根据远铸智能，纤维增强复合材料是十分有用的结构材料，它不仅质轻、耐高温, 而且有很高的拉伸强度和弹性模量,是制造宇宙飞船、火箭、导弹、高速飞机以及大型客机等不可缺少的组成材料。不同含量的碳纤维(CF)或玻璃纤维(GF)可增强PEEK的机械强度，极大地提升PEEK材料的机械、耐热性能，满足更严苛的行业应用。
本期，通过节选近期国内PEEK增材制造领域方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略快速发展的PEEK材料3D打印。
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PEEK/CGF复合材料
增材制造综合力学性能优化
严春晖1,2战丽3任永新1,2刘晓军1,2邹东明1,2
1. 机械科学研究总院先进成型技术与装备国家重点试验室2. 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司3. 北京机电研究所有限公司
摘要：为提升连续玻璃纤维(CGF)增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料增材制造样件综合力学性能，优化增材制造基础工艺参数，基于正交试验与单因素试验设计，通过力学性能测试，探究了喷头温度、平台温度、打印速度、层厚等工艺参数对综合样件力学性能的影响，获得PEEK/CGF增材制造成型工艺优化参数，进一步探究了重点工艺参数对PEEK/CGF样件力学性能的影响规律。
结果表明，层厚与喷头温度对样件的综合力学性能具有显著影响，最优工艺参数组合为喷头温度440℃，平台温度160℃，打印速度2 mm/s，层厚0.35 mm。随喷头温度的增加，样件的综合力学性能先增大后减小，在440℃达到最大值；随层厚的减小，样件的力学性能逐渐增大，层厚为0.35 mm时样件的力学性能达到最大值。
经试验验证，在最优工艺参数组合下样件综合力学性能达到最优，样件弯曲强度为351.59 MPa，层间剪切强度为34.96 MPa，拉伸强度为383.75 MPa。
热处理工艺对增材制造
PEEK/CGF力学性能影响
严春晖1,2战丽3任永新1,2刘晓军1,2邹东明1,2
1. 机械科学研究总院先进成形技术与装备国家重点实验室2. 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司3. 北京机电研究所有限公司
摘要：针对连续玻璃纤维(CGF)增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料丝材在增材制造中因快速冷却造成材料结晶不充分、力学性能较低、层间结合能力差等问题，通过差示扫描量热(DSC)分析和力学性能测试，探究了热处理工艺参数对PEEK/CGF打印件力学性能的影响规律。
结果表明，适当的热处理工艺能够提高PEEK/CGF材料的结晶度，进而提升成型件的综合力学性能。当保温温度在180～200℃，保温时间在50～60 min时，PEEK/CGF打印样件的力学性能最优，热处理后样件的弯曲强度为269.1 MPa，层间剪切强度为26.11 MPa，拉伸强度为332.71 MPa，较热处理前分别提高94.48%,97.95%与16.9%。
PEEK/TiO2组配式假体的
增材制造工艺及结构设计研究
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胡镔
华中科技大学
摘要：增材制造的高定制化特点推动了骨科匹配式、定制式假体制造技术发展,为精准治疗带来了新希望。目前钛、钽金属为主的增材制造假体,存在伪影、应力遮蔽等弊端。非金属假体,如聚醚醚酮(Poly-ether-ether-ketone,PEEK),具有良好的生物性和模量水平,是增材制造假体技术的关键领域之一。然而目前非金属增材制造易产生翘曲、裂纹等缺陷且假体孔隙结构的多功能平衡控制困难,是限制其发展的重要因素。
故本文以组配式椎间融合器为例,展开了PEEK/TiO2组配式假体的增材制造技术和多孔设计方法的技术研究,主要面临以下问题:
(1)PEEK材料的高熔点、高粘度导致的难成型、强度低的问题;
(2)多孔TiO2复合陶瓷光固化成型中烧结缺陷及强度低的问题;
(3)假体制件多功能孔隙结构的高成本设计问题。
针对上述问题,展开了以下研究工作:
(1)构建了具有集热机制的熔融沉积成型平台,达到了稳定成型域温度梯度变化的效果,缓解了结构分层翘曲问题,其平均翘曲率从20.4%降低到5.0%。同时,通过对制件强度和结晶性的表征分析,发现集热机制减缓温度梯度的效果作用于PEEK制件冷却结晶过程,达到了近热处理后的结晶状态,实现了制件强度的提升。进一步,通过对成型温度、喷嘴直径和填充角度等关键参数的研究,发现了工艺参数对制件微观形貌及宏观强度的作用机制,最终实现了PEEK及其短碳纤复合材料的快速成型,强度较改良前提升近一倍。
(2)发展了以MgO为多效助剂的TiO2复合陶瓷增材制造方法。通过在浆料中引入MgO和复合引发剂,改善了浆料固化成型及素坯脱脂过程。进一步,基于MgO与TiO2间固相反应引入了反应烧结过程,结合微波烧结工艺的体相热源优势,实现了陶瓷的快速致密化和烧结温度的降低,其烧结温度有效降低约200°C。同时,反应生成的新相Mg Ti2O5,在形成过程中弥补了结构微观晶粒间间隙等缺陷,实现了最终整体多孔制件的宏观性能提升,比报道TiO2多孔陶瓷的强度提升近一个数量级。
(3)提出了基于贝叶斯理论结合有限元仿真的快速设计方法,实现了三周期极小曲面结构的传质性与强度性能的多目标快速设计。通过隐函数的参数化建模方法与实验验证的有限元模型,探究了主要参数(厚度参数Pt,阵列数Pa,常数项Pc)对性能的独立作用机制。并利用贝叶斯理论加速了设计过程,仅经9次迭代获得了Pareto前沿,其最佳的结构组合(Pt=0.28,Pc=-0.49,Pa=3.5)的模量和渗透率分别达到1.21GPa和4.03×10-9 m-2满足设计需求。进一步,结合两种材料特性设计了内嵌多孔陶瓷的PEEK/TiO2组配式假体,通过压缩强度测试验证了假体的关键抗压性能符合需求,同时通过细胞毒性实验证明了其对骨组织无毒副作用。
连续纤维增强PEEK增材制造
力学性能与成型质量优化
陈意伟1,2单忠德2,3杨旭静1张丽娇4李明高4
1. 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室2. 机械科学研究总院先进成形技术与装备国家重点实验室3. 南京航空航天大学4. 中车工业研究院有限公司
摘要：针对连续纤维增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料增材制造中的界面结合差、制件精度不高等技术瓶颈，基于多热力场耦合作用下的连续纤维增材制造成型工艺，实现了典型样件的3D打印制备。基于正交实验设计，并通过微观形貌表征和力学性能测试，探究了喷头温度、打印速度和分层厚度对打印制件的表面粗糙度和弯曲性能的影响规律，获得连续纤维增强PEEK复合材料增材制造成型优化工艺参数。
结果表明，分层厚度对表面粗糙度、弯曲强度和弯曲弹性模量具有显著影响，而打印速度和喷头温度对力学性能和成型精度影响较小。分层厚度越小，打印道间结合质量越好，成型制件表面粗糙度越小，弯曲弹性模量和弯曲强度越高。最优工艺参数为喷头温度390℃、打印速度2 mm/s和分层厚度0.4 mm。经试验验证，最优工艺参数下表面粗糙度达到最小为24.99 μm，弯曲弹性模量和弯曲强度分别达到最大为57.05 GPa和355.07 MPa。
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