3D打印PEEK樣品的層間結合強度

供稿人：馬聚隆 李滌塵
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

熔融沉積成形（FDM）是一種將聚合物長絲材料熔融并通過逐層沉積方式進行樣件制造的3D打印工藝，該工藝具有定制設計、高復雜零件制造、按需制造和低成本等優(yōu)勢，但由于層間力學性能普遍較差，阻礙了其向更廣泛領域的應用。

美國理海大學的Chya-Yan Liaw等使用了三點彎曲試驗研究了3D打印工藝參數(shù)（包括噴嘴溫度、打印速度、層高和等待時間）對PEEK試件層間結合強度的影響，并根據(jù)結果開發(fā)了一種實驗設計方法研究了打印參數(shù)與最終使用特性（包括彎曲應力、斷裂應變、彎曲模量、結晶度）之間的相關性。

層間結合強度的測試如圖1所示，根據(jù)ISO 178確定出如圖1（a）所示的標準模型，并將樣本置于垂直方向進行打印，改變工藝參數(shù)條件制備如圖1（b）所示12組測試樣件，為驗證層間結合強度將樣品進行如圖1（c）和（d）所示的三點彎曲試驗，試驗載荷垂直于沉積方向施加，并施加到印刷層之間的界面。在下表面張力的作用下，失效主要由層間的粘結所決定。

圖1 層間粘合強度測試

根據(jù)測試結果，粘結強度與噴嘴溫度最為密切相關，且噴嘴溫度越高，粘結強度越高，主要機理在于提高了新舊材料浸潤性和分子鏈的遷移率。等待時間和層高對斷裂應力都有負面影響，較長的等待時間可能導致印刷層的溫度顯著下降，限制了分子擴散；過大的層高可能導致層間形成更大尺寸的空隙，層間鍵合和斷裂應力變?nèi)�。由于將等待時間單獨考慮，速度對層間粘結強度的影響可以忽略不計。

進一步探究了斷裂應力與斷裂應變、模量、結晶度的變化關系。如圖2（a）所示，斷裂應力/應變是層間結合強度的直接結果，并且在實驗過程中發(fā)現(xiàn)斷裂應力和斷裂應變之間呈正趨勢。如圖2（b）所示，在斷裂應力方面沒有觀察到與模量的顯著趨勢，表明模量與層間粘合強度沒有密切關系，而是取決于打印部件的層高（幾何參數(shù)）。如圖2（c）所示，結晶度和斷裂應力/應變之間存在正相關關系。圖2中的紅色回歸線顯示了斷裂應力和斷裂應變、斷裂應力和結晶度的統(tǒng)計學關系，根據(jù)推算斷裂應變和結晶度每增加一個單位，斷裂應力分別增加約14 MPa和6 MPa。

圖2 斷裂應力與（a）斷裂應變，（b）模量，（c）結晶度關系

參考文獻：
Liaw, C., J. W. Tolbert, L. W. Chow, M. Guvendiren (2021). " Interlayer bonding strength of 3D printed PEEK specimens." Soft Matter, 2021. 17(18): p. 4775-4789.