國內聚醚醚酮（PEEK ) FDM 3D打印技術的進展

南極熊之前報道，國外隸屬于Nicom集團的波蘭3D打印機制造商VSHAPER推出了一款高質量的專業(yè)級FDM 3D打印機VSHAPER ONE PRO。有一個最大的亮點，就是能打印聚醚醚銅（PEEK）這種高性能工程塑料。在11月15日也報道過陜西恒通智能機器有限公司當日正式推出國內首臺PEEK材料耐高溫3D打印機。

PEEK是一種性能優(yōu)異的工程塑料，具有耐高溫性、自潤滑性、化學穩(wěn)定性、耐輻射和電氣性能，以及具有優(yōu)異的機械性能，可用于機械制造和航空制造中。在生物醫(yī)學領域，聚醚醚酮具有優(yōu)良生物相容性，和金屬材料的植入體相比，其彈性模量和人骨彈性模量更接近，大大降低了由于金屬材料和人體骨骼彈性模量差距過大而造成的應力遮擋、骨吸收、骨發(fā)炎、二次手術等 問題，聚醚醚酮植入物的力學性能能夠滿足人體正常的生理需要，因此PEEK是一種良好的骨科植入物材料。

關于PEEK在FDM 3D打印技術方面的進展，在國際上，Roboze公司推出了可打印醫(yī)療級PEEK線材的FDM 3D打印機，INDMATEC也推出了桌面級的FDM 3D打印機用于PEEK的打印。

PEEK之前多用的打印方式是SLS和3DP技術，那么，國內企業(yè)在PEEK 通過FDM 技術的3D打印領域有哪些進展呢？

解決熔點高的問題

蓄勢待發(fā)的PEEK 3D打印機
PEEK可作為3D打印材料制造機械零部件以及骨科植入物,但由于PEEK材料具有較高熔點，多數(shù)3D打印機噴頭工作性能不足以更好的熔化PEEK材料，這個問題給PEEK的3D打印特別是FDM 3D打印帶來一定難度。

陜西恒通智能機器有限公司研發(fā)了PEEK材料3D打印機，PEEK材料具有較高熔點和玻璃化轉變溫度，連續(xù)使用溫度為260℃，針對于PEEK材料的熔點高的問題，陜西恒通研發(fā)出適用于PEEK材料耐高溫3D打印機噴頭，噴頭溫度可達400℃（誤差±2℃）。

圖片：陜西恒通3D打印的PEEK樣件

典型的FDM打印機主要由散熱塊、喉管、加熱塊、噴嘴組成，打印頭利用摩擦力作為動力，將后方未融化的材料向前推進，從而將前段融化的材料從噴嘴擠出。由于喉管內徑大于絲材直徑，在打印中如喉管散熱不及時，前段熔化的材料不但會從噴嘴擠出，還將在喉管和絲材的間隙形成倒流，從而使絲材與喉管之間的摩擦力增大，甚至導致材料從喉管后端溢出，造成不出絲。

由于絲材從噴嘴擠出時依靠的是后方未融化材料向前的推力，隨著打印時間的增長，若喉管后端的溫度達到材料玻璃化溫度以上，絲材軟化，向前的推力變小，則吐絲量減小，絲材擠出寬度變窄，使得零件精度降低。尤其對于PEEK、聚酰亞胺等高性能聚合物，一方面材料黏度大，可容忍的間隙倒流距離本身就短于ABS、PLA，又加之材料熔點高，噴嘴打印溫度一般在350℃以上，傳統(tǒng)的散熱塊散熱難以使喉管后端溫度降低至材料玻璃化溫度以下，因此常常出現(xiàn)“堵頭”現(xiàn)象。

對于PEEK、聚酰亞胺等高熔點、高黏度材料，現(xiàn)有的打印頭結構無法滿足喉管的散熱要求，不能實現(xiàn)該類材料的長時間連續(xù)精細打印。陜西恒通研發(fā)的一種流體循環(huán)控溫熔融沉積成形打印頭，通過在打印頭中增加流體循環(huán)控溫系統(tǒng)可及時降低喉管溫度，改善高溫打印過程中的間隙倒流，在長時間連續(xù)打印過程中保持穩(wěn)定的打印精度。

3D打印定制化PEEK植入物
如果通過注塑或機械加工等傳統(tǒng)加工PEEK植入物，那么對于不同的植入物需要制造不同的模具，這就增加了制造成本，特別是定制化的PEEK植入物，制造的模具無法再次利用，這是一種資源的浪費。同時，由于開模具需要很長的時間，對于急需植入人工骨的患者來說需要等待的時間過長，不僅如此，對于一些形狀復雜的定制化植入物，制造難度就更大了。吉林大學通過3D打印機實現(xiàn)了定制化PEEK 植入物的快速制造。

PEEK植入物的3D打印制造方法包括：獲取患者待植入部位的醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)、從獲取的醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)中提取出所需要的骨組織數(shù)據(jù)、建立仿生人工骨的三維數(shù)字模型、對人工骨三維數(shù)字模型進行格式轉化、將人工骨數(shù)字模型輸入吉林大學自制的聚醚醚酮3D打印系統(tǒng)進行植入物的三維實體制造，在完成制造之后進行細胞毒性試驗、動物試驗、臨床試驗。

在打印時，首先將直徑為1.6mm的PEEK絲用烘干箱干燥12小時，通過自制溫控系統(tǒng)將3D打印系統(tǒng)噴頭、鋁合金、打印室進行預熱。接下來，通過控制系統(tǒng)將打印噴嘴調整至打印平臺，隨后雙齒輪送絲機構將直徑為1.6mm的PEEK絲材以勻速送入已經預熱的噴頭，3D打印系統(tǒng)噴頭根據(jù)分層軟件生成的植入物軌跡逐層進行PEEK植入物的打印。為了減輕PEEK 植入物在成形過程中的因內應力導致的脆 斷、分層、翹曲等問題，將打印室溫度逐漸冷卻到室溫，然后取出PEEK植入物。

吉林大學實現(xiàn)了熔點高、粘度大、流動性差、結晶類聚合物生物相容性材料PEEK植入物的3D打印制造，省去了制造模具的時間和成本，大幅縮短了制造周期，可以根據(jù)造型軟件的設定來隨時調整零件形狀，可滿足患者對植入物的個性化需求。

當然這些通過FDM的方式打印出來的產品的精度如何？是否需要后處理？我們還不得而知。下面南極熊放上VSHAPER推出了一款高質量的專業(yè)級FDM 3D打印機VSHAPER ONE PRO和陜西恒通智能機器有限公司當日正式推出國內首臺PEEK材料耐高溫3D打印機的技術參數(shù)，供大家參考。

△VSHAPER ONE PRO

△陜西恒通智能機器

來源：3D科學谷

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