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聚醚醚酮（PEEK）被認(rèn)為是最高性能的熱塑性塑料之一，因?yàn)樗哂辛钊穗y以置信的機(jī)械、化學(xué)、熱和減重特性。也就是說，PEEK的最終部件性能不能通過簡單的3D打印材料來保證。打印機(jī)實(shí)現(xiàn)特定腔室、床身和噴嘴溫度的能力將決定零件的結(jié)晶度和理想性能。在本文中，我們分析了3D打印機(jī)的要求和最佳溫度，以打印高質(zhì)量，機(jī)械堅(jiān)固的PEEK零件。

為了更好地了解我們?nèi)绾巫畲笙薅鹊匕l(fā)揮3D打印PEEK的性能，我們必須首先了解結(jié)晶度。已經(jīng)熟悉的半結(jié)晶和非晶PEEK相？

半結(jié)晶 VS 無定形聚醚醚酮

PEEK的結(jié)晶度直接影響其機(jī)械和化學(xué)性能。晶體是折疊的聚合物鏈，它們組織成填充的有序結(jié)構(gòu)，如下圖所示。有序的聚合物鏈通過隨機(jī)取向的鏈連接在一起，標(biāo)記為聚合物的無定形相。PEEK在其結(jié)構(gòu)中可以同時(shí)具有結(jié)晶和無定形相，稱為半結(jié)晶固體。PEEK也可以是無定形的，其結(jié)構(gòu)中幾乎沒有結(jié)晶度。

半結(jié)晶PEEK：最大化零件性能

在半結(jié)晶形式中，PEEK表現(xiàn)出其最佳的機(jī)械，化學(xué)和熱性能。

從聚合物物理理論[1]來看，結(jié)晶相中的聚合物鏈排列并形成更強(qiáng)的分子間鍵，從而產(chǎn)生更大的強(qiáng)度和剛度。另一方面，由于弱鍵合和纏結(jié)，無定形相中的聚合物鏈可以以最小的載荷拉伸和斷裂。

與非晶PEEK相比，這種結(jié)構(gòu)差異使半結(jié)晶PEEK能夠承受更高的拉伸應(yīng)力，蠕變，溫度，輻射和耐化學(xué)性。例如，半結(jié)晶PEEK可以在高達(dá)240°C的條件下使用，但無定形PEEK將在高于150°C的溫度下開始結(jié)晶和變形。

原位結(jié)晶：PEEK的理想3D打印條件

聚合物中的結(jié)晶發(fā)生在玻璃化轉(zhuǎn)變和熔化溫度之間，聚合物鏈開始折疊和排列。原位結(jié)晶是這些聚合物鏈的組織，在3D打印過程中產(chǎn)生結(jié)晶相。在PEEK中，結(jié)晶過程很快，導(dǎo)致在T凝固過程中產(chǎn)生較大的比體積變化m.我們的材料科學(xué)家建議將最低腔室溫度控制在PEEK玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的10°C以內(nèi)。

為了實(shí)現(xiàn)PEEK的原位結(jié)晶并最大限度地提高零件性能，需要133°C或更高的構(gòu)建室溫度和床身溫度。PEEK 3D打印的擠出溫度應(yīng)在365-440°C范圍內(nèi)。

3D打印在較冷的溫度下窺視

無法達(dá)到133°C或更高的構(gòu)建室溫度的3D打印機(jī)會產(chǎn)生無定形PEEK。因此，幾乎每個(gè)PEEK性能都會受到結(jié)晶度降低的影響，從而降低拉伸強(qiáng)度，彎曲性，耐熱性，耐化學(xué)性，密度甚至摩擦系數(shù)。

此外，在較低溫度下打印PEEK會在新沉積的層之間產(chǎn)生更大的溫度梯度（T1） 和先前沉積的層 （T2），如下圖所示。如果聚合物凝固和冷卻速度過快，將出現(xiàn)三個(gè)問題：

1. 由于層之間的溫差引起的零件變形。印刷層將相對于上面印刷的較暖層冷卻和收縮。

2. 由于溫度梯度大，部件中的殘余應(yīng)力。

3. Z方向強(qiáng)度大幅下降，因?yàn)閷娱g溫差越大，層間聚合物焊接強(qiáng)度越低。

因此，打印機(jī)中的環(huán)境溫度必須足夠高，以促進(jìn)PEEK的結(jié)晶，并確保高零件各向同性的最佳層間焊接強(qiáng)度。如果打印機(jī)只能生產(chǎn)無定形PEEK，則零件屬性將不允許最終使用的應(yīng)用程序。

退火冷印聚醚醚酮和零件變形

在冷印刷條件下，聚合物鏈在其無序排列中凍結(jié)，并且缺乏組織晶體結(jié)構(gòu)所需的熱能。為了結(jié)晶無定形固體，材料需要在T之間的溫度下進(jìn)行后處理熱處理g和 Tm.該過程是冷結(jié)晶，類似于金屬的退火熱處理。

冷結(jié)晶的注意事項(xiàng)是，雖然可以從無定形印刷品中獲得更高程度的結(jié)晶，但零件變形將非常顯著。當(dāng)聚合物中的無定形相向有序的晶體相過渡時(shí)，從V的變化所顯示的零件體積會收縮1到 V2在下圖中。這種收縮轉(zhuǎn)化為冷結(jié)晶階段后最終組件的變形，從而減輕了3D打印的近凈成形優(yōu)勢。因此，最大化原位結(jié)晶可以減少對冷結(jié)晶的需求，并推薦用于PEEK 3D打印。

結(jié)論

在較冷的溫度（低于133°C）下進(jìn)行3D打印PEEK會降低幾乎所有理想的材料特性，包括強(qiáng)度，各向同性，耐化學(xué)性等。冷印刷部件可以退火以增加結(jié)晶度并恢復(fù)其中一些理想的特性，但可能導(dǎo)致明顯的零件變形。因此，建議對PEEK進(jìn)行原位結(jié)晶，并且可以通過在整個(gè)印刷過程中保持133°C或更高的靜態(tài)構(gòu)建室溫度來實(shí)現(xiàn)。