CN107160676A - 一种面向peek材料的控性冷沉积3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

一种面向PEEK材料的控性冷沉积3D打印方法，先使3D打印机工作内腔形成所需稳定的全局温度场；然后在3D打印头附近形成实时、可控的局部速冷场；3)打印PEEK材料，使PEEK材料在挤出时，经历不同的冷却速度和稳态温度，从而在该处形成不同的结晶度；或者控制已经被加热至高温的3D打印头在此区域内的移动速度和打印路径，在不同打印区域形成不同结晶度的PEEK材料；最后将PEEK零件直接使用，或根据需求再进行相应的热处理；本发明采用全局控温、局部速冷以及局部打印工艺参数变化的3D打印方法打印出具有不同结晶度、不同性能的PEEK零件，从而满足不同的应用需求，工艺简单。

Description

一种面向PEEK材料的控性冷沉积3D打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种面向PEEK材料的控性冷沉积3D打印方法。
背景技术
聚醚醚酮(polyether-ether-ketone，PEEK)，是目前公认性能最顶尖的热塑性塑料之一，其具有极好的力学性能、耐热性、耐摩擦性、耐药品性、耐水分解性、耐热老化性能、耐疲劳性、耐蠕变性、耐辐照性和耐候性等，已经作为一种潜力巨大的轻质高性能材料来替代金属材料去应用到各个领域当中，尤其是其优异的生物相容性和减磨耐磨特性，成为目前生物假体植入物的理想材料之一。
熔融沉积3D打印技术是一种全数字化驱动的宏/微结构一体化集成制造工艺，具有单件小批量定制化快速制造的优势，采用熔融沉积3D打印技术来制造PEEK零件已经成为领域里的热门方向，市面上也存在少量的PEEK熔融沉积3D打印机。
然而，不同于传统如ABS、PLA材料等3D打印材料，PEEK材料是一种半结晶的热塑性材料，其固态高聚物材料中存在一定比例的晶态区以及非晶态区，晶态区的多少可以采用结晶度来表示。因此，PEEK材料熔融挤出以及凝固沉积的过程中存在晶态区晶体融化和结晶的过程，甚至是重结晶的过程，而结晶的变化既会改变材料沉积过程的收缩情况，又会影响材料之间的分子层次的联系，进而极大影响沉积效果和沉积成形后材料性能。而根据高分子物理学与高分子结晶动力学，在3D打印过程中，3D打印的全局温度环境和3D打印头附近的局部温度环境将极大地影响PEEK材料挤出沉积时的结晶速度和结晶温度，从而影响成形后PEEK材料的结晶度。但是，目前市面上针对PEEK材料的3D打印方法，都未曾考虑过成形后PEEK材料的结晶度问题，更没有提出相应的方法来控制PEEK材料的结晶度，从而得到不同性能的PEEK零件。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种面向PEEK材料的控性冷沉积3D打印方法，采用全局控温、局部速冷以及局部打印工艺参数变化的3D打印方法打印出具有不同结晶度、不同性能的PEEK零件，从而满足不同的应用需求。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种面向PEEK材料的控性冷沉积3D打印方法，包括以下步骤：
1)采用整体温控系统1对3D打印机工作内腔2进行整体加热，并采用气流循环系统3对3D打印机工作内腔2进行内部气流的循环，在保温系统4的保温作用下，使3D打印机工作内腔2形成所需稳定的全局温度场；
2)然后利用3D打印头5上的局部测温系统6和局部冷却系统7，配合局部温度分散器8，在3D打印头5附近形成实时、可控的局部速冷场，所述局部冷却系统7采用风冷、液冷或半导体冷却方法；
3)系统控制器9根据所设定的模型数据，控制运动系统10带动3D打印头5按照模型信息运动并挤出PEEK材料11；
同时系统控制器9根据设计时所设定的各处所需的结晶度信息，调整局部温度场的温度和分布，使PEEK材料11在挤出时，经历不同的冷却速度和稳态温度，从而在该处形成不同的结晶度；
或者系统控制器9根据设计时所设定的各处所需的结晶度信息，控制已经被加热至高温的3D打印头5在此区域内的移动速度和打印路径：移动速度越快，打印路径越长，已经被加热至高温的3D打印头5在此区域停留的时间越短，此处的温度积累越少，挤出的PEEK材料11降温越快，形成的结晶度越小；移动速度越慢，打印路径越短，已经被加热至高温的3D打印头5在此区域停留的时间越长，此处的温度积累越多，挤出的PEEK材料11降温越慢，形成的结晶度越大，在不同打印区域形成不同结晶度的PEEK材料；
4)最后在打印基板12上得到在不同位置具有不同结晶度的PEEK零件13，PEEK零件13直接使用，或根据需求再进行相应的热处理。
本发明的有益效果：本发明通过控制全局、局部温度场和相关的3D打印工艺(打印移动速度、打印路径)，从而在模型设计的要求下，于不同区域打印出不同结晶度的PEEK材料零件，从而具有适应不同应用需求的不同性能，工艺简单。
附图说明
图1是本发明的打印示意图。
图2是本发明利用3D打印工艺参数控制PEEK材料结晶度的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
一种面向PEEK材料的控性冷沉积3D打印方法，包括以下步骤：
1)参照图1，采用整体温控系统1对3D打印机工作内腔2进行整体加热，并采用气流循环系统3对3D打印机工作内腔2进行内部气流的循环，在保温系统4的保温作用下，使3D打印机工作内腔2形成所需稳定的全局温度场；
2)然后利用3D打印头5上的局部测温系统6和局部冷却系统7，配合局部温度分散器8，在3D打印头5附近形成实时、可控的局部速冷场，所述局部冷却系统7采用风冷、液冷或半导体冷却方法；
3)系统控制器9根据所设定的模型数据，控制运动系统10带动3D打印头5按照模型信息运动并挤出PEEK材料11；
同时系统控制器9根据设计时所设定的各处所需的结晶度信息，调整局部温度场的温度和分布，使PEEK材料11在挤出时，经历不同的冷却速度和稳态温度，从而在该处形成不同的结晶度；
或者系统控制器9根据设计时所设定的各处所需的结晶度信息，控制已经被加热至高温的3D打印头5在此区域内的移动速度和打印路径：参照图2，移动速度越快，打印路径越长，已经被加热至高温的3D打印头5在此区域停留的时间越短，此处的温度积累越少，挤出的PEEK材料11降温越快，形成的结晶度越小；移动速度越慢，打印路径越短，已经被加热至高温的3D打印头5在此区域停留的时间越长，此处的温度积累越多，挤出的PEEK材料11降温越慢，形成的结晶度越大，因此可以在不同打印区域形成不同结晶度的PEEK材料；
4)最后在打印基板12上得到在不同位置具有不同结晶度的PEEK零件13，PEEK零件13直接使用，或根据需求再进行相应的热处理。
本发明采用全局控温、局部速冷、局部打印工艺参数变化(打印移动速度、打印路径)的3D打印方法打印出具有不同结晶度、不同性能的PEEK零件，于不同区域打印出不同结晶度的PEEK材料零件，从而具有适应不同应用需求的不同性能。

Claims (1)

1.一种面向PEEK材料的控性冷沉积3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用整体温控系统(1)对3D打印机工作内腔(2)进行整体加热，并采用气流循环系统(3)对3D打印机工作内腔(2)进行内部气流的循环，在保温系统(4)的保温作用下，使3D打印机工作内腔(2)形成所需稳定的全局温度场；
2)然后利用3D打印头(5)上的局部测温系统(6)和局部冷却系统(7)，配合局部温度分散器(8)，在3D打印头(5)附近形成实时、可控的局部速冷场，所述局部冷却系统(7)采用风冷、液冷或半导体冷却方法；
3)系统控制器(9)根据所设定的模型数据，控制运动系统(10)带动3D打印头(5)按照模型信息运动并挤出PEEK材料(11)；
同时系统控制器(9)根据设计时所设定的各处所需的结晶度信息，调整局部温度场的温度和分布，使PEEK材料(11)在挤出时，经历不同的冷却速度和稳态温度，从而在该处形成不同的结晶度；
或者系统控制器(9)根据设计时所设定的各处所需的结晶度信息，控制已经被加热至高温的3D打印头(5)在此区域内的移动速度和打印路径：移动速度越快，打印路径越长，已经被加热至高温的3D打印头(5)在此区域停留的时间越短，此处的温度积累越少，挤出的PEEK材料(11)降温越快，形成的结晶度越小；移动速度越慢，打印路径越短，已经被加热至高温的3D打印头(5)在此区域停留的时间越长，此处的温度积累越多，挤出的PEEK材料(11)降温越慢，形成的结晶度越大，在不同打印区域形成不同结晶度的PEEK材料；
4)最后在打印基板(12)上得到在不同位置具有不同结晶度的PEEK零件(13)，PEEK零件(13)直接使用，或根据需求再进行相应的热处理。
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