3D打印是一種基于逐層疊加原理的增材制造打印方法，能實現復雜精密結構零件直接成型，縮短生產周期、降低成本。熔融沉積3D打?。‵DM）是應用最廣泛的3D打印技術，在熱塑性材料成型方面優(yōu)勢獨特。在FDM制造中，溫度、打印速度、層厚度、打印角度是關鍵參數。噴嘴溫度關乎線材熔化，打印底板溫度影響零件成型，過高或過低都會帶來問題；打印速度是噴嘴移動速度；層厚度是打印端沉積材料高度；打印角度是沉積線材路徑，優(yōu)化這些參數可提升制件表面質量和機械性能。

FDM技術與特種工程塑料

隨著技術發(fā)展，有限元分析為高溫FDM技術帶來新材料選擇，如聚乙烯亞胺（PEI）、聚醚酮酮（PEKK）、聚苯乙烯（PS）和聚醚醚酮（PEEK）等特種工程聚合物，它們具有高機械性能、高熱和耐化學性。與金屬相比，特種工程塑料輕質、低成本、易制造、自潤滑且耐腐蝕，能顯著節(jié)省重量，為航空航天等運輸應用提供超高燃料效率，還越來越多地應用于摩擦學領域，如航空航天機械和海洋工程機械中的軸承等部件。其中，聚醚醚酮（PEEK）是最有前途的摩擦學應用工程材料之一，具有優(yōu)良生物相容性、良好機械性能、耐高溫、低吸濕等特性。通過FDM技術可設計復雜結構的PEEK零部件，這是傳統(tǒng)制造技術難以實現的。

實驗材料與設備

實驗所用聚醚醚酮，購買自三的部落上海科技股份有限公司，型號為3dpro PEEK 450K，純樹脂（100% PEEK），灰黃色，密度1.3 g/cm3，熔點DSC為343℃，熱變形溫度163℃。選用的熔融沉積3D打印機為三的部落上?？萍脊煞萦邢薰镜男∑ê-3T打印機，專用于高溫聚合物打印。FDM設備由機器主體、擠出機、進絲控制系統(tǒng)等組成，噴嘴靠內部加熱塊加熱并帶有溫度控制系統(tǒng)，底板由鋁合金組成。

打印參數設置與成型原理

FDM主要打印參數如打印速度、填充速度、層厚等由切片軟件Ultimaker Cura 4.4設置。采用正交對稱法構建模型，同一層內兩條相連填充路徑夾角為90°。成型原理為：先用3D畫圖軟件Solidworks建立樣品模型并保存為stl格式，再用切片軟件Ultimaker Cura 4.4切片，設置參數后保存為Gcode并導入打印機打印。實驗中重疊率固定為15%，冷卻由打印機自動控制。

機械實驗與摩擦實驗

機械實驗在配有20 KN負載的萬能試驗機上進行，拉伸試樣按GB/T 1040.1 - 2006拉伸，拉伸速率1 mm/min；壓縮試樣按GB/T 1041 - 2008壓縮，壓縮速率2 mm/min。摩擦實驗使用直徑6 mm的市售鋼球軸承（GGr 15）作為摩擦副，摩擦方式為往復摩擦，設置滑動距離5 mm、載荷10 N、滑動頻率2 Hz、試驗時間1800 s。通過非接觸式光學表面三維輪廓儀分析樣品磨損量等，用掃描電子顯微鏡和光學顯微鏡分析磨斑表面形貌。

拉伸性能

聚醚醚酮拉伸試樣拉伸過程先彈性變形，后屈服塑性變形，接著拉伸斷口處頸縮，拉應力降低直至斷裂。不同填充方向和圖案下拉伸強度值有差異，填充方向為90°且填充圖案為直線時，拉伸強度值最高，為45.08 MPa，斷裂伸長率61.81%，彈性模量24 MPa。FDM打印樣品拉伸性能各向異性，填充圖案為網格時斷裂發(fā)生在粘結位置，粘合較弱；填充角度增大，斷裂有拉扯痕跡，韌性斷裂，直線填充圖案抵抗破壞能力強。

壓縮性能

壓縮時材料先彈性變形，應力與應變正比；超過屈服強度后應力基本不變；接著試樣不穩(wěn)定，應力值減小但應變增大；之后材料變形減弱，應力值最低；繼續(xù)施加載荷，力值隨應變增加又增長。填充圖案為三角形和內六角的試樣應力應變曲線增長，三角形結構穩(wěn)定，內六角有蜂窩結構特性。填充圖案為網格時性能可與三角形媲美。

摩擦性能

填充率影響聚醚醚酮材料摩擦系數，隨填充率增大，摩擦系數先增大后減小。填充率20% - 40%時，摩擦系數由0.14增大至0.29；40% - 80%時，由0.29減小到0.10。低填充率試樣表面由平整變粗糙，高填充率試樣表面由粗糙變平整，填充率80%時試樣內部致密化程度高，表面平整，摩擦系數和磨損率最小。

FDM打印參數可調控聚醚醚酮制件的機械性能和摩擦學性能，實現其在不同領域應用。為進一步發(fā)揮FDM優(yōu)勢，實現PEEK材料復合改性，可通過改變填充率構建鑲嵌式PEEK基材，嵌入固體潤滑劑制備鑲嵌式PEEK復合材料。PEEK因其優(yōu)異性能被認為是最有前途的工程應用聚合物之一，添加納米填料等潤滑劑可顯著提高復合材料耐磨性。鑲嵌式結構設計為PEEK材料復合改性提供了新方向。

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