國內(nèi)聚醚醚酮（PEEK ) FDM 3D打印技術(shù)的進展

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

PEEK是一種性能優(yōu)異的工程塑料，具有耐高溫性,、自潤滑性,、化學(xué)穩(wěn)定性、耐輻射和電氣性能,，以及具有優(yōu)異的機械性能,，可用于機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大而造成的應(yīng)力遮擋,、骨吸收,、骨發(fā)炎、二次手術(shù)等 問題,，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)方面的進展,，在國際上,，Roboze公司推出了可打印醫(yī)療級PEEK線材的FDM 3D打印機，INDMATEC也推出了桌面級的FDM 3D打印機用于PEEK的打印,。

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

解決熔點高的問題

蓄勢待發(fā)的PEEK 3D打印機
PEEK可作為3D打印材料制造機械零部件以及骨科植入物,但由于PEEK材料具有較高熔點,，多數(shù)3D打印機噴頭工作性能不足以更好的熔化PEEK材料，這個問題給PEEK的3D打印特別是FDM 3D打印帶來一定難度,。

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

圖片：陜西恒通3D打印的PEEK樣件

典型的FDM打印機主要由散熱塊,、喉管、加熱塊,、噴嘴組成,，打印頭利用摩擦力作為動力，將后方未融化的材料向前推進,，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,，前段熔化的材料不但會從噴嘴擠出，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依靠的是后方未融化材料向前的推力,，隨著打印時間的增長,，若喉管后端的溫度達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,。

對于PEEK、聚酰亞胺等高熔點,、高黏度材料,，現(xiàn)有的打印頭結(jié)構(gòu)無法滿足喉管的散熱要求，不能實現(xiàn)該類材料的長時間連續(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,，通過在打印頭中增加流體循環(huán)控溫系統(tǒng)可及時降低喉管溫度，改善高溫打印過程中的間隙倒流,，在長時間連續(xù)打印過程中保持穩(wěn)定的打印精度,。

3D打印定制化PEEK植入物
如果通過注塑或機械加工等傳統(tǒng)加工PEEK植入物，那么對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，制造的模具無法再次利用,，這是一種資源的浪費,。同時，由于開模具需要很長的時間,，對于急需植入人工骨的患者來說需要等待的時間過長,，不僅如此，對于一些形狀復(fù)雜的定制化植入物,，制造難度就更大了,。吉林大學(xué)通過3D打印機實現(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,、對人工骨三維數(shù)字模型進行格式轉(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)進行植入物的三維實體制造,，在完成制造之后進行細(xì)胞毒性試驗,、動物試驗、臨床試驗,。

在打印時,，首先將直徑為1.6mm的PEEK絲用烘干箱干燥12小時，通過自制溫控系統(tǒng)將3D打印系統(tǒng)噴頭,、鋁合金,、打印室進行預(yù)熱。接下來,，通過控制系統(tǒng)將打印噴嘴調(diào)整至打印平臺,，隨后雙齒輪送絲機構(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行PEEK植入物的打印,。為了減輕PEEK 植入物在成形過程中的因內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致的脆 斷,、分層、翹曲等問題,，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)實現(xiàn)了熔點高,、粘度大,、流動性差、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)定來隨時調(diào)整零件形狀,，可滿足患者對植入物的個性化需求,。

當(dāng)然這些通過FDM的方式打印出來的產(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FDM 3D打印機VSHAPER ONE PRO和陜西恒通智能機器有限公司當(dāng)日正式推出國內(nèi)首臺PEEK材料耐高溫3D打印機的技術(shù)參數(shù)，供大家參考,。

△VSHAPER ONE PRO

△陜西恒通智能機器

來源：3D科學(xué)谷

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