PEEK材料在FDM 3D打印中的應(yīng)用探索及市場潛力

來源：廣州聚生Junsun

1. 引言
聚醚醚酮（PEEK）是一種高性能工程塑料，因其卓越的機(jī)械性能、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性而受到廣泛關(guān)注。PEEK材料用在3D打印領(lǐng)域時，幾乎允許構(gòu)建任何復(fù)雜設(shè)計的幾何形狀，這是其他很多材料所難以勝任的。因此隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，PEEK已然成為該領(lǐng)域的熱門材料之一。PEEK材料的吸濕性低，適用于熔融沉積（FDM）技術(shù)進(jìn)行3D打印造型，這是一種快速、經(jīng)濟(jì)且高效的方法，使PEEK能夠在各種復(fù)雜的應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用，從航空航天到醫(yī)療器械都可見PEEK的身影。然而，盡管PEEK在FDM 3D打印中展現(xiàn)出巨大的潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在許多挑戰(zhàn)。為了充分利用PEEK的優(yōu)勢并推動其在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用，我們需要深入了解這些挑戰(zhàn)，并尋找有效的解決方案。本文旨在探討PEEK在FDM 3D打印中的挑戰(zhàn)、提供解決方案，并展望其未來的發(fā)展前景。

2.PEEK材料的基本性質(zhì)
聚醚醚酮（PEEK）是一種半結(jié)晶性熱塑性聚合物，因其獨(dú)特的性質(zhì)組合而被廣泛應(yīng)用于高性能應(yīng)用中。與其他工程塑料比較，PEEK展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢，特別是在耐熱性、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性方面。以下是PEEK的一些關(guān)鍵性質(zhì)及其具體參數(shù)：

l化學(xué)結(jié)構(gòu)：PEEK的重復(fù)單元具有芳香性質(zhì)，賦予其出色的化學(xué)穩(wěn)定性。

△PEEK 分子式

物理性質(zhì)：
密度：1.28-1.32 g/cm3。
熔點(diǎn)：343℃。
玻璃轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)：143℃。

機(jī)械性能：
抗拉強(qiáng)度：100 MPa，表明PEEK可以承受高的拉伸應(yīng)力而不斷裂。
彎曲強(qiáng)度：163 MPa，這使PEEK在受到彎曲應(yīng)力時表現(xiàn)出色。
彎曲模量：4400 MPa，反映了PEEK在受到彎曲應(yīng)力時的剛度。

熱性能：
連續(xù)使用溫度：-60°C 到 260°C，這意味著PEEK可以在廣泛的溫度范圍內(nèi)使用而不失去其性能。
化學(xué)穩(wěn)定性：PEEK對多種化學(xué)物質(zhì)，如酸、堿和有機(jī)溶劑，都有極好的耐腐蝕性。

3.FDM 3D打印的基本原理
FDM技術(shù)的工作原理：

熔融沉積成型（FDM）是一種增材制造技術(shù)，它通過逐層擠出熔融的熱塑性塑料來構(gòu)建三維物體。首先，計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）模型被切片成薄層。打印過程中，打印頭加熱并擠出熱塑性材料，如PEEK，使其熔化。隨后，這些熔融的材料被精確地沉積在打印平臺上，逐層構(gòu)建最終的三維物體。

△PEEK FDM 3D打印過程

打印參數(shù)和其對材料性能的影響：
打印速度：30-100 mm/s。
打印溫度：360℃-400℃。
打印床溫度：120℃-160℃。
層高：0.1mm-0.3mm。
填充密度：10%-100%。

4.面臨的挑戰(zhàn)及解決方案

5.未來前景
PEEK在高端應(yīng)用中的潛力：PEEK在航空、汽車和醫(yī)療領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用前景。特別是在醫(yī)療領(lǐng)域，PEEK的應(yīng)用正在迅速增長，預(yù)計到2028年，PEEK基于醫(yī)療器械的市場將達(dá)到10億美元，年復(fù)合增長率將超過7%。

△3D 打印 PEEK磁場傳感器支架

△3D 打印PEEK汽車零部件

△3D 打印PEEK骨置換植入物

新型PEEK復(fù)合材料的開發(fā)：隨著技術(shù)的進(jìn)步，新型PEEK復(fù)合材料的市場也在擴(kuò)大。預(yù)計到2028年，全球PEEK復(fù)合材料市場將達(dá)到15億美元。

FDM技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新和改進(jìn)：隨著3D打印技術(shù)的普及，F(xiàn)DM市場預(yù)計在未來五年內(nèi)將以10%的復(fù)合年增長率增長，預(yù)計到2028年市場規(guī)模將達(dá)到30億美元。PEEK作為FDM的高端材料，將在這一增長中占有重要地位。

可持續(xù)性和環(huán)境影響：隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的關(guān)注增加，對可持續(xù)性材料的需求也在增加。預(yù)計到2028年，可持續(xù)性和環(huán)保型PEEK材料的市場將達(dá)到5億美元。研究人員正在尋找更環(huán)保的生產(chǎn)方法和回收策略，這將為PEEK的生產(chǎn)和應(yīng)用帶來新的機(jī)會。

6.結(jié)論
PEEK在FDM 3D打印中展現(xiàn)出了巨大的潛力和應(yīng)用前景。盡管在打印過程中存在一些挑戰(zhàn)，但通過技術(shù)創(chuàng)新和材料改性，這些挑戰(zhàn)都可以得到有效解決。為了充分發(fā)揮PEEK的優(yōu)勢，建議制造商和研究人員進(jìn)一步研究其在FDM 3D打印中的應(yīng)用，開發(fā)新的打印技術(shù)和材料復(fù)合策略，并考慮其對環(huán)境的影響。只有這樣，PEEK才能在3D打印領(lǐng)域發(fā)揮其真正的潛力，為各種高端應(yīng)用提供更好的解決方案。