Additive Manufacturing∣突破挤出成型PEEK制品的各向异性难题——一种改进的粉末热等静压后处理工艺

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2023-08-14 14:08:41 作者: 所属分类:学术动态 阅读: 1,871 views

聚醚醚酮(Polyetheretherketone,简称PEEK),是一种半结晶热塑性塑料,具有优异的机械性能、耐热性、化学稳定性和生物相容性,医疗植入物制造是其中的应用细分领域之一。当增材制造的PEEK零件用作骨植入物时,相较传统金属植入物,具有三维形态定制化、应力蔽障小、无伪影、不毒害生物体等优势,是一种理想的骨替代物材料。现有的熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,简称FDM)增材制造PEEK零件在实际应用中面临着在打印方向(Z-XY方向)层间结合力不足的挑战,制样的抗拉强度通常在5-20 MPa的范围内,导致其远低于骨组织替代的强度要求(约100 MPa)。此外,由于PEEK的熔点(340℃)较高,因而其3D打印工艺和后处理控制具有一定难度,PEEK骨植入物制件如图1所示。

图1. PEEK骨植入物制件

针对上述问题,华中科技大学材料科学与工程学院单斌教授团队,联合武汉康斯泰德科技和常州联德电子提出了一种新型的基于粉末热等静压(powder-based hot isostatic pressing,简称PHIP)处理方法,用以提高FDM-PEEK打印方向的力学性能。通过与材料3D打印参数优化相结合,成功地改善了制件的层间结合力和抗拉强度,在Z-XY方向上获得的抗拉强度为102.6±0.7 MPa,相较与目前最优文献报道的FDM-PEEK试样(19.6±6.1 MPa)提高约423.5%,与传统注塑成型PEEK的抗拉强度(107.7±0.7 MPa)相当。在获得优异力学性能的同时,论文着重阐述了PHIP热处理过程中材料层间结合力的增强机理。相关成果以“Achieving injection molding interlayer strength via powder assisted hot isostatic pressing in material extrusion polyetheretherketone” (https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103735)为题,于2023年发表在国际增材制造/3D打印顶级期刊Additive Manufacturing。本文的图形摘要如图2所示。

图2. 图形摘要

华中科技大学材料科学与工程学院博士生、武汉康斯泰德科技有限公司副总经理吴卫东为第一作者,材料科学与工程学院杜纯老师和单斌教授为论文的共同通讯作者,材料科学与工程学院博士胡镔、机械科学与工程学院硕士辛隽哲、机械科学与工程学院陈蓉教授共同参与了该项研究工作。此项工作对于增材制造领域PEEK制件提升力学性能、达成各向同性和拓展工程实践应用具有重要意义。

图3. 设备与PEEK试样的不同后处理工艺的示意图

首先,本工作针对喷头挤出路径宽度、打印速度、填充率、打印层厚四个FDM成型参数进行了正交实验,选取了优化的参数组合,制件在X-YZ方向上的抗拉强度可达到96.5±1.1 Mpa,在Z-XY方向上,制件的抗拉强度为21.2 ± 4.6 MPa。其次,如图3所示,本工作比较了FDM直接打印成型件、打印后常规热退火和打印后PHIP三种方法处理得到的FDM-PEEK制件。常规热退火处理得到的PEEK其抗拉强度相较于FDM直接成型件只能在Z-XY方向上提供有限的增长,而在实验优选了埋粉材料、保温时间、静压压力的情况下,PHIP-PEEK的抗拉强度在Z-XY方向上可到达102.6±0.7 MPa,相较于FDM直接成型件提升了384%,达到了注塑级别PEEK制件的95%(107.7 ± 0.7 Mpa),试样的抗拉强度结果如图4所示。

图4. 试样的抗拉强度结果(a)来自拉伸试验的典型应力-应变曲线;(b)抗拉强度和截面形态的比较

通过扫描电子显微镜(SEM)和差示扫描量热分析(DSC)可知,FDM-PEEK力学性能的提高归因于PHIP处理后PEEK分子扩散使打印过程中逐层堆叠所造成的空隙与缺陷的消失,Z-XY方向样品的断裂表面的SEM显微照片如图5所示。micro-CT扫描结果更加证实了FDM挤出层在PHIP处理后的深度融合以及大部分空隙的消除,制件的致密度达到了100%。此外,与常规热退火相比,PHIP方法表现出更好的形状保持稳定性,为异形零件的制造提供了保障。

总而言之,本工作探究得到的PHIP处理方法可以显著改善FDM-PEEK的机械性能,使其接近注塑制造的强度极限,并为FDM-PEEK早日达到医疗实际应用水平提供了有研究价值的工艺方案。

图5. Z-XY方向样品的断裂表面的SEM显微照片(a-c)PHIP-PEEK样品的横截面和200倍、2500倍放大的细节;(d-f)常规热退火PEEK样品的横截面和200倍、2500倍放大的细节;(g-i)打印PEEK样品的横截面和200倍、2500倍放大的细节