3D打印PEEK材料应用指南

魔猴君  知识堂   1750天前

PEEK是一种有机热塑性聚合物，具有耐人寻味的力学性能，包括高温性能、机械强度和优异的耐化学性。这使其成为适用于各种增材制造（AM）技术的可行材料。在传统制造业中，基于PEEK的组件已经被许多行业所采用，得到了广泛的认可。

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今天，我们就来聊聊这种机械敏感的聚合物的性能、功能、限制、常见应用。

什么是PEEK？

总部位于英国的帝国化学工业公司（ICI）在20世纪80年代推出了聚醚醚酮（PEEK）。该材料的基本形态为半结晶、高纯度聚合物，其包含两个醚基团和一个酮基的重复单体。

PEEK属于聚酮聚合物（PAEK）家族，其家族成员还有PEK、PEEKK、PEKK或PEKEKK等。然而，由于其优异的性能和广泛的可用性，它的光芒比其"亲属"更胜一筹，使其成为该特定聚合物群中应用最广泛的一种。

PEEK的性质：

PEEK具有一些引人注目的特性，特别是在生产功能原型和零件时。它最重要的属性包括：

1、高度耐受高达260°C（480°F）的极端温度，以及耐受腐蚀性液体、气体和高压；

2、不溶于普通溶剂，防止水解，使其不会因高压水或蒸汽而降解；

3、轻量化：PEEK具有1.3g/cm?的固有低比重，不到铝的一半，是钢的六分之一；

4、高自润滑能力和低摩擦力；

5、出色的抗蠕变性；

6、很少消耗；

7、良好的尺寸稳定性；

8、燃烧时易燃性低，烟雾排放少；

9、卓越的绝缘阻热性能；

10、高温下具有优异的耐消毒性；

11、完全生物兼容。

通过将PEEK与复合材料如玻璃纤维、石墨、二硫化钼或碳增强剂等复合材料结合，可以进一步提高这些材料的电阻率。

PEEK的局限性：

不幸的是，与增材制造领域中所有材料一样，PEEK也有一些局限性。

首先，它必须在非常高的温度下进行处理。PEEK的熔点为343°C（649.4°F）。

在耐化学性方面，PEEK难以抵抗氯/溴、浓硫和硝酸以及酮类和硝基苯。PEEK也会受到卤素和钠的侵蚀，限制了它在某些工业领域的使用。

此外，PEEK对紫外线的抵抗力低。这可以通过添加一层由特殊煤烟颗粒组成的颜料层来解决。碳填充等级提供更好的紫外线稳定性，可用于需要更高抗紫外线性质的某些应用。

总体而言，使用基于PEEK的物体和零件，技术优势和可能性远远超过了材料的局限性，开辟了广泛的应用领域，甚至可以替代金属或铝材等常用材料。

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PEEK的常见应用：

由于其极具吸引力的特性，PEEK已广泛应用于汽车、航空航天、医疗和电气工程等行业。让我们仔细看看一些应用程序：

1、航空航天

航空航天业需要安全可靠的材料。PEEK即使暴露在高温和腐蚀性燃料中，也保持其出色的材料性能。此外，PEEK的氟塑料摩擦系数低，适合在狭小空间内加工。

在航空航天领域中使用PEEK零件的范围很广，用于外部零件是因为它具有出色的抗雨水侵蚀性能，而在内部使用，则可降低火灾的危险，因为它的烟雾和有毒气体排放性低，且具有很好的阻燃性。

总体而言，聚醚醚酮正在替代飞机中越来越多的铝和金属零件。如夹子、高压软管或电线管等。这样可以节省高达70％的重量并大幅降低燃料成本。例如，在500架飞机的机队中，将飞机重量减少45公斤，每年便可节省高达500万美元的燃油成本。

2、汽车

PEEK具有优异的抗疲劳和耐化学性能，因此可用于汽车燃料管理系统。由于其轻量性，它正在取代传动、制动和空调系统中使用的各种活性金属或铝组件，包括活塞单元、密封件、垫圈或轴承等，这可使汽车重量和噪音显著降低。

此外，面向老爷车的3D打印定制零件是一个快速发展的领域。它们的成本比原始部件低90％，即是说，即便已经停产的零件，它们也仍然可以获得"老款式"的制造部件。

3、电气工程

PEEK优异的电气特性使其成为理想的绝缘体。凭借出色的热性能，PEEK聚合物部件能够承受传统绝缘体没有办法承受的高温。这些优势及它长期运行的可靠性，以及温度、压力和频率耐用性，使其可应用于海底环境控制设备或高压水泵的连接器销上。

此外，PEEK正在移动设备中使用。人们对更薄、更轻、更智能的移动设备的追求，使基于PEEK材料的组件大有用武之地，例如，为手机扬声器或耳机创造了超薄膜。

4、医疗

在医疗领域，PEEK则提供了具有优异耐磨性、耐热性、耐电性和耐化学性的经济型创新部件。它在医疗保健领域的应用主要包括牙科器械、内窥镜、透析器等，主要用于骨科。

PEEK虽然比铝轻，但在3D打印时，它可以为解剖正确的假肢或植入物提供一个新的精度水平，这些假肢与植入物都是针对每个使用者的需求专门设计的。虽然还在研发期，但这一部分具有惊人的增长潜力。

例如，在牙科医学中， PEEK用于替换牙科注射器上的金属手柄或用于根管锉的无菌盒。 PEEK之所以适用于此，是因为该聚合物可承受高达3000次高压釜灭菌循环（通常在130°C），并在热水、蒸汽、溶剂或化学品中保持优异的机械强度和水解稳定性。

PEI/ULTEM--PEEK的替代方案

虽然军工、制药、石化或食品包装等行业对PEEK零件需求呈指数级增长，但因其成本较高，使其距离非工业领域还很遥远。幸运的是，对于所有的消费者来说，还有另一种选择：ULTEM--聚醚酰亚胺（PEI）的衍生物。

聚醚酰亚胺（PEI）是一种无定形、琥珀到透明的热塑性塑料。虽然PEEK和PEI这两种材料具有相似的耐高温性，但它们来自不同的热塑性家庭。PEEK有一个多样化的塑料家族，PEIs，分子结构中缺乏酮。

GE的塑料部门于1982年制定了PEI。2007年，SABIC购买了它供使用。除了ULTEM和ULTEM变体之外，它没有主要的家族成员，这些变体通常较便宜，但也有一些不同的特性，例如冲击强度和可用温度稍低。

尽管这可能使其在极端条件下显得不那么实用，但在过去几年中，ULTEM的制造商SABIC已获得多项航空航天认证，使其成为商用飞机3D打印性能塑料零件的首选材料。

基于PEI的材料由许多制造商以其各自的商标名出售。如SABIC（Ultem），Ensinger（Tecapei），RTP（RTP PEI）或Quadrant（Duratron）。

PEEK的3D打印技巧：

随着允许高喷嘴温度和加热床的3D打印机的兴起，使用PEEK的3D打印允许构造更复杂的设计几何形状，这是使用其他技术无法生产的。它也是熔融沉积成型（FDM）的理想选择，因为它具有低吸湿性，特别是与其他常见材料（如ABS）相比。

以下是使用PEEK或PEI进行3D打印时要记住的几个基本提示和技巧：

1、一致的温度

PEEK / PEI在波动或不稳定的温度下反应不佳。因此，如果没有必要，强烈建议使用带有密封室的打印机。为了在3D打印PEEK / PEI时获得最佳效果，我们建议您将3D打印机保持在温度变化最小的环境中，并远离太阳辐射和频繁出现的区域。

2、小心斑点

有时用户在使用PEEK / PEI打印时会遇到黑斑。虽然这可能有许多原因，但最常见的解释是所使用的打印材料的杂质或3D打印机在处理所需温度时遇到问题。

3、保持喷嘴清洁

打印过程完成后，应经常清洁喷嘴，从喷嘴中取出所有剩余材料，否则喷嘴可能会被堵塞并最终导致斑点。

4、注意结晶

有时，使用PEEK / PEI材料进行打印时，可能会发生不适当的结晶。如果打印的部分颜色不同，例如褐色变色而不是默认的米色，则这可能表明结晶不正确。这可能是由于打印过程中温度波动造成的。

5、在干燥的地方存放丝材

当您不使用PEEK / PEI进行3D打印时，应将材料放在袋子中并存放在阴凉、干燥和黑暗的地方。通过这样做，您将保持材料的质量，并确保您将获得最佳打印结果。