3D打印PEEK樣品的層間結(jié)合強(qiáng)度

供稿人：馬聚隆 李滌塵
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

熔融沉積成形（FDM）是一種將聚合物長(zhǎng)絲材料熔融并通過(guò)逐層沉積方式進(jìn)行樣件制造的3D打印工藝，該工藝具有定制設(shè)計(jì)、高復(fù)雜零件制造、按需制造和低成本等優(yōu)勢(shì)，但由于層間力學(xué)性能普遍較差，阻礙了其向更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

美國(guó)理海大學(xué)的Chya-Yan Liaw等使用了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了3D打印工藝參數(shù)（包括噴嘴溫度、打印速度、層高和等待時(shí)間）對(duì)PEEK試件層間結(jié)合強(qiáng)度的影響，并根據(jù)結(jié)果開發(fā)了一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究了打印參數(shù)與最終使用特性（包括彎曲應(yīng)力、斷裂應(yīng)變、彎曲模量、結(jié)晶度）之間的相關(guān)性。

層間結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試如圖1所示，根據(jù)ISO 178確定出如圖1（a）所示的標(biāo)準(zhǔn)模型，并將樣本置于垂直方向進(jìn)行打印，改變工藝參數(shù)條件制備如圖1（b）所示12組測(cè)試樣件，為驗(yàn)證層間結(jié)合強(qiáng)度將樣品進(jìn)行如圖1（c）和（d）所示的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷垂直于沉積方向施加，并施加到印刷層之間的界面。在下表面張力的作用下，失效主要由層間的粘結(jié)所決定。

圖1 層間粘合強(qiáng)度測(cè)試

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，粘結(jié)強(qiáng)度與噴嘴溫度最為密切相關(guān)，且噴嘴溫度越高，粘結(jié)強(qiáng)度越高，主要機(jī)理在于提高了新舊材料浸潤(rùn)性和分子鏈的遷移率。等待時(shí)間和層高對(duì)斷裂應(yīng)力都有負(fù)面影響，較長(zhǎng)的等待時(shí)間可能導(dǎo)致印刷層的溫度顯著下降，限制了分子擴(kuò)散；過(guò)大的層高可能導(dǎo)致層間形成更大尺寸的空隙，層間鍵合和斷裂應(yīng)力變?nèi)�。由于將等待時(shí)間單獨(dú)考慮，速度對(duì)層間粘結(jié)強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)。

進(jìn)一步探究了斷裂應(yīng)力與斷裂應(yīng)變、模量、結(jié)晶度的變化關(guān)系。如圖2（a）所示，斷裂應(yīng)力/應(yīng)變是層間結(jié)合強(qiáng)度的直接結(jié)果，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變之間呈正趨勢(shì)。如圖2（b）所示，在斷裂應(yīng)力方面沒(méi)有觀察到與模量的顯著趨勢(shì)，表明模量與層間粘合強(qiáng)度沒(méi)有密切關(guān)系，而是取決于打印部件的層高（幾何參數(shù)）。如圖2（c）所示，結(jié)晶度和斷裂應(yīng)力/應(yīng)變之間存在正相關(guān)關(guān)系。圖2中的紅色回歸線顯示了斷裂應(yīng)力和斷裂應(yīng)變、斷裂應(yīng)力和結(jié)晶度的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系，根據(jù)推算斷裂應(yīng)變和結(jié)晶度每增加一個(gè)單位，斷裂應(yīng)力分別增加約14 MPa和6 MPa。

圖2 斷裂應(yīng)力與（a）斷裂應(yīng)變，（b）模量，（c）結(jié)晶度關(guān)系

參考文獻(xiàn)：
Liaw, C., J. W. Tolbert, L. W. Chow, M. Guvendiren (2021). " Interlayer bonding strength of 3D printed PEEK specimens." Soft Matter, 2021. 17(18): p. 4775-4789.