國內聚醚醚酮 FDM 3D列印技術的進展

PEEK是一種性能優異的工程塑料，具有耐高溫性、自潤滑性、化學穩定性、耐輻射和電氣性能，以及具有優異的機械性能，可用於機械製造和航空製造中。在生物醫學領域，聚醚醚酮具有優良生物相容性，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，大大降低了由於金屬材料和人體骨骼彈性模量差距過大而造成的應力遮擋、骨吸收、骨發炎、二次手術等 問題，聚醚醚酮植入物的力學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。

關於PEEK在FDM 3D列印技術方面的進展，在國際上，Roboze公司推出了可列印醫療級PEEK線材的FDM 3D印表機，INDMATEC也推出了桌面級的FDM 3D印表機用於PEEK的列印。

PEEK之前多用的列印方式是SLS和3DP技術，那麼，國內企業在PEEK 通過FDM 技術的3D列印領域有哪些進展呢？本期，3D科學谷特通過兩個案例與谷友一起了解一下國內PEEK 3D列印的發展情況。

解決熔點高的問題

蓄勢待發的PEEK 3D印表機

PEEK可作為3D列印材料製造機械零部件以及骨科植入物,但由於PEEK材料具有較高熔點，多數3D印表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列印特別是FDM 3D列印帶來一定難度。

陝西恆通智能機器有限公司研發了PEEK材料3D印表機，PEEK材料具有較高熔點和玻璃化轉變溫度，連續使用溫度為260℃，針對於PEEK材料的熔點高的問題，陝西恆通研發出適用於PEEK材料耐高溫3D印表機噴頭，噴頭溫度可達400℃（誤差±2℃）。

圖片：陝西恆通3D列印的PEEK樣件

典型的FDM印表機主要由散熱塊、喉管、加熱塊、噴嘴組成，列印頭利用摩擦力作為動力，將後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。由於喉管內徑大於絲材直徑，在列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，甚至導致材料從喉管後端溢出，造成不出絲。

由於絲材從噴嘴擠出時依靠的是後方未融化材料向前的推力，隨著列印時間的增長，若喉管後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。尤其對於PEEK、聚醯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於ABS、PLA，又加之材料熔點高，噴嘴列印溫度一般在350℃以上，傳統的散熱塊散熱難以使喉管後端溫度降低至材料玻璃化溫度以下，因此常常出現「堵頭」現象。

對於PEEK、聚醯亞胺等高熔點、高黏度材料，現有的列印頭結構無法滿足喉管的散熱要求，不能實現該類材料的長時間連續精細列印。陝西恆通研發的一種流體循環控溫熔融沉積成形列印頭，通過在列印頭中增加流體循環控溫系統可及時降低喉管溫度，改善高溫列印過程中的間隙倒流，在長時間連續列印過程中保持穩定的列印精度。

3D列印定製化PEEK植入物

如果通過注塑或機械加工等傳統加工PEEK植入物，那麼對於不同的植入物需要製造不同的模具，這就增加了製造成本，特別是定製化的PEEK植入物，製造的模具無法再次利用，這是一種資源的浪費。同時，由於開模具需要很長的時間，對於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，對於一些形狀複雜的定製化植入物，製造難度就更大了。吉林大學通過3D印表機實現了定製化PEEK 植入物的快速製造。

PEEK植入物的3D列印製造方法包括：獲取患者待植入部位的醫學圖像數據、從獲取的醫學圖像數據中提取出所需要的骨組織數據、建立仿生人工骨的三維數字模型、對人工骨三維數字模型進行格式轉化、將人工骨數字模型輸入吉林大學自製的聚醚醚酮3D列印系統進行植入物的三維實體製造，在完成製造之後進行細胞毒性試驗、動物試驗、臨床試驗。

在列印時，首先將直徑為1.6mm的PEEK絲用烘乾箱乾燥12小時，通過自製溫控系統將3D列印系統噴頭、鋁合金、列印室進行預熱。接下來，通過控制系統將列印噴嘴調整至列印平台，隨後雙齒輪送絲機構將直徑為1.6mm的PEEK絲材以勻速送入已經預熱的噴頭，3D列印系統噴頭根據分層軟體生成的植入物軌跡逐層進行PEEK植入物的列印。為了減輕PEEK 植入物在成形過程中的因內應力導致的脆 斷、分層、翹曲等問題，將列印室溫度逐漸冷卻到室溫，然後取出PEEK植入物。

吉林大學實現了熔點高、粘度大、流動性差、結晶類聚合物生物相容性材料PEEK植入物的3D列印製造，省去了製造模具的時間和成本，大幅縮短了製造周期，可以根據造型軟體的設定來隨時調整零件形狀，可滿足患者對植入物的個性化需求。

當然這些通過FDM的方式列印出來的產品的精度如何？是否需要後處理？我們還不得而知。親愛的谷友，如果你所在的公司也在從事PEEK 桌面級3D印表機、3D列印材料的研發，歡迎在文後評論補充。

參考資料：

專利：流體循環控溫熔融沉積成形列印頭

專利：聚醚醚酮仿生人工骨的3D列印製造方法

專利：HIGH-DENSITY COMPOUNDS FOR 3D PRINTING

更多資訊請登陸www.51shape.com

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