PEEK特种塑料应用实例及当前打印工艺

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PEEK作为特种塑料的代表，可谓是当前3D打印届的高逼格产品，其独特的性能让应用届人士欢欣鼓舞，然而其难以打印的特点也激励科学界人士试图攻克难关。本期笔者以具体实例解说PEEK的应用以及当前的3D打印工艺。

一．PEEK主要应用实例

1. 进入太空的PEEK

欧洲航天局（ESA）2017年采用PEEK打印了微型卫星的主要结构，而且PEEK材质的卫星能够在太空中飞行。欧航局主要是看中了其强度高、稳定性好、耐高温的特点。

ESA制作的这枚卫星无须通过导线实现导电，这是因为通过PEEK打印的结构带有导电功能，无须通过导线与子系统联通。这是因为ESA采用的PEEK掺入了导电材料，使其具备了导电性能。如今塑料已经可以与不同的材料混合，以根据需要量身定制其性能。在这种情况下，“掺杂”的PEEK丝材便可以作为特殊应用领域的标准材料。

此外，基于PEEK良好的机械性能、阻燃性等特点，还用来制作了空客A350-900的舱门支架、发动机整流罩、飞机内装件等部件，综合成本和重量都低于铝合金方案。

2. 植入人体的PEEK

在医疗器械领域，越来越多的脊柱手术、外伤和骨科类医疗产品制造商开始转向使用PEEK。如今已经有超过200万件产品被植入人体。PEEK能在众多医用原材料中脱颖而出，与其自身的特性密不可分，其优异的生物相容性、弹性模量、机械性能与钛、钴铬合金等典型的医用植入材料相比更具优势。通过3D打印，依据应用需求进行力学性能（如韧性、模量）的调控，可实现高性能PEEK零件的低成本、高精度、控形控性快速制造。

2017年4月，一名胸壁肿瘤患者成功完成了3D打印PEEK肋骨的植入手术，属国际首例。在这之前，胸骨置换多是采用钛合金，其弹性模量和屈曲强度与真实的胸肋骨的差距很大，难以形成合理的梯度强度，由此产生的应力传导容易在特殊外力作用下损伤周围的正常器官。PEEK材料较低的弹性模量，可防止应力遮蔽效应，使周边骨头保持强度，同时，其良好的生物相容性和耐腐蚀性是其作为医用材料的基础。

此外，PEEK还用来制作了椎间融合器、股骨柄假体、颅颌面、牙科等医疗产品。

3. 跑在路上的PEEK

汽车实现轻量化，无非是从结构、工艺、材料三大方面入手。在材料应用方面，工程塑料领域诸如碳纤维、PEEK等一系列新材料的运用开始成为汽车轻量化的发展趋势之一。目前，诸如宝马、奥迪等一些高档汽车制造商已开始颠覆传统思维观念，采用性能优异的复合型新材料和精湛的技术工艺用于新车型的研发设计。

PEEK耐磨齿轮

PEEK作为一种先进的工程塑料，已经被应用在轴承、活塞、阀门等重要部件的制作中。比起金属，PEEK 3D打印的汽车部件可减少70%的重量，节省1-2%的燃料，同时磨损率降低25-75%，这种零件不依赖润滑油且噪音小。除此之外，PEEK的熔点为343°C，使用温度达260°C，使其适用于汽车、其它车辆的动力系统以及电动机的运转环境。

PEEK垫片

PEEK除了在航空航天、汽车制造、医疗方面的应用外，在电子电气、机械零部件甚至食品加工等领域也有广泛应用。然而由于其熔点高的原因，PEEK尚无法通过常规打印机进行打印，虽如此，至今也有克服。当前对PEEK的打印工艺包括FDM与SLS两种，SLA以及3DP能不能做笔者目前尚不清楚。

二．PEEK主流打印工艺

1. PEEK FDM工艺

PEEK打印过程中对环境温度与喷头温度要求非常高，所以必须要求机器具备一个恒温的环境，需要对腔体温度精细的控制。PEEK的材料热熔点在343℃左右，所以要求喷头温度必须达到350℃以上，并且在打印过程中保持这个温度。

常规FDM与PEEK FDM的主要区别

目前国内外能够实现PEEK打印的FDM打印机品牌尚很有限，但已经实现了3D打印的PEEK医疗应用。

2. PEEK SLS工艺

商业化的大部分SLS粉末床激光烧结设备预热温度都在200℃左右，以烧结尼龙材料为主流，材料的加工范围受到很大限制，只能加工预热温度在所允许预热温度范围内的材料。对于高分子材料的预热要遵循一个原则：预热温度要达到其软化温度，PEEK作为一种高熔点的半结晶态材料预热温度需要达到300多度，故而现有的大多数SLS打印机无法对其进行打印。

预热和扫描过程

据笔者了解当前能够加工PEEK材料的烧结设备有EOS P800以及比利时Aerosint。EOS P800预热温度号称可达380℃，而且该设备可以实现激光功率在线控制，即通过温度的检测即时调整激光功率，保障所烧结的部件性能。这个功能确实很厉害。

EOS P800打印的小提琴

Aerosint的这款打印机似乎更神奇一些。常规的SLS设备使用同一种材料，打印过程中非实体部分作为支撑在高温烘烤下材料性能会发生变化，重复利用次数很有限。

传统与新型SLS粉末状态

Aerosint实现了多材料的SLS工艺，在打印过程中使用惰性粉末材料作为支撑和填充材料，这些材料在长时间暴露于高温的环境中，并不会发生化学变化或者降解，因此在下一次打印的过程中仍然可以重复使用，所以几乎可以达到零浪费。此举对于PEEK这样昂贵的高温聚合物极为有效。有机会笔者对该打印机单独出一期内容。（笔者很奇怪外网去年10月份就已经发了相关内容，国内3D打印媒体现在才纷纷发新闻）

三．总结

基于塑料的3D打印由于耐温性和强度而无法与金属竞争，而PEEK的出现使特种塑料以及复合材料在很多领域开始与金属材料展开竞争，而且高分子材料比某些金属具有更好的强度重量比。3D打印功能件的制造应该向着更高容量、轻量化以及高性能的方向发展。

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原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：PEEK特种塑料应用实例及当前打印工艺