基于FDM的PEEK絲材擠出工藝研究

康小青 段玉崗

（1.陜西恒通智能機(jī)器有限公司，陜西西安710054；2.西安交通大學(xué)，陜西西安710049）

0 引言

熔融沉積成型（FDM）3D打印技術(shù)于1988年由Scott Crump發(fā)明，其將絲狀的熱塑性材料從加熱的噴頭處擠出，按照設(shè)定的軌跡和速率進(jìn)行熔體逐層沉積，從而實(shí)現(xiàn)立體成型[1]，它以設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)成為一項(xiàng)極具潛力的技術(shù)[2]。目前研究FDM工藝的比較多，如彭安華等對(duì)FDM工藝參數(shù)對(duì)制件精度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[3]，何新英等對(duì)FDM工藝成型過(guò)程中影響成型件精度的因素進(jìn)行了分析[4]，而對(duì)FDM所需絲材的擠出成型工藝研究很少，對(duì)性能比較優(yōu)異、加工要求比較高的PEEK絲材的擠出成型工藝研究更少，并且目前擠出成型工藝的研究大部分集中在傳統(tǒng)制造上，如靳國(guó)寶等對(duì)PP和TPU醫(yī)用介入導(dǎo)管擠出成型工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[5]，王洪梅等研究了板材級(jí)ABS的產(chǎn)品性能及擠出成型工藝[6]。

為了提高FDM成型件的尺寸精度，在絲材擠出成型過(guò)程中嚴(yán)格控制線徑至關(guān)重要。本文首先通過(guò)差示掃描量熱儀對(duì)PEEK的熔點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，得到了擠出時(shí)最低的加熱溫度；其次，通過(guò)毛細(xì)管流變儀模擬擠出條件下材料的真實(shí)加工流場(chǎng)，獲得了PEEK材料在不同剪切速率下的黏度、剪切應(yīng)力等重要參數(shù)，揭示了該材料在加工流場(chǎng)中的流動(dòng)性[7]，為后續(xù)擠出成型工藝參數(shù)的選取提供了參考；最后，在上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展了PEEK擠出成型工藝對(duì)線徑影響規(guī)律的研究，最終得到了最佳的擠出成型工藝參數(shù)，使得線徑控制在（1.75±0.05）mm范圍內(nèi)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器設(shè)備

差示掃描量熱儀，梅特勒-托利多；毛細(xì)管流變儀，德國(guó)BRABENDER；PEEK，victrex peek 450PF；擠出機(jī)，廣州市永拓?cái)D塑機(jī)有限公司產(chǎn)品。流變儀以及單螺桿擠出機(jī)如圖1所示。線徑由擠出機(jī)自帶的紅外傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。擠出機(jī)從料筒入料到出料口被分成三段加熱區(qū)域。在試驗(yàn)前，將PEEK放入120℃的烘箱內(nèi)持續(xù)加熱8 h除去顆粒料中的水分。在擠出機(jī)的模具區(qū)域，當(dāng)聚合物溫度達(dá)到熔點(diǎn)以后被擠出成型。絲材經(jīng)過(guò)牽引機(jī)牽引，經(jīng)過(guò)風(fēng)冷和冷卻水槽冷卻，通過(guò)測(cè)徑儀對(duì)線徑進(jìn)行測(cè)量，最后通過(guò)收卷機(jī)構(gòu)將絲材纏繞成卷。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)工藝下讀取5個(gè)測(cè)量尺寸，取其平均值，以此獲得擠出工藝參數(shù)對(duì)線徑尺寸的影響規(guī)律。

圖1 流變儀及單螺桿擠出機(jī)

1.2 成型工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

影響線徑的工藝參數(shù)主要包括進(jìn)料區(qū)溫度、送料區(qū)溫度、模具溫度、牽引速度、螺桿速度、收卷速度。根據(jù)擠出經(jīng)驗(yàn)，擠出工藝參數(shù)被設(shè)定為如表1所示。

表1 擠出工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 PEEK的DSC曲線

差示掃描量熱儀（DSC）是在控制溫度變化情況下，以溫度（或時(shí)間）為橫坐標(biāo)，以樣品與參比物間溫差為零所需供給的熱量為縱坐標(biāo)所得的掃描曲線。通過(guò)分析樣品在升溫和降溫過(guò)程中的熱量吸收和釋放，從而判斷材料的微觀結(jié)構(gòu)變化過(guò)程[8]。圖2是PEEK的DSC曲線，表明了其熔融和結(jié)晶過(guò)程，可以看出在180℃附近出現(xiàn)了一個(gè)基線臺(tái)階，這表明試樣加熱過(guò)程中出現(xiàn)了熱容變換，發(fā)生了玻璃化轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度為342℃時(shí)PEEK開(kāi)始融化，表明其熔融溫度為342℃，結(jié)晶溫度為299℃，因此擠出成型時(shí)溫度應(yīng)大于342℃。

圖2DSC曲線

2.2 PEEK的流動(dòng)特性

多數(shù)聚合物熔體在剪切應(yīng)力作用下，分子鏈沿剪切應(yīng)力方向取向，流動(dòng)阻力減少，隨著剪切速率增大，熔體黏度相應(yīng)地減小，呈現(xiàn)假塑性流體的流動(dòng)特征[9]。

由圖3可以看出PEEK的黏度隨著剪切速率的增大而降低，即出現(xiàn)剪切變稀，這是由于PEEK熔體在流動(dòng)過(guò)程中大分子鏈段解纏結(jié)容易，使得纏結(jié)點(diǎn)的濃度下降，并且沿著流動(dòng)方向取向。

圖3 剪切速率—黏度曲線

在一定的剪切速率、剪切應(yīng)力范圍內(nèi)，剪切速率、剪切應(yīng)力越大，解開(kāi)的纏結(jié)點(diǎn)越多，黏度下降得越快[6]。同時(shí)也表明PEEK材料熔體黏度對(duì)剪切速率比較敏感。從PEEK的流動(dòng)曲線可以看出其屬于非牛頓假塑性流體。在γ＜37.5 s-1范圍內(nèi)，黏度隨著γ的增大下降較快，當(dāng)γ＞37.5 s-1時(shí)黏度反而下降得慢，因此，可以通過(guò)提高擠出速率來(lái)實(shí)現(xiàn)增大剪切速率進(jìn)而降低其黏度，保證擠出順暢。

由圖4可以看出PEEK為非牛頓流體，流體的稠度為1289Pa·s，流動(dòng)行為指數(shù)為0.07，即τ=1 289γ0.07，流動(dòng)行為指數(shù)偏離整數(shù)1比較大，表明流體非牛頓性較強(qiáng)。

圖4 剪切速率—剪切應(yīng)力曲線

2.3 進(jìn)料溫度對(duì)線徑的影響

在進(jìn)行PEEK擠出成型時(shí)，待擠出狀態(tài)穩(wěn)定后，保持其他參數(shù)不變，只改變進(jìn)料區(qū)溫度，制得不同進(jìn)料區(qū)溫度下的絲材并測(cè)得線徑，進(jìn)料區(qū)溫度與線徑的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知，進(jìn)料區(qū)溫度對(duì)線徑的影響比較大，從350～380℃線徑隨著溫度的升高變小，然而380～390℃時(shí)隨著溫度的升高線徑反而增大，這是由于當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，PEEK發(fā)生炭化，導(dǎo)致鏈段運(yùn)動(dòng)困難，從而使得線徑變粗。

圖5 進(jìn)料區(qū)溫度與線徑的關(guān)系曲線

2.4 送料溫度對(duì)線徑的影響

由圖6可以看出，隨著溫度的上升，線徑類似于直線性地減小，這是由于當(dāng)溫度逐漸增加時(shí)材料的黏度會(huì)逐漸降低，流動(dòng)性會(huì)提高，因此，線徑也隨著溫度的升高變小。

2.5 模具溫度對(duì)線徑的影響

由圖7可以看出，當(dāng)模具溫度升高時(shí)，線徑減小，并且基本上趨于線性減小，當(dāng)溫度從350℃升高到388℃時(shí)，線徑從1.84 mm降為1.69 mm，說(shuō)明模具溫度對(duì)線徑的影響很大。

圖6 送料區(qū)溫度與線徑的關(guān)系曲線

圖7 模具溫度與線徑的關(guān)系曲線

2.6 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)線徑的影響

在進(jìn)行螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)線徑的影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)料溫度、送料溫度及模具溫度分別為370℃、372℃、368℃，收卷速度為20 mm/min，牽引速度為2.6 mm/min，螺桿轉(zhuǎn)速與線徑尺寸的關(guān)系如圖8所示。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，線徑幾乎呈線性地變大。這是因?yàn)楫?dāng)螺桿轉(zhuǎn)速提高后，擠出的絲材量會(huì)增加，當(dāng)其他因素不變時(shí)，線徑也會(huì)隨之增加。

圖8 螺桿轉(zhuǎn)速與線徑的關(guān)系曲線

2.7 收卷速度對(duì)線徑的影響

圖9表明收卷速度對(duì)線徑的基本影響規(guī)律為當(dāng)收卷速度越來(lái)越快時(shí)，線徑越來(lái)越小，并且在收卷速度調(diào)整時(shí)，線徑呈縮小的震蕩波形。這是由于收卷速度越快，對(duì)絲材的拉力越大，從而導(dǎo)致收卷時(shí)絲材的線徑越小，但是當(dāng)收卷速度突然增大時(shí)絲材還來(lái)不及纏繞到線盤(pán)上，會(huì)有暫時(shí)性的堆積，因此線徑會(huì)稍微變大，但是總的趨勢(shì)是線徑變小。

圖9 收卷速度與線徑的關(guān)系曲線

2.8 牽引速度對(duì)線徑的影響

由圖10可以看出，牽引速度對(duì)線徑的影響表現(xiàn)為：當(dāng)牽引速度提高時(shí)，線徑基本上呈線性降低。這是因?yàn)闋恳俣忍岣撸瑢?duì)絲材的張力增大，因此線徑減小。當(dāng)牽引速度從2.0 mm/min調(diào)整為3.5 mm/min時(shí)，線徑從1.94 mm變?yōu)?.5 mm，說(shuō)明牽引速度對(duì)線徑的影響很大。

圖10 牽引速度與線徑的關(guān)系曲線

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)PEEK材料的DSC曲線可以得到擠出成型時(shí)溫度應(yīng)大于342℃；通過(guò)對(duì)PEEK流變性能進(jìn)行測(cè)試，可以得到黏度隨著剪切速率增大而降低，出現(xiàn)剪切變稀；剪切速率和剪切應(yīng)力曲線的測(cè)試，為后期擠出成型工藝提供了重要的參考數(shù)據(jù)。對(duì)PEEK擠出工藝的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：進(jìn)料、送料、模具溫度對(duì)線徑的影響比較大，并且表現(xiàn)為隨著溫度的升高，基本上趨于線性減小；螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)線徑的影響呈線性變化，即隨著轉(zhuǎn)速的增加，線徑線性變大；收卷速度對(duì)線徑的影響基本規(guī)律是，當(dāng)收卷速度越來(lái)越快時(shí)，線徑越來(lái)越小；牽引速度對(duì)線徑的影響表現(xiàn)為，當(dāng)牽引速度提高時(shí)，線徑基本上呈線性降低。

對(duì)上述參數(shù)影響線徑的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，得出了將線徑控制在（1.75±0.05）mm的最佳工藝參數(shù)：進(jìn)料區(qū)溫度370℃，送料區(qū)溫度372℃，擠料區(qū)溫度368℃，螺桿速度11.3 mm/min，收卷速度20mm/min，牽引速度2.6mm/min。

[1]杜宇雷，孫菲菲，原光，等.3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，29（1）：20-24.

[2]劉洋子健，夏春蕾，張均，等.熔融沉積成型3D打印技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展及展望[J].工程塑料應(yīng)用，2017，45（3）：130-133.

[3]彭安華，張劍峰，張江林，等.FDM工藝參數(shù)對(duì)制件精度影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，17（1）：21-24.

[4]何新英，陶明元，葉春生，等.FDM工藝成形過(guò)程中影響成形件精度的因素分析[J].機(jī)械與電子，2004（9）：77-78.

[5]靳國(guó)寶，李修明，宗兆洋，等.PP和TPU醫(yī)用介入導(dǎo)管擠出成型工藝實(shí)驗(yàn)研究[J].蚌埠學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，5（4）：6-10.

[6]王洪梅，宋振彪，張海霞，等.板材級(jí)ABS的產(chǎn)品性能及擠出成型工藝研究[C]//中國(guó)化工學(xué)會(huì)2012年石油化工學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2012：551-553.

[7]MACOSKO C W.Rheology Principles,Measurements and Applications[M].New York:Wiley-VCH,1994:238-255.

[8]徐林.碳纖維/尼龍12復(fù)合粉末的制備與選擇性激光燒結(jié)成形[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[9]張曉明，劉其賢，張淑萍，等.PEEK流變特性及其流動(dòng)性能改善研究[J].纖維復(fù)合材料，1998，15（3）：1-4.