3D打印PEEK樣品的層間結合強度

魔猴君  知識堂   1101天前

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（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，并根據結果開發了一種實驗設計方法研究了打印參數與最終使用特性（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弱。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現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）。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計學關系，根據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.