3D打印PEEK和PEI等热塑性材料介绍

  合成聚合物是由John Wesley Hyatt于1869年开发的，作为象牙的替代品。我们现在根本无法想象没有聚合物的生活。据了解，2015年，全球生产了超过3.2亿吨聚合物（不包括纤维），大量热塑性塑料进入汽车行业（减轻重量并达到更高的燃油效率标准），每年超过7000万吨热塑性塑料用于纺织品，主要是服装和地毯。但最有趣的热塑性塑料之一是高性能的热塑性塑料，专门用于非常苛刻的应用。尽管它们占所有热塑性塑料总市场份额的不到1％，但由于其在需要高耐热、化学反应性、机械强度、可回收和轻质材料的行业中的可能性，它们变得越来越重要。

热塑性材料的性能？

  今天工业3D打印已经将高强度热塑性塑料PEEK，PEKK和PEI用于困难环境中的许多工程应用。当3D打印与热塑性塑料结合使用时，可以制造出优化的、高质量的零件供实际使用。

“超高分子在高温下（超过300°C）稳定、耐化学和耐辐照，与许多增强剂兼容，比许多金属更强，并具有高机械特性，使其在各种工业的工业应用中极具吸引力，如航空航天、石油和天然气、核能、海洋、生物医学、工具和汽车行业。”AON3D的研究科学家之一Avalos说。

1985年以后，3D打印中经常使用的材料配方是聚合物，PEEK和PEKK都是半结晶的（现在已有非晶态的PEKK），而PEI是非晶态的。根据Avalos的说法，玻璃化转变温度（Tg）决定了聚合物的状态，即“聚合物从无定形状态变为更柔韧的橡胶状态的温度”。这些“半结晶聚合物同时具有结晶性（例如，PEEK与大多数其他塑料相比具有极强的耐受性，Tg为143°C，熔化温度为343°C。

“热弹性还意味着一些高性能热塑性塑料可以抵抗热降解，并且与超高真空应用兼容，这对于航空航天工业和生物医学领域的许多用例来说都是必需的——这使之成为需要在高温下灭菌的零部件的理想选择。”

此外，PEEK具有出色的机械和化学耐受性能，这是汽车行业非常感兴趣的特性，因为材料的耐热性、高强度和耐用性，可以承受引擎盖下的温度，并且能够以比以往更低的成本实现功能原型设计。

医疗级和可植入生物材料，如PEEK，也可用于神经系统应用，以帮助控制癫痫、帕金森病、脑外伤，甚至用于脊柱融合装置。PEEK在脊柱植入物设计领域具有很大的临床影响，现在已被广泛接受为脊柱共同体中金属生物材料的一种放射性替代品。在二十年前确认其生物相容性后，PAEK越来越多地被用作整形外科、创伤和脊柱植入物的生物材料。

Avalos解释说，耐热性是热塑性塑料的一个重要品质，而能够承受极端温度条件是人们将之用于制造过程时所考虑的因素之一：

“当3D打印时，结晶速率从来都不是恒定的，并且很大程度上受到挤出熔融聚合物的环境的影响。打印环境中的许多温度对打印层产生影响，例如腔室温度、腔室对流和喷嘴温度等。因此，挤出机和环境之间的温度快速变化可能会导致整体结晶率变低。”

“PEKK看起来很像PEEK，结晶行为也相似，但它的Tg略高于160°C，而PEEK为143°C，伪非晶等级熔点为305°C，半晶结级熔点为332°C。与PEEK不同，PEKK结晶速率稍慢，这使得它更容易控制，可以导致更好的层焊。”Avalos声称。

用PEKK来3D打印的零件

  然而，许多专家还认为，即使最现代版本的PEKK也仍然比PEEK更难以结晶，这可能是PEEK是打印市场上最受关注的热塑性塑料之一的原因。

  非晶态、高性能热塑性PEI也具有很强的耐受性，与大多数非晶态聚合物一样，具有热成型能力、半透明性、易与粘合剂或溶剂粘合等特点。因其对许多流体具有耐化学性，因此在航空航天和汽车工业中非常受欢迎。此外，PEI比其他高性能热塑性塑料便宜得多，并且具有很好的物理性能，例如耐高热、耐溶剂和阻燃性。

热塑性材料的3D打印面临什么挑战？

PEI的3D打印

  Avalos表示3D打印高性能材料时的一些挑战包括翘曲、收缩和变形。

“半结晶聚合物提供了一个独特的挑战，因为结晶会导致进一步的收缩，从而产生内应力，进而导致变形。下层的结晶可以改变与下一层之间焊接中的位移。热塑性塑料通常体积减小，并且从熔融状态到固态都会保持冷却，腔室和床层中包含的环境温度对沉积时收缩的程度有很大影响，下面的沉积层也将经历相同的冷却和收缩过程，产生残余应力，存在于部件内并逐层累积。”他说，“像PEEK和PEI这样的高强度材料需要一个主动加热的建造室，否则它们就会受到层合不良和零件强度极低的影响。”

Avalos声称，为了避免收缩，材料从熔融状态变为固态，并减少部件内的残余应力，挤出机、加热室和床的温度环境非常重要。聚合物目前非常流行，但在过去，温度是一个很大的障碍，所以他建议“在尽可能高的室温和床屋温度下打印非晶态聚合物，保持床温尽可能接近Tg，以保持整体环境的温度一致。”目前，已经有一些3D打印机这么设计了。

他还建议，“了解建造板的材料及其与打印材料的相互作用”是关键，因为所有粘合都会导致翘曲，而过高的床层温度会导致着床时粘附力过强，难以拆除部件，可能会损坏床和部件；但如果床太冷，则可能不会牢固地附着，该部件就可能在打印过程中发生翘曲。

“对于非晶体和半结晶材料，必须仔细控制层焊的环境，以确保良好的零件强度。”

热塑性塑料产品在重量比和刚度比方面的表现在某些情况下甚至优于金属，但热塑性塑料在批量生产时不具备成本效益，而且还不能打印体积非常大的部件。