3D打印是一种基于逐层叠加原理的增材制造打印方法，能实现复杂精密结构零件直接成型，缩短生产周期、降低成本。熔融沉积3D打印（FDM）是应用最广泛的3D打印技术，在热塑性材料成型方面优势独特。在FDM制造中，温度、打印速度、层厚度、打印角度是关键参数。喷嘴温度关乎线材熔化，打印底板温度影响零件成型，过高或过低都会带来问题；打印速度是喷嘴移动速度；层厚度是打印端沉积材料高度；打印角度是沉积线材路径，优化这些参数可提升制件表面质量和机械性能。

FDM技术与特种工程塑料

随着技术发展，有限元分析为高温FDM技术带来新材料选择，如聚乙烯亚胺（PEI）、聚醚酮酮（PEKK）、聚苯乙烯（PS）和聚醚醚酮（PEEK）等特种工程聚合物，它们具有高机械性能、高热和耐化学性。与金属相比，特种工程塑料轻质、低成本、易制造、自润滑且耐腐蚀，能显著节省重量，为航空航天等运输应用提供超高燃料效率，还越来越多地应用于摩擦学领域，如航空航天机械和海洋工程机械中的轴承等部件。其中，聚醚醚酮（PEEK）是最有前途的摩擦学应用工程材料之一，具有优良生物相容性、良好机械性能、耐高温、低吸湿等特性。通过FDM技术可设计复杂结构的PEEK零部件，这是传统制造技术难以实现的。

实验材料与设备

实验所用聚醚醚酮，购买自三的部落上海科技股份有限公司，型号为3dpro PEEK 450K，纯树脂（100% PEEK），灰黄色，密度1.3 g/cm³，熔点DSC为343℃，热变形温度163℃。选用的熔融沉积3D打印机为三的部落上海科技股份有限公司的小屁孩H-3T打印机，专用于高温聚合物打印。FDM设备由机器主体、挤出机、进丝控制系统等组成，喷嘴靠内部加热块加热并带有温度控制系统，底板由铝合金组成。

打印参数设置与成型原理

FDM主要打印参数如打印速度、填充速度、层厚等由切片软件Ultimaker Cura 4.4设置。采用正交对称法构建模型，同一层内两条相连填充路径夹角为90°。成型原理为：先用3D画图软件Solidworks建立样品模型并保存为stl格式，再用切片软件Ultimaker Cura 4.4切片，设置参数后保存为Gcode并导入打印机打印。实验中重叠率固定为15%，冷却由打印机自动控制。

机械实验与摩擦实验

机械实验在配有20 KN负载的万能试验机上进行，拉伸试样按GB/T 1040.1 - 2006拉伸，拉伸速率1 mm/min；压缩试样按GB/T 1041 - 2008压缩，压缩速率2 mm/min。摩擦实验使用直径6 mm的市售钢球轴承（GGr 15）作为摩擦副，摩擦方式为往复摩擦，设置滑动距离5 mm、载荷10 N、滑动频率2 Hz、试验时间1800 s。通过非接触式光学表面三维轮廓仪分析样品磨损量等，用扫描电子显微镜和光学显微镜分析磨斑表面形貌。

拉伸性能

聚醚醚酮拉伸试样拉伸过程先弹性变形，后屈服塑性变形，接着拉伸断口处颈缩，拉应力降低直至断裂。不同填充方向和图案下拉伸强度值有差异，填充方向为90°且填充图案为直线时，拉伸强度值最高，为45.08 MPa，断裂伸长率61.81%，弹性模量24 MPa。FDM打印样品拉伸性能各向异性，填充图案为网格时断裂发生在粘结位置，粘合较弱；填充角度增大，断裂有拉扯痕迹，韧性断裂，直线填充图案抵抗破坏能力强。

压缩性能

压缩时材料先弹性变形，应力与应变正比；超过屈服强度后应力基本不变；接着试样不稳定，应力值减小但应变增大；之后材料变形减弱，应力值最低；继续施加载荷，力值随应变增加又增长。填充图案为三角形和内六角的试样应力应变曲线增长，三角形结构稳定，内六角有蜂窝结构特性。填充图案为网格时性能可与三角形媲美。

摩擦性能

填充率影响聚醚醚酮材料摩擦系数，随填充率增大，摩擦系数先增大后减小。填充率20% - 40%时，摩擦系数由0.14增大至0.29；40% - 80%时，由0.29减小到0.10。低填充率试样表面由平整变粗糙，高填充率试样表面由粗糙变平整，填充率80%时试样内部致密化程度高，表面平整，摩擦系数和磨损率最小。

FDM打印参数可调控聚醚醚酮制件的机械性能和摩擦学性能，实现其在不同领域应用。为进一步发挥FDM优势，实现PEEK材料复合改性，可通过改变填充率构建镶嵌式PEEK基材，嵌入固体润滑剂制备镶嵌式PEEK复合材料。PEEK因其优异性能被认为是最有前途的工程应用聚合物之一，添加纳米填料等润滑剂可显著提高复合材料耐磨性。镶嵌式结构设计为PEEK材料复合改性提供了新方向。

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