國(guó)內(nèi)聚醚醚酮（PEEK ) FDM 3D打印技術(shù)的進(jìn)展

南極熊之前報(bào)道，國(guó)外隸屬于Nicom集團(tuán)的波蘭3D打印機(jī)制造商VSHAPER推出了一款高質(zhì)量的專業(yè)級(jí)FDM 3D打印機(jī)VSHAPER ONE PRO。有一個(gè)最大的亮點(diǎn)，就是能打印聚醚醚銅（PEEK）這種高性能工程塑料。在11月15日也報(bào)道過(guò)陜西恒通智能機(jī)器有限公司當(dāng)日正式推出國(guó)內(nèi)首臺(tái)PEEK材料耐高溫3D打印機(jī)。

PEEK是一種性能優(yōu)異的工程塑料，具有耐高溫性、自潤(rùn)滑性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐輻射和電氣性能，以及具有優(yōu)異的機(jī)械性能，可用于機(jī)械制造和航空制造中。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，聚醚醚酮具有優(yōu)良生物相容性，和金屬材料的植入體相比，其彈性模量和人骨彈性模量更接近，大大降低了由于金屬材料和人體骨骼彈性模量差距過(guò)大而造成的應(yīng)力遮擋、骨吸收、骨發(fā)炎、二次手術(shù)等 問(wèn)題，聚醚醚酮植入物的力學(xué)性能能夠滿足人體正常的生理需要，因此PEEK是一種良好的骨科植入物材料。

關(guān)于PEEK在FDM 3D打印技術(shù)方面的進(jìn)展，在國(guó)際上，Roboze公司推出了可打印醫(yī)療級(jí)PEEK線材的FDM 3D打印機(jī)，INDMATEC也推出了桌面級(jí)的FDM 3D打印機(jī)用于PEEK的打印。

PEEK之前多用的打印方式是SLS和3DP技術(shù)，那么，國(guó)內(nèi)企業(yè)在PEEK 通過(guò)FDM 技術(shù)的3D打印領(lǐng)域有哪些進(jìn)展呢？

解決熔點(diǎn)高的問(wèn)題

蓄勢(shì)待發(fā)的PEEK 3D打印機(jī)
PEEK可作為3D打印材料制造機(jī)械零部件以及骨科植入物,但由于PEEK材料具有較高熔點(diǎn)，多數(shù)3D打印機(jī)噴頭工作性能不足以更好的熔化PEEK材料，這個(gè)問(wèn)題給PEEK的3D打印特別是FDM 3D打印帶來(lái)一定難度。

陜西恒通智能機(jī)器有限公司研發(fā)了PEEK材料3D打印機(jī)，PEEK材料具有較高熔點(diǎn)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，連續(xù)使用溫度為260℃，針對(duì)于PEEK材料的熔點(diǎn)高的問(wèn)題，陜西恒通研發(fā)出適用于PEEK材料耐高溫3D打印機(jī)噴頭，噴頭溫度可達(dá)400℃（誤差±2℃）。

圖片：陜西恒通3D打印的PEEK樣件

典型的FDM打印機(jī)主要由散熱塊、喉管、加熱塊、噴嘴組成，打印頭利用摩擦力作為動(dòng)力，將后方未融化的材料向前推進(jìn)，從而將前段融化的材料從噴嘴擠出。由于喉管內(nèi)徑大于絲材直徑，在打印中如喉管散熱不及時(shí)，前段熔化的材料不但會(huì)從噴嘴擠出，還將在喉管和絲材的間隙形成倒流，從而使絲材與喉管之間的摩擦力增大，甚至導(dǎo)致材料從喉管后端溢出，造成不出絲。

由于絲材從噴嘴擠出時(shí)依靠的是后方未融化材料向前的推力，隨著打印時(shí)間的增長(zhǎng)，若喉管后端的溫度達(dá)到材料玻璃化溫度以上，絲材軟化，向前的推力變小，則吐絲量減小，絲材擠出寬度變窄，使得零件精度降低。尤其對(duì)于PEEK、聚酰亞胺等高性能聚合物，一方面材料黏度大，可容忍的間隙倒流距離本身就短于ABS、PLA，又加之材料熔點(diǎn)高，噴嘴打印溫度一般在350℃以上，傳統(tǒng)的散熱塊散熱難以使喉管后端溫度降低至材料玻璃化溫度以下，因此常常出現(xiàn)“堵頭”現(xiàn)象。

對(duì)于PEEK、聚酰亞胺等高熔點(diǎn)、高黏度材料，現(xiàn)有的打印頭結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足喉管的散熱要求，不能實(shí)現(xiàn)該類材料的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)精細(xì)打印。陜西恒通研發(fā)的一種流體循環(huán)控溫熔融沉積成形打印頭，通過(guò)在打印頭中增加流體循環(huán)控溫系統(tǒng)可及時(shí)降低喉管溫度，改善高溫打印過(guò)程中的間隙倒流，在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)打印過(guò)程中保持穩(wěn)定的打印精度。

3D打印定制化PEEK植入物
如果通過(guò)注塑或機(jī)械加工等傳統(tǒng)加工PEEK植入物，那么對(duì)于不同的植入物需要制造不同的模具，這就增加了制造成本，特別是定制化的PEEK植入物，制造的模具無(wú)法再次利用，這是一種資源的浪費(fèi)。同時(shí)，由于開(kāi)模具需要很長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)于急需植入人工骨的患者來(lái)說(shuō)需要等待的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅如此，對(duì)于一些形狀復(fù)雜的定制化植入物，制造難度就更大了。吉林大學(xué)通過(guò)3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)了定制化PEEK 植入物的快速制造。

PEEK植入物的3D打印制造方法包括：獲取患者待植入部位的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)、從獲取的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)中提取出所需要的骨組織數(shù)據(jù)、建立仿生人工骨的三維數(shù)字模型、對(duì)人工骨三維數(shù)字模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化、將人工骨數(shù)字模型輸入吉林大學(xué)自制的聚醚醚酮3D打印系統(tǒng)進(jìn)行植入物的三維實(shí)體制造，在完成制造之后進(jìn)行細(xì)胞毒性試驗(yàn)、動(dòng)物試驗(yàn)、臨床試驗(yàn)。

在打印時(shí)，首先將直徑為1.6mm的PEEK絲用烘干箱干燥12小時(shí)，通過(guò)自制溫控系統(tǒng)將3D打印系統(tǒng)噴頭、鋁合金、打印室進(jìn)行預(yù)熱。接下來(lái)，通過(guò)控制系統(tǒng)將打印噴嘴調(diào)整至打印平臺(tái)，隨后雙齒輪送絲機(jī)構(gòu)將直徑為1.6mm的PEEK絲材以勻速送入已經(jīng)預(yù)熱的噴頭，3D打印系統(tǒng)噴頭根據(jù)分層軟件生成的植入物軌跡逐層進(jìn)行PEEK植入物的打印。為了減輕PEEK 植入物在成形過(guò)程中的因內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的脆 斷、分層、翹曲等問(wèn)題，將打印室溫度逐漸冷卻到室溫，然后取出PEEK植入物。

吉林大學(xué)實(shí)現(xiàn)了熔點(diǎn)高、粘度大、流動(dòng)性差、結(jié)晶類聚合物生物相容性材料PEEK植入物的3D打印制造，省去了制造模具的時(shí)間和成本，大幅縮短了制造周期，可以根據(jù)造型軟件的設(shè)定來(lái)隨時(shí)調(diào)整零件形狀，可滿足患者對(duì)植入物的個(gè)性化需求。

當(dāng)然這些通過(guò)FDM的方式打印出來(lái)的產(chǎn)品的精度如何？是否需要后處理？我們還不得而知。下面南極熊放上VSHAPER推出了一款高質(zhì)量的專業(yè)級(jí)FDM 3D打印機(jī)VSHAPER ONE PRO和陜西恒通智能機(jī)器有限公司當(dāng)日正式推出國(guó)內(nèi)首臺(tái)PEEK材料耐高溫3D打印機(jī)的技術(shù)參數(shù)，供大家參考。

△VSHAPER ONE PRO

△陜西恒通智能機(jī)器

來(lái)源：3D科學(xué)谷

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