史長(zhǎng)春 胡 鑌 陳定方 陳 蓉 單 斌

1.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢，430074

2.武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所，武漢，430063

3.華中科技大學(xué)無(wú)錫研究院，無(wú)錫，214174

0 引言

生物制造工程是生命科學(xué)與制造科學(xué)相結(jié)合的新興學(xué)科［1］，其中骨缺損修復(fù)一直是當(dāng)今醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究與臨床治療的重點(diǎn)［2］。與金屬、陶瓷等骨修復(fù)材料相比，聚醚醚酮（polyethoretheretherketone，PEEK）因具有突出的生物兼容性、X射線可透射性、與人體骨骼相近的彈性模量等優(yōu)點(diǎn)［3］，在醫(yī)學(xué)臨床上被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的人工骨材料之一［4-5］。人工骨的傳統(tǒng)制造方法包括自然體燒結(jié)法、添加造孔劑法、氣體發(fā)泡法、熱致相分離法、溶解消鑄型法和微粒過(guò)濾法等［6］。但上述各種制造方法均存在局限性，如氣體發(fā)泡法和熱致相分離法難以制造200μm以下的均勻孔隙結(jié)構(gòu)，且制造過(guò)程需經(jīng)過(guò)高溫、高壓環(huán)境或需使用有機(jī)溶劑（會(huì)對(duì)生物體的細(xì)胞活性造成損害）。

為了克服由制造工藝引起的人工骨缺陷，提高人工骨制造工藝的可移植性和可控性，研究人員在近些年開(kāi)始嘗試采用增材制造技術(shù)加工醫(yī)用聚醚醚酮（PEEK）零件。增材制造技術(shù)（additive manufacturing，AM）又稱3D打印技術(shù)，是一種通過(guò)三維CAD建模軟件設(shè)計(jì)模型并采用材料“層層累加”的方式制造實(shí)體零件的技術(shù)［7］。相比于傳統(tǒng)加工方法，增材制造技術(shù)可以更加快速、高效地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和降低成本，因而在航空、制造業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用［8-9］。相較于增材制造技術(shù)中的光固化成形（stereo lithography apparatus，SLA）、選擇性激光燒結(jié)成形（selective laser sintering，SLS）、3D打?。?D printing，3DP）等技術(shù)，熔融擠出（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）技術(shù)因可靠性高、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)而成為目前PEEK成形新工藝的探索熱點(diǎn)［10］。WU等［11-12］和趙帝［13］對(duì)FDM 3D打印機(jī)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了PEEK材料的增材制造，并初步研究了工藝參數(shù)對(duì)PEEK試樣力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，腔體溫度與噴頭溫度的合理匹配是有效控制模型翹曲的關(guān)鍵所在。趙峰等［14］研究了PEEK材料3D打印中FDM成形溫度對(duì)零件拉伸性能的影響，通過(guò)合理控制打印機(jī)噴嘴溫度、基板溫度和成形腔體溫度，有效增大了PEEK零件的最大拉伸強(qiáng)度。VAEZI等［15］研究了PEEK 3D打印技術(shù)的基本條件和力學(xué)性能，其打印的實(shí)心試樣的壓縮強(qiáng)度高達(dá)102.38 MPa。

PEEK熔點(diǎn)高，因成形過(guò)程中溫降較大、收縮量大而導(dǎo)致制作易翹曲變形，故為減小PEEK材料在成形過(guò)程中的收縮變形，在采用FDM工藝成形PEEK零件時(shí)，需要保證高溫成形環(huán)境和溫度均勻性。本文基于熔融沉積原理的3D打印工藝平臺(tái)，利用熱仿真模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)了適用于打印PEEK材料的高溫成形腔體，利用基于輻射對(duì)流的可伸縮腔體將溫度維持在PEEK材料玻璃化溫度附近，從而顯著減小了PEEK材料成形過(guò)程中的收縮翹曲，提高了外形尺寸精度。通過(guò)系統(tǒng)研究噴嘴內(nèi)徑尺寸對(duì)流道內(nèi)的熱分布和熔融擠出穩(wěn)定性的影響，建立了PEEK打印試樣的成形質(zhì)量和力學(xué)性能與材料層間結(jié)合效果和組織致密性的關(guān)系，使得PEEK材料的拉伸強(qiáng)度可達(dá)74.74 MPa，為PEEK材料復(fù)雜構(gòu)件的加工提供了新思路。

1 實(shí)驗(yàn)與仿真方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料與方法

為開(kāi)展PEEK材料3D打印工藝的研究，我們?cè)谧灾鞔罱ǖ腇DM 3D打印平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用于PEEK材料成形的高溫成形腔體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1b高溫成形腔體結(jié)構(gòu)中包括有下側(cè)隔熱板、側(cè)邊隔熱罩、玻璃棉隔熱層、石英隔熱板和下側(cè)隔熱板等隔熱結(jié)構(gòu)，可將成形腔體與外界環(huán)境隔離，減少熱量的散失，保證腔體溫度的穩(wěn)定。打印開(kāi)始前，需首先對(duì)成形腔體進(jìn)行預(yù)熱，使腔體溫度恒定在PEEK的玻璃化溫度160℃左右。打印過(guò)程中，由于打印試樣整體處于穩(wěn)定的高溫環(huán)境中，且腔體側(cè)邊隔熱罩隨平臺(tái)下降，保證腔體一直接近于封閉環(huán)境，因此可以有效保證腔體內(nèi)溫度的均勻性。打印結(jié)束后，加熱圈停止工作，成形腔體溫度逐漸下降，試樣整體隨溫度下降而協(xié)同收縮，從而達(dá)到避免或減小模型翹曲變形的目的。

圖1 基于FDM工藝的PEEK 3D打印設(shè)備Fig.1 The PEEK 3D printing equipment based on FDM technology

在眾多的FDM 3D打印成形工藝參數(shù)中，噴頭內(nèi)徑和打印層厚對(duì)零件的力學(xué)性能起著尤為重要的影響。這是因?yàn)閲婎^內(nèi)徑影響出絲的粗細(xì)和單位時(shí)間出絲量，而打印層厚影響層間結(jié)合的致密度。為此，本研究設(shè)計(jì)了獨(dú)立因素試驗(yàn)，來(lái)考察噴頭內(nèi)徑和打印層厚對(duì)PEEK 3D打印試樣拉伸性能的影響。表1為相應(yīng)的因素水平表，單因素每個(gè)水平打印4個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試。其中，A組試驗(yàn)因素為噴嘴內(nèi)徑D1，有3個(gè)水平，分別為編號(hào)A1、A2、A 3；B組試驗(yàn)因素為打印層厚δ，有3個(gè)水平，分別為編號(hào)B4、B5、B6。本研究采用的材料為常州君華特種工程塑料制品有限公司生產(chǎn)的450G牌號(hào)PEEK絲材，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為143℃，熔點(diǎn)為334℃，拉伸強(qiáng)度為86.7 MPa。本研究采用GB/T 1040—2006拉伸標(biāo)準(zhǔn)中的1BA型拉伸試樣，設(shè)定拉伸速度為1 mm/min。試樣水平放置于成形腔體中間位置，邊緣厚度為1.2 mm，內(nèi)部填充率為100%；填充方式選擇45°斜填充，即相鄰兩層的填充方向相差90°；打印過(guò)程噴頭溫度為395℃，打印速度為15 mm/s。為減小試驗(yàn)誤差，單因素每個(gè)水平試驗(yàn)分別打印4個(gè)試樣，最后取其拉伸強(qiáng)度平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

表1 PEEK 3D打印因素水平表Tab.1 PEEK 3D printing factor levels table

1.2 仿真原理與方法

1.2.1 噴嘴流道的流場(chǎng)控制方程與仿真模型

本研究采用的PEEK絲狀材料為高熔點(diǎn)材料，絲材進(jìn)入流道以后，導(dǎo)致絲材徑向組分與熱源距離不等而產(chǎn)生徑向溫差，絲材距離流道出口距離不等而產(chǎn)生軸向溫差。流道內(nèi)不同部位的絲材溫差過(guò)大會(huì)影響PEEK絲材的熔化效果和熔融擠出的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響試樣的成形表面質(zhì)量和力學(xué)性能。

為了對(duì)比在不同噴頭內(nèi)徑下，PEEK絲材的熔化效果，本研究采用ANSYS Workbench結(jié)合FLUENT軟件對(duì)不同內(nèi)徑的噴嘴內(nèi)流道進(jìn)行熱流體仿真。首先，建立如圖2所示的噴嘴流道的三維模型和網(wǎng)格模型，其中D1為噴嘴內(nèi)徑，分別取值0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm。在FLUENT軟件中，結(jié)合流體運(yùn)動(dòng)的控制方程設(shè)置PEEK材料屬性和邊界條件，使流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程三大物理守恒方程［11］。在本研究中，筆者將熔融的PEEK近似為不可壓縮流體，其流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，并忽略慣性力和重力的影響，從而得到流道內(nèi)任意微元體的三大守恒方程如下：

結(jié)合式（1）式（3），設(shè)置PEEK熔體材料屬性具體如下：ρ為任意微元體的密度，數(shù)值為1 300 kg/m3；μ為熔體的黏度，選用Power-Lawer黏度模型［11］；h為熱導(dǎo)率，數(shù)值為0.29 W/（m·K）；cp為定壓比熱容，數(shù)值為2 200 J/（kg·K）。根據(jù)PEEK 3D打印機(jī)工作時(shí)的流道實(shí)際情況，設(shè)置邊界條件具體如下：ux、uy、uz為速度在x、y、z方向上的分量，D為變形速度張量。本研究中根據(jù)不同噴嘴內(nèi)徑尺寸設(shè)置流道入口速度（見(jiàn)圖2，C為流道入口）；p為流體微元體上的壓力，本研究設(shè)置出口壓力為1個(gè)大氣壓（見(jiàn)圖2，A為流道出口）；θ為任意微元體的溫度，流道入口溫度設(shè)置為22℃，流道出口溫度為160℃（即為腔體環(huán)境溫度），流道壁面溫度為395℃（見(jiàn)圖2，B為流道壁面）；τ為任意微元體受到的應(yīng)力，其中流道入口切向力和法向力近似為零。

圖2 噴嘴流道模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 The meshing figure of the nozzle flow channel model

1.2.2 高溫成形腔體的熱仿真模型

為提高PEEK 3D打印設(shè)備工作時(shí)腔體內(nèi)部溫度的均勻程度，設(shè)計(jì)過(guò)程中筆者采用ANSYS Workbench軟件對(duì)設(shè)計(jì)的腔體內(nèi)部進(jìn)行熱仿真模擬和評(píng)估?？紤]到噴嘴模塊與腔體模塊的相互影響，為保證仿真結(jié)果的可靠性，將噴嘴結(jié)構(gòu)和腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聯(lián)合有限元仿真。

首先根據(jù)打印機(jī)實(shí)際尺寸繪制了噴嘴結(jié)構(gòu)與腔體結(jié)構(gòu)的模型圖，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，并添加周?chē)目諝夥諊?shí)際結(jié)構(gòu)中，由于腔體中的熱量主要通過(guò)腔體上側(cè)開(kāi)口散失，設(shè)置腔體模塊上側(cè)空氣氛圍超出PEEK 3D打印機(jī)上邊緣一定尺寸，因此額外設(shè)置約100 mm的空氣層，其余部位空氣氛圍尺寸與PEEK 3D打印機(jī)整機(jī)尺寸吻合。之后，結(jié)合熱仿真平衡方程為各零件設(shè)置材質(zhì)、熱導(dǎo)率等材料屬性，并對(duì)模型和空氣氛圍整體進(jìn)行網(wǎng)格化，如圖3所示，圖中A部分為空氣氛圍模型，B部分為噴嘴模塊與腔體模塊模型（添加空氣氛圍，忽略腔體模塊和噴嘴模塊以外的結(jié)構(gòu)）。本研究中主要展開(kāi)腔體熱能流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)熱分析（遵循能量守恒定律［16］）。表示熱平衡的微分方程為

其中，θ可以作用在關(guān)鍵點(diǎn)、面或體上，本仿真中設(shè)置噴嘴加熱塊溫度為395℃、腔體內(nèi)側(cè)邊緣溫度為160℃、熱床底面溫度為100℃和空氣氛圍邊緣溫度22 ℃；kxx、kyy、kzz為各個(gè)方向的熱導(dǎo)率，本仿真中需設(shè)置各零件材料的熱導(dǎo)率；q…為微元體的熱生成率，可以作用在關(guān)鍵點(diǎn)、面或體上，本仿真中設(shè)置噴嘴加熱管功率為40 W，腔體加熱片功率為1 000 W和熱床底面功率為100 W。另外考慮到空氣對(duì)流對(duì)熱分布的影響，設(shè)置腔體模塊表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為20 W/（m2·K），噴嘴模塊的傳熱系數(shù)為25 W/（m2·K）。

圖3 腔體模塊仿真模塊示意圖Fig.3 The schematic diagram of the chamber module and nozzle module

2 仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 腔體模塊的溫度仿真

為直觀地可視化成形腔體中的溫度分布狀態(tài)，筆者從高溫成形腔體仿真結(jié)果中，提取了通過(guò)腔體中心位置的水平截面的溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)（共49個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)），并繪制腔體中間層溫度分布立體圖，見(jiàn)圖4a。由圖4a可知，腔體中心和腔體內(nèi)側(cè)邊緣為高溫區(qū)，主要原因?yàn)樵搮^(qū)域接近腔體內(nèi)側(cè)邊緣和噴頭加熱塊（位于腔體中心位置）的熱源；在腔體中間層，溫度分布較為均勻，且均可達(dá)到135℃以上，滿足PEEK成形所需的接近玻璃化溫度的高溫環(huán)境。PEEK材料熔點(diǎn)較高，室溫環(huán)境下成形時(shí)，PEEK試樣因溫度驟降收縮而翹曲變形，試樣邊緣部位易脫離成形平臺(tái)，導(dǎo)致試樣邊緣部分厚度變小。在高溫腔體環(huán)境下，PEEK材料溫降速度減緩，能夠減小PEEK試樣因收縮變形引起的邊緣厚度變化。為研究不同腔體溫度對(duì)PEEK試樣邊緣翹曲程度的影響，筆者分別在不同腔體溫度下打印長(zhǎng)寬均為20 mm、高度為3 mm的正方體試樣，然后對(duì)比了不同腔體溫度下PEEK試樣邊緣厚度ΔH與中心厚度H的相對(duì)尺寸誤差，結(jié)果如圖4b所示。從圖4b中可以看出，隨著成形腔體溫度從室溫升高到160℃的過(guò)程中，PEEK以下試樣的邊緣尺寸相對(duì)誤差從6%減小到3%以下，翹曲變形得到明顯改善，從而保證了PEEK試樣的成形精度。

圖4 腔體溫度仿真結(jié)果及不同腔體溫度下試樣翹曲測(cè)試結(jié)果Fig.4 The temperature simulation result of the chamber and the sample warping test result based on the different chamber temperature

2.2 噴嘴內(nèi)徑對(duì)PEEK試樣拉伸性能的影響分析

在確保高溫腔體最小翹曲的前提下，圖5展示了不同噴嘴內(nèi)徑下，PEEK拉伸試樣的實(shí)物圖（拉伸后），其中PEEK試樣的拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)展示于表2。由表2可知，當(dāng)打印層厚統(tǒng)一為0.2 mm時(shí)，0.4 mm內(nèi)徑噴嘴打印的PEEK試樣的平均拉伸強(qiáng)度為57.11 MPa，略高于0.3 mm內(nèi)徑噴嘴打印的PEEK試樣的平均拉伸強(qiáng)度54.83 MPa，并顯著高于0.5 mm內(nèi)徑噴嘴打印的拉伸強(qiáng)度48.47 MPa?？傮w而言，在本研究中，0.4 mm內(nèi)徑噴嘴打印的PEEK試樣的拉伸強(qiáng)度最大，拉伸強(qiáng)度分別比噴嘴內(nèi)徑為0.3 mm和0.5 mm時(shí)高3.99%和15.13%。

圖5 不同噴嘴內(nèi)徑下打印的拉伸試樣Fig.5 The tensile samples printed with different diameter nozzle

對(duì)比不同噴嘴內(nèi)徑下PEEK試樣的拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)噴嘴內(nèi)徑為0.4 mm時(shí)，PEEK試樣的拉伸強(qiáng)度最大。為了對(duì)比不同內(nèi)徑的噴嘴流道的溫度分布，以分析PEEK絲材的熔化效果，筆者分別對(duì)不同內(nèi)徑的噴嘴內(nèi)流道進(jìn)行熱流體仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。圖6中A、B、C處的虛線左側(cè)徑向溫差小于5℃，代表PEEK絲材均勻熔融區(qū)域；虛線右側(cè)徑向溫差大于5℃，代表此區(qū)域內(nèi)有較大溫差，PEEK材料未得到充分融化。可以發(fā)現(xiàn)，隨著噴嘴內(nèi)徑的增大，流道內(nèi)PEEK絲材的的溫度梯度變大，絲材熔化的均勻性變差，絲材在充分熔融區(qū)停留的時(shí)間短，絲材熔化不徹底，導(dǎo)致PEEK熔融擠出效果和拉伸性能變差。而當(dāng)噴嘴內(nèi)徑過(guò)小時(shí)，則會(huì)增大絲材在流道中的流動(dòng)阻力，也易導(dǎo)致熔融擠出不穩(wěn)定和試樣的組織致密性較差，降低拉伸力學(xué)強(qiáng)度。在本研究中，0.4 mm的噴嘴在絲材的充分熔融和流動(dòng)阻力方面取得較優(yōu)的平衡，絲材均勻熔化徹底，并且在充分熔融區(qū)停留足夠多的時(shí)間，提高了成形后層間組織的結(jié)合效果，具有最優(yōu)的拉伸性能。

圖6 不同內(nèi)徑噴嘴的流道仿真結(jié)果示意圖Fig.6 The flow model temperature simulation results schematic diagram based different diameter nozzle

2.3 打印層厚對(duì)PEEK 3D打印拉伸性能的影響

表3所示為不同打印層厚對(duì)PEEK試樣的拉伸強(qiáng)度影響的數(shù)據(jù)。0.1 mm層厚的PEEK試樣的拉伸強(qiáng)度平均值為74.74 MPa，明顯優(yōu)于0.2 mm層厚的PEEK試樣的拉伸強(qiáng)度57.11 MPa和0.3 mm層厚的PEEK試樣的拉伸強(qiáng)度48.05 MPa。0.1 mm層厚的PEEK試樣的拉伸強(qiáng)度分別比0.2 mm層厚時(shí)和0.3 mm層厚時(shí)的拉伸強(qiáng)度高23.59%和35.71%。

表3 不同打印層厚下PEEK 3D打印樣品拉伸強(qiáng)度Tab.3 The tensile strength of PEEK 3D printing sample with different layer thickness

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：隨著打印層厚的增大，PEEK試樣的拉伸強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)樵趪娮靸?nèi)徑和打印速度一定時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的出絲量保持恒定，當(dāng)選擇較小的層厚參數(shù)時(shí)，每打印完成一層，噴嘴上移的速度較小，層與層之間貼合就較緊密，不易出現(xiàn)氣泡等缺陷。同時(shí)，噴嘴熔融擠出時(shí)，對(duì)已固化的上一層絲材有一定的預(yù)熱作用，層厚越小，預(yù)熱作用越明顯，也有利于增大層間結(jié)合力。為對(duì)比不同層厚時(shí)拉伸試樣的層間結(jié)合效果，筆者分別選取不同層厚時(shí)的PEEK拉伸試樣，用掃描電子顯微鏡分別觀察試樣的拉伸斷面［6，15］。如圖7所示，圖中白色線條間的距離即為層厚。觀察發(fā)現(xiàn)：0.1 mm層厚的試樣斷面較為整齊，各層黏結(jié)融合較好，層間無(wú)明顯間隙和剝離。隨著層厚的增大，拉伸試樣斷面的層間間隙變大，層間結(jié)合變差，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低。

最后，為了測(cè)試本研究獲得的PEEK 3D打印工藝參數(shù)打印實(shí)例模型的效果，根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用0.4 mm內(nèi)徑噴嘴，設(shè)置腔體環(huán)境溫度為160℃，打印層厚為0.1 mm，另外設(shè)置噴嘴溫度為395℃，打印速度為15 mm/s，分別打印了幾個(gè)醫(yī)療用模型。圖8所示分別為人體頭蓋骨、牙模和人體骨骼銜接件模型，各成形試樣無(wú)明顯翹曲和分層，質(zhì)地均勻，成形效果良好。

圖7 PEEK拉伸試樣斷面的SEM圖Fig.7 SEM micrographs of PEEK tensile samples section

圖8 PEEK 3D打印模型實(shí)例Fig.8 The model instances printed by the PEEK 3D printer

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)高溫成形腔體，實(shí)現(xiàn)成形腔體溫度穩(wěn)定在160℃左右。通過(guò)腔體熱仿真可知，腔體中間層溫度分布均勻。在高溫腔體環(huán)境打印的試樣，翹曲變形量遠(yuǎn)小于室溫環(huán)境下打印試樣的翹曲變形量。

（2）噴嘴內(nèi)徑和打印層厚對(duì)PEEK 3D打印試樣的拉伸性能影響顯著。當(dāng)打印層厚為0.1 mm時(shí)，選用0.4 mm內(nèi)徑的噴嘴打印的試樣拉伸強(qiáng)度最佳（74.74 MPa），接近注塑成形的拉伸強(qiáng)度。

（3）利用噴嘴流道的仿真，揭示了噴嘴內(nèi)徑對(duì)PEEK材料在流道內(nèi)熔融情況的影響。