CN110576602A - 一种聚醚醚酮的3d打印方法及其打印样件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚醚醚酮的3D打印方法及其打印样件，方法包括：设置用于形成具有预设形状记忆性能的聚醚醚酮样件的3D打印参数，包括：填充密度，打印速度，喷头温度，热床温度，喷头直径，挤出倍率，层厚，以及打印角度；采用聚醚醚酮线材，通过熔融沉积，打印底座；按照上述打印参数，在底座上打印具有预设形状记忆性能的聚醚醚酮样件。本发明对聚醚醚酮进行具有可控形状记忆性能的3D打印，根据实际所需的形状，而特别地对填充密度、打印速度、喷头温度、热床温度、喷头直径、挤出倍率、层厚和打印角度进行设置，并结合熔融沉积打印法进行3D打印，可得到具有较高可控形状记忆性能的聚醚醚酮样件，同时提高了聚醚醚酮的应用范围，实用性较强。

Description

一种聚醚醚酮的3D打印方法及其打印样件
技术领域
本发明属于3D打印领域，更具体地，涉及一种聚醚醚酮的3D打印方法及其打印样件。
背景技术
3D打印技术(又称增材制造或增量制造技术)，它是以计算机三维设计模型为基础，通过逐层堆积黏结叠加成型，制造出实体的制造方法。其主要特点是依托计算机三维设计数据驱动，不需要传统制造工艺必须的机床、模具制造等生产准备，直接由数字化设计生产任何形状的产品，无需组装，极大的缩短了产品的研制周期，制造工艺简单、省时省力。
聚醚醚酮是耐高温、机械性能强的一种特种工程塑料，但由于其通过3D打印得到的样件力学性能待提高，大部分学者对其主要集中在提高聚醚醚酮3D打印样件的力学性能方面，且3D打印机打印出来的聚醚醚酮形状记忆性能不高，变形回复不可调，使得具有特殊性能的聚醚醚酮的应用受限，其优点得不到的有效的发挥。
发明内容
本发明提供一种聚醚醚酮的3D打印方法及其打印样件，用以解决现有聚醚醚酮的3D打印方法得到的聚醚醚酮样件形状记忆性能差而存在其应用受限的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种聚醚醚酮的3D打印方法，包括：
S1、设置用于形成具有预设形状记忆性能的聚醚醚酮样件的3D打印参数，所述3D打印参数包括：填充密度，打印速度，喷头温度，热床温度，喷头直径，挤出倍率，层厚，以及打印角度；
S2、采用聚醚醚酮线材，通过熔融沉积，打印底座；
S3、按照所述打印参数，在所述底座上打印具有预设形状记忆性能的聚醚醚酮样件。
本发明的有益效果是：本发明创造性地对聚醚醚酮进行具有可控形状记忆性能的3D打印，根据实际所需的形状，而特别地对填充密度、打印速度、喷头温度、热床温度、喷头直径、挤出倍率、层厚和打印角度进行设置，并结合熔融沉积打印法(FDM)，进行3D打印，其中，为了避免在打印中样件边缘翘起，在打印之前，先打印根据常规参数设置打印一个底座，再在底座上打印所需的聚醚醚酮样件，打印完后，将底座从样件上剥离即可，以得到比较完整、规则的高质量聚醚醚酮样件。通过上述方法，可以得到具有较高可控形状记忆性能的聚醚醚酮样件，而由于聚醚醚酮是一种特种工程塑料，具有机械强度大，因此，可用于执行复杂、苛刻条件的任务，应用范围广，实用性较强。
上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述S1之前，所述方法还包括：
S0、对所述聚醚醚酮线材进行热预处理，除掉水分。
本发明的进一步有益效果是：除掉水分以保障打印过程喷嘴出丝的稳定性，并保障打印出的聚醚醚酮样件具有较高的成型度，确保打印样件的质量。
进一步，所述S1包括：
将所述聚醚醚酮线材放置在真空烘箱中加热2h，所述真空烘箱的温度为160℃、真空度为-7PSI。
本发明的进一步有益效果是：该方法能够充分去除聚醚醚酮中的水分，提高3D打印样件的机械性能和形状回复性能。
进一步，所述S2中，在所述打印底座之前，先对喷头和热床进行预加热处理。
本发明的进一步有益效果是：防止初始打印阶段喷头走空，提高打印效率，且能够根据设置好的参数，精确打印。
进一步，所述底座的外扩距离为10-20mm、与样件底面间距为0.05-015mm、底座填充率为50％。
进一步，所述底座的外扩距离为13mm、与模型底面间距为0.1mm。
本发明的进一步有益效果是：较大的外扩距离能够有效地防止样件边缘翘起，提高打印质量的可靠性。其次，设置合适的底座与样件地面间距，保证底座易于剥离。另外，底座填充率设为50％以节省材料。
进一步，所述填充密度为100％，所述热床温度为90-130℃，所述喷头直径为0.4mm，所述挤出倍率为1倍，所述层厚为0.05mm-0.25mm，所述打印角度为45°。
本发明的进一步有益效果是：3D打印机打印参数的确定是影响可控形状记忆3D打印的一个关键因素，其中，100％填充密度能够保障打印样本实体的机械性能；热床温度对记忆性能影响较大，若热床温度低于90℃，打印材料翘曲比较严重，若热床温度高于130℃，打印机电气线路容易老化；打印角度45°确保打印实体的机械强度。
进一步，所述打印速度为20-40mm/s，所述喷头温度为400-410℃。
本发明的进一步有益效果是：打印速度会直接影响打印实体的时间和质量；喷头温度保障其稳定出丝。
进一步，所述打印速度为30mm/s，所述喷头温度为410℃。
本发明的进一步有益效果是：30mm/s既能缩短打印时间，又能保障打印实体的质量。喷头温度极大影响后续聚醚醚酮的粘结，喷头温度设置为410℃，使得聚醚醚酮在喷头处的熔融状态能够在后续打印成形实体的质量(包括机械性能和形状记忆性能)较高。
本发明还提供一种具有预设形状记忆性能的聚醚醚酮3D打印样件，采用如上所述的任一种聚醚醚酮的3D打印方法打印得到。
本发明的有益效果是：基于上述方法得到的具有可控形状记忆性能的聚醚醚酮样件，形状记忆性能较好，另外，由于聚醚醚酮是一种特种工程塑料，具有机械强度大。因此，本发明聚醚醚酮3D打印样件可用于执行复杂、苛刻条件的任务，应用范围广，实用性较强。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种聚醚醚酮的3D打印方法的流程框图；
图2是本发明实施例提供的的热床温度110℃样件形变后的回复过程；
图3是本发明实施例提供的不同热床温度对形状记忆性能的影响；
图4是本发明实施例提供的不同打印层厚对形状记忆性能的影响。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
一种聚醚醚酮的3D打印方法100，如图1所示，包括：
步骤110、设置用于形成具有预设形状记忆性能的聚醚醚酮样件的3D打印参数，所述3D打印参数包括：填充密度，打印速度，喷头温度，热床温度，喷头直径，挤出倍率，层厚，以及打印角度；
步骤120、采用聚醚醚酮线材，通过熔融沉积，打印底座；
步骤130、按照上述打印参数，在底座上打印具有预设形状记忆性能的聚醚醚酮样件。
该种聚醚醚酮的3D打印方法得到的聚醚醚酮样件具有预设形状记忆性能的验证方法可为：
将聚醚醚酮样件自然冷却，此时样件的形状为初始形状；对样件加热，使其变软；对其施加外力，使得样件产生所需形状，并在外力不变下，将样件冷却至形状固定，该形状为临时形状；再次将样件加热至变软，样件恢复至上述初始形状。由此可验证该实施例的预设形状记忆性能。其中，上述对样件进行加热可通过将样件设置在恒温油浴中加热，温度大于玻璃化温度(143摄氏度)，优选的，设置在恒温油浴中加热至170℃。
根据实际需要，调整填充密度、打印速度、喷头温度、热床温度、喷头直径、挤出倍率、层厚和打印角度的具体数值，得到不同形状记忆的聚醚醚酮样件，因此，是一种具有可控形状记忆性能的聚醚醚酮的3D打印方法。
因此，本实施例创造性地对聚醚醚酮进行具有可控形状记忆性能的3D打印，根据实际所需的形状，而特别地对填充密度、打印速度、喷头温度、热床温度、喷头直径、挤出倍率、层厚和打印角度进行设置，并结合熔融沉积打印法(FDM)，进行3D打印，其中，为了避免在打印中样件边缘翘起，在打印之前，先打印根据常规参数设置打印一个底座，再在底座上打印所需的聚醚醚酮样件，打印完后，将底座从样件上剥离即可，以得到比较完整、规则的高质量聚醚醚酮样件。通过上述方法，可以得到具有较高可控形状记忆性能的聚醚醚酮样件，而由于聚醚醚酮是一种特种工程塑料，具有机械强度大，因此，可用于执行复杂、苛刻条件的任务，应用范围广，实用性较强。
优选的，步骤110之前，方法100还包括：对聚醚醚酮线材进行热预处理，除掉水分。
优选的，步骤110包括：
将聚醚醚酮线材放置在真空烘箱中加热2h，真空烘箱的温度为160℃、真空度为-7PSI。
该方法能够充分去除聚醚醚酮中的水分，提高3D打印样件的机械性能和形状回复性能。
优选的，步骤120中，在打印底座之前，先对喷头和热床进行预加热处理。当打印机喷头和热床温度达到预设的温度后，再根据3D打印参数进行打印，防止初始打印阶段喷头走空，提高打印效率，且能够根据设置好的参数，精确打印。
优选的，底座的外扩距离为10-20mm、与样件底面间距为0.05-015mm、底座填充率为50％。
优选的，底座的外扩距离为13mm、与模型底面间距为0.1mm。
较大的外扩距离能够有效地防止样件边缘翘起，提高打印质量的可靠性。其次，设置合适的底座与样件地面间距，保证底座易于剥离。另外，底座填充率设为50％以节省材料。
进一步，填充密度为100％，热床温度为90-130℃，喷头直径为0.4mm，挤出倍率为1倍，层厚为0.05mm-0.25mm，打印角度为45°。
3D打印机打印参数的确定是影响可控形状记忆3D打印的一个关键因素，其中，100％填充密度能够保障打印样本实体的机械性能；热床温度对记忆性能影响较大，若热床温度低于90℃，打印材料翘曲比较严重，若热床温度高于130℃，打印机电气线路容易老化；打印角度45°确保打印实体的机械强度。
特别的，基于FDM工艺的3D打印，以聚醚醚酮线材为主体材料，通过控制设计3D打印参数中的热床温度，可以使打印后的聚醚醚酮样件具有可控形状记忆性能。这种方法可以得到想要的回复形状，简化了加工流程，节约人力物力，提高了加工效率。
优选的，打印速度为20-40mm/s，喷头温度为400-410℃。打印速度会直接影响打印实体的时间和质量；喷头温度保障其稳定出丝。
优选的，打印速度为30mm/s，喷头温度为410℃。30mm/s既能缩短打印时间，又能保障打印实体的质量。喷头温度极大影响后续聚醚醚酮的粘结，喷头温度设置为410℃，使得聚醚醚酮在喷头处的熔融状态能够在后续打印成形实体的质量(包括机械性能和形状记忆性能)较高。
为了更好的说明本发明，先举示例如下，其中，需要说明的是，由于打印速度和喷头温度主要是影响聚醚醚酮样体的机械性能，对记忆性能的影响相对热床温度和层厚的影响小，因此以下示例仅针对热床温度和层厚进行分析。
示例1
(1)对具有可控形状记忆性能的聚醚醚酮线材进行热预处理，通过将使用的聚醚醚酮线材放入真空烘箱中，温度为160℃真空条件下加热2小时除去线材内部的水分；设置3D打印参数的填充密度为100％，打印速度30mm/s，喷头温度410℃，热床温度110℃，喷头直径0.4mm，挤出倍率1倍，打印层厚0.1mm，打印角度45°；然后在打印之前对喷头和热床进行归零操纵以及预加热处理。
(2)打印：当打印机喷头和热床温度达到预设的温度后，由三维建模样件的切片处理，需要预先打印一层大底座，再根据所述的3D打印参数进行打印。
具有可控形状记忆性能的聚醚醚酮样件打印完毕之后，如图2所示，将样件放在空气中自然冷却至室温，定义此时样件形状为初始形状，将样件在恒温油浴中加热到170℃使其变软，通过施加一定的外力，使样件产生一定的变形，随后在保持外力不变的情况下，使样件冷却到室温固定形状，定义此时形状为临时形状，再次对样件加热至170℃后，样件可以回复到预设的形状，实现回复形状可控。
需要说明的是，在底座上的形状与冷却至室温的形状相同，均为初始形状。
示例2
(1)对具有可控形状记忆性能的聚醚醚酮线材进行热预处理,通过将使用的聚醚醚酮线材放入真空烘箱中，温度为160℃真空条件下加热2小时除去线材内部的水分；设置3D打印参数的填充密度为100％，打印速度30mm/s，喷头温度410℃，热床温度为90℃、100℃、110℃、120℃、130℃，喷头直径0.4mm，挤出倍率1倍，打印层厚0.1mm，打印角度45°；然后在打印之前对喷头和热床进行归零操作以及预加热处理。
(2)打印：当打印机喷头和热床温度达到预设的温度后，由三维建模样件的切片处理，需要预先打印一层大底座，再根据所述的3D打印参数进行打印。
具有可控形状记忆性能的聚醚醚酮样件打印完毕之后，将样件放在空气中自然冷却至室温，定义此时样件形状为初始形状，分别将将不同基板(也即热床)温度(90℃、100℃、110℃、120℃、130℃)样件在恒温油浴中加热到170℃使其变软，通过施加一定的外力，使样件产生一定的变形，随后在保持外力不变的情况下，使样件冷却到室温固定形状，定义此时形状为临时形状，再次对样件加热至170℃后，样件可以回复到预设的形状，实现回复形状可控。如图3所示，展示了不同热床温度对应的聚醚醚酮样件的回复率和固定率，由图可知，在热床温度为90-130℃的范围内，随着热床温度的提高，聚醚醚酮样件的形状记忆性能(包括固定率和回复率)提高。
示例3
(1)对具有可控形状记忆性能的聚醚醚酮线材进行热预处理，通过将使用的聚醚醚酮线材放入真空烘箱中，温度为160℃真空条件下加热2小时除去线材内部的水分；设置3D打印参数的填充密度为100％，打印速度30mm/s，喷头温度410℃，热床温度为110℃，喷头直径0.4mm，挤出倍率1倍，打印层厚(0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm)，打印角度45°；然后在打印之前对喷头和热床进行归零操作以及预加热处理。
(2)打印：当打印机喷头和热床温度达到预设的温度后，由三维建模样件的切片处理，需要预先打印一层大底座，再根据所述的3D打印参数进行打印。
具有可控形状记忆性能的聚醚醚酮样件打印完毕之后，将样件放在空气中自然冷却至室温，定义此时样件形状为初始形状，分别将将不同打印层厚(0.05mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm)样件在恒温油浴中加热到170℃使其变软，通过施加一定的外力，使样件产生一定的变形，随后在保持外力不变的情况下，使样件冷却到室温固定形状，定义此时形状为临时形状，再次对样件加热至170℃后，样件可以回复到预设的形状，实现回复形状可控。如图4所示，展示了不同层厚对应的聚醚醚酮样件的回复率和固定率，由图可知，在层厚为0.05mm-0.25mm的范围内，随着层厚的提高，聚醚醚酮样件的形状记忆的回复率提高，但是固定率在0.1和0.25处最高，不过总体，层厚的增加，形状记忆性能会有小幅度增加。
实施例二
一种具有预设形状记忆性能的聚醚醚酮3D打印样件，采用如上实施例一所述的任一种聚醚醚酮的3D打印方法打印得到。
基于上述方法得到的具有可控形状记忆性能的聚醚醚酮样件，形状记忆性能较好，另外，由于聚醚醚酮是一种特种工程塑料，具有机械强度大。因此，本发明聚醚醚酮3D打印样件可用于执行复杂、苛刻条件的任务，应用范围广，实用性较强。
相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚醚醚酮的3D打印方法，其特征在于，包括：
S1、设置用于形成具有预设形状记忆性能的聚醚醚酮样件的3D打印参数，所述3D打印参数包括：填充密度，打印速度，喷头温度，热床温度，喷头直径，挤出倍率，层厚，以及打印角度；
S2、采用聚醚醚酮线材，通过熔融沉积，打印底座；
S3、按照所述打印参数，在所述底座上打印具有预设形状记忆性能的聚醚醚酮样件。
2.根据权利要求1所述的一种聚醚醚酮的3D打印方法，其特征在于，所述S1之前，所述方法还包括：
S0、对所述聚醚醚酮线材进行热预处理，除掉水分。
3.根据权利要求2所述的一种聚醚醚酮的3D打印方法，其特征在于，所述S0包括：
将所述聚醚醚酮线材放置在真空烘箱中加热2h，所述真空烘箱的温度为160℃、真空度为-7PSI。
4.根据权利要求1所述的一种聚醚醚酮的3D打印方法，其特征在于，所述S2中，在所述打印底座之前，先对喷头和热床进行预加热处理。
5.根据权利要求1所述的一种聚醚醚酮的3D打印方法，其特征在于，所述底座的外扩距离为10-20mm、与样件底面间距为0.05-015mm、底座填充率为50％。
6.根据权利要求5所述的一种聚醚醚酮的3D打印方法，其特征在于，所述底座的外扩距离为13mm、与模型底面间距为0.1mm。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种聚醚醚酮的3D打印方法，其特征在于，所述填充密度为100％，所述热床温度为90-130℃，所述喷头直径为0.4mm，所述挤出倍率为1倍，所述层厚为0.05mm-0.25mm，所述打印角度为45°。
8.根据权利要求7所述的一种聚醚醚酮的3D打印方法，其特征在于，所述打印速度为20-40mm/s，所述喷头温度为400-410℃。
9.根据权利要求8所述的一种聚醚醚酮的3D打印方法，其特征在于，所述打印速度为30mm/s，所述喷头温度为410℃。
10.一种具有预设形状记忆性能的聚醚醚酮3D打印样件，其特征在于，采用如权利要求1至9任一项所述的一种聚醚醚酮的3D打印方法打印得到。
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