3D打印PEEK材料應(yīng)用指南

魔猴君  知識(shí)堂   1997天前

PEEK是一種有機(jī)熱塑性聚合物，具有耐人尋味的力學(xué)性能，包括高溫性能、機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的耐化學(xué)性。這使其成為適用于各種增材制造（AM）技術(shù)的可行材料。在傳統(tǒng)制造業(yè)中，基于PEEK的組件已經(jīng)被許多行業(yè)所采用，得到了廣泛的認(rèn)可。

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今天，我們就來聊聊這種機(jī)械敏感的聚合物的性能、功能、限制、常見應(yīng)用。

什么是PEEK？

總部位于英國(guó)的帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司（ICI）在20世紀(jì)80年代推出了聚醚醚酮（PEEK）。該材料的基本形態(tài)為半結(jié)晶、高純度聚合物，其包含兩個(gè)醚基團(tuán)和一個(gè)酮基的重復(fù)單體。

PEEK屬于聚酮聚合物（PAEK）家族，其家族成員還有PEK、PEEKK、PEKK或PEKEKK等。然而，由于其優(yōu)異的性能和廣泛的可用性，它的光芒比其"親屬"更勝一籌，使其成為該特定聚合物群中應(yīng)用最廣泛的一種。

PEEK的性質(zhì)：

PEEK具有一些引人注目的特性，特別是在生產(chǎn)功能原型和零件時(shí)。它最重要的屬性包括：

1、高度耐受高達(dá)260°C（480°F）的極端溫度，以及耐受腐蝕性液體、氣體和高壓；

2、不溶于普通溶劑，防止水解，使其不會(huì)因高壓水或蒸汽而降解；

3、輕量化：PEEK具有1.3g/cm?的固有低比重，不到鋁的一半，是鋼的六分之一；

4、高自潤(rùn)滑能力和低摩擦力；

5、出色的抗蠕變性；

6、很少消耗；

7、良好的尺寸穩(wěn)定性；

8、燃燒時(shí)易燃性低，煙霧排放少；

9、卓越的絕緣阻熱性能；

10、高溫下具有優(yōu)異的耐消毒性；

11、完全生物兼容。

通過將PEEK與復(fù)合材料如玻璃纖維、石墨、二硫化鉬或碳增強(qiáng)劑等復(fù)合材料結(jié)合，可以進(jìn)一步提高這些材料的電阻率。

PEEK的局限性：

不幸的是，與增材制造領(lǐng)域中所有材料一樣，PEEK也有一些局限性。

首先，它必須在非常高的溫度下進(jìn)行處理。PEEK的熔點(diǎn)為343°C（649.4°F）。

在耐化學(xué)性方面，PEEK難以抵抗氯/溴、濃硫和硝酸以及酮類和硝基苯。PEEK也會(huì)受到鹵素和鈉的侵蝕，限制了它在某些工業(yè)領(lǐng)域的使用。

此外，PEEK對(duì)紫外線的抵抗力低。這可以通過添加一層由特殊煤煙顆粒組成的顏料層來解決。碳填充等級(jí)提供更好的紫外線穩(wěn)定性，可用于需要更高抗紫外線性質(zhì)的某些應(yīng)用。

總體而言，使用基于PEEK的物體和零件，技術(shù)優(yōu)勢(shì)和可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料的局限性，開辟了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，甚至可以替代金屬或鋁材等常用材料。

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PEEK的常見應(yīng)用：

由于其極具吸引力的特性，PEEK已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、醫(yī)療和電氣工程等行業(yè)。讓我們仔細(xì)看看一些應(yīng)用程序：

1、航空航天

航空航天業(yè)需要安全可靠的材料。PEEK即使暴露在高溫和腐蝕性燃料中，也保持其出色的材料性能。此外，PEEK的氟塑料摩擦系數(shù)低，適合在狹小空間內(nèi)加工。

在航空航天領(lǐng)域中使用PEEK零件的范圍很廣，用于外部零件是因?yàn)樗哂谐錾目褂晁治g性能，而在內(nèi)部使用，則可降低火災(zāi)的危險(xiǎn)，因?yàn)樗臒熿F和有毒氣體排放性低，且具有很好的阻燃性。

總體而言，聚醚醚酮正在替代飛機(jī)中越來越多的鋁和金屬零件。如夾子、高壓軟管或電線管等。這樣可以節(jié)省高達(dá)70％的重量并大幅降低燃料成本。例如，在500架飛機(jī)的機(jī)隊(duì)中，將飛機(jī)重量減少45公斤，每年便可節(jié)省高達(dá)500萬美元的燃油成本。

2、汽車

PEEK具有優(yōu)異的抗疲勞和耐化學(xué)性能，因此可用于汽車燃料管理系統(tǒng)。由于其輕量性，它正在取代傳動(dòng)、制動(dòng)和空調(diào)系統(tǒng)中使用的各種活性金屬或鋁組件，包括活塞單元、密封件、墊圈或軸承等，這可使汽車重量和噪音顯著降低。

此外，面向老爺車的3D打印定制零件是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域。它們的成本比原始部件低90％，即是說，即便已經(jīng)停產(chǎn)的零件，它們也仍然可以獲得"老款式"的制造部件。

3、電氣工程

PEEK優(yōu)異的電氣特性使其成為理想的絕緣體。憑借出色的熱性能，PEEK聚合物部件能夠承受傳統(tǒng)絕緣體沒有辦法承受的高溫。這些優(yōu)勢(shì)及它長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，以及溫度、壓力和頻率耐用性，使其可應(yīng)用于海底環(huán)境控制設(shè)備或高壓水泵的連接器銷上。

此外，PEEK正在移動(dòng)設(shè)備中使用。人們對(duì)更薄、更輕、更智能的移動(dòng)設(shè)備的追求，使基于PEEK材料的組件大有用武之地，例如，為手機(jī)揚(yáng)聲器或耳機(jī)創(chuàng)造了超薄膜。

4、醫(yī)療

在醫(yī)療領(lǐng)域，PEEK則提供了具有優(yōu)異耐磨性、耐熱性、耐電性和耐化學(xué)性的經(jīng)濟(jì)型創(chuàng)新部件。它在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括牙科器械、內(nèi)窺鏡、透析器等，主要用于骨科。

PEEK雖然比鋁輕，但在3D打印時(shí)，它可以為解剖正確的假肢或植入物提供一個(gè)新的精度水平，這些假肢與植入物都是針對(duì)每個(gè)使用者的需求專門設(shè)計(jì)的。雖然還在研發(fā)期，但這一部分具有驚人的增長(zhǎng)潛力。

例如，在牙科醫(yī)學(xué)中， PEEK用于替換牙科注射器上的金屬手柄或用于根管銼的無菌盒。 PEEK之所以適用于此，是因?yàn)樵摼酆衔锟沙惺芨哌_(dá)3000次高壓釜滅菌循環(huán)（通常在130°C），并在熱水、蒸汽、溶劑或化學(xué)品中保持優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和水解穩(wěn)定性。

PEI/ULTEM--PEEK的替代方案

雖然軍工、制藥、石化或食品包裝等行業(yè)對(duì)PEEK零件需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，但因其成本較高，使其距離非工業(yè)領(lǐng)域還很遙遠(yuǎn)。幸運(yùn)的是，對(duì)于所有的消費(fèi)者來說，還有另一種選擇：ULTEM--聚醚酰亞胺（PEI）的衍生物。

聚醚酰亞胺（PEI）是一種無定形、琥珀到透明的熱塑性塑料。雖然PEEK和PEI這兩種材料具有相似的耐高溫性，但它們來自不同的熱塑性家庭。PEEK有一個(gè)多樣化的塑料家族，PEIs，分子結(jié)構(gòu)中缺乏酮。

GE的塑料部門于1982年制定了PEI。2007年，SABIC購(gòu)買了它供使用。除了ULTEM和ULTEM變體之外，它沒有主要的家族成員，這些變體通常較便宜，但也有一些不同的特性，例如沖擊強(qiáng)度和可用溫度稍低。

盡管這可能使其在極端條件下顯得不那么實(shí)用，但在過去幾年中，ULTEM的制造商SABIC已獲得多項(xiàng)航空航天認(rèn)證，使其成為商用飛機(jī)3D打印性能塑料零件的首選材料。

基于PEI的材料由許多制造商以其各自的商標(biāo)名出售。如SABIC（Ultem），Ensinger（Tecapei），RTP（RTP PEI）或Quadrant（Duratron）。

PEEK的3D打印技巧：

隨著允許高噴嘴溫度和加熱床的3D打印機(jī)的興起，使用PEEK的3D打印允許構(gòu)造更復(fù)雜的設(shè)計(jì)幾何形狀，這是使用其他技術(shù)無法生產(chǎn)的。它也是熔融沉積成型（FDM）的理想選擇，因?yàn)樗哂械臀鼭裥?，特別是與其他常見材料（如ABS）相比。

以下是使用PEEK或PEI進(jìn)行3D打印時(shí)要記住的幾個(gè)基本提示和技巧：

1、一致的溫度

PEEK / PEI在波動(dòng)或不穩(wěn)定的溫度下反應(yīng)不佳。因此，如果沒有必要，強(qiáng)烈建議使用帶有密封室的打印機(jī)。為了在3D打印PEEK / PEI時(shí)獲得最佳效果，我們建議您將3D打印機(jī)保持在溫度變化最小的環(huán)境中，并遠(yuǎn)離太陽(yáng)輻射和頻繁出現(xiàn)的區(qū)域。

2、小心斑點(diǎn)

有時(shí)用戶在使用PEEK / PEI打印時(shí)會(huì)遇到黑斑。雖然這可能有許多原因，但最常見的解釋是所使用的打印材料的雜質(zhì)或3D打印機(jī)在處理所需溫度時(shí)遇到問題。

3、保持噴嘴清潔

打印過程完成后，應(yīng)經(jīng)常清潔噴嘴，從噴嘴中取出所有剩余材料，否則噴嘴可能會(huì)被堵塞并最終導(dǎo)致斑點(diǎn)。

4、注意結(jié)晶

有時(shí)，使用PEEK / PEI材料進(jìn)行打印時(shí)，可能會(huì)發(fā)生不適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶。如果打印的部分顏色不同，例如褐色變色而不是默認(rèn)的米色，則這可能表明結(jié)晶不正確。這可能是由于打印過程中溫度波動(dòng)造成的。

5、在干燥的地方存放絲材

當(dāng)您不使用PEEK / PEI進(jìn)行3D打印時(shí)，應(yīng)將材料放在袋子中并存放在陰涼、干燥和黑暗的地方。通過這樣做，您將保持材料的質(zhì)量，并確保您將獲得最佳打印結(jié)果。