栅角度并不影响PEEK的微观结构。

不同光栅角度会影响PEEK的表面特征。测试发现，与注塑PEEK 450G相比，FFF打印过程使PEEK表面变得更亲水，表面硬度降低，如图5和表2结果所示。

                                                                                                        图5、PEEK 450G 和 FFF 制成的 PEEK 零件的表面硬度

                                                                                         图6、PEEK 450G 和 FFF 制成的 PEEK 零件的接触角和表面能

在力学性能方面，拉伸测试评估了不同光栅角度PEEK的抗拉强度，结果见图7。

                                                                                                                         图7、不同光栅角度下的拉伸行为

                                                                                              （a） 拉伸应力-应变曲线;（b）不同光栅角度的平均抗拉强度.

0°光栅角样品抗拉强度最高，达到注塑PEEK 450G的82%。SEM观察到所有样品呈现层状断裂性状，如图8所示。

                                                                                                     图8、断裂的拉伸试样的横截面的SEM图片

细节分析表明，主要断裂机制与层间结合和内部空隙有关，如图9所示。