激光网3月15日消息，来自康奈尔大学空军研究实验室和航空航天制造商波音公司的研究与技术部门的研究人员成功地绘制了聚醚醚酮在3D打印过程中的结晶过程。
高性能聚合物，如PEEK，越来越多地用于生产需要苛刻机械性能的3D打印部件，例如耐高温性和减轻重量。
据研究人员称，更好地了解这些材料的内部结构在3D打印过程中是如何发展的，对于更好地控制3D打印部件的特性至关重要。
在这项研究中，该团队使用专门的X射线成像工艺来记录PEEK在3D打印时如何硬化成层状晶体结构 - 这一过程也称为结晶。
为了达到“前所未有的水平”的细节，研究人员提供了第一个完整的2D图，描绘了熔丝制造3D打印过程中单层结晶的2D图。
该研究结果发表在《高分子》杂志上，可以让设计师和工程师更好地了解3D打印参数如何影响3D打印零件的机械性能。这些参数包括材料沉积速率、3D 打印头速度、3D 打印头温度、3D 打印床温度和喷嘴直径。
研究人员认为，对3D打印参数与最终零件特性之间相关性的理解仍然有限。据说对于PEEK等聚合物的挤出增材制造尤其如此，PEEK具有快速结晶速率。
在研究过程中，该团队使用基于同步加速器的微束广角X射线散射来记录FFF 3D打印过程中材料的晶体形成。
当 X 射线对准材料时，它们会与电子接触并向不同方向散射。在WAXS中，绘制并分析了发生这种散射的角度和强度，以确定有关材料内部晶体结构的关键信息。
使用这种技术，研究人员成功地制作了一张详细的图，展示了PEEK在从3D打印机喷嘴挤出后的最初几秒钟内是如何结晶的。在实验过程中，在145°C、175°C和205°C的不同打印床温度下进行了多次3D打印运行和测量。3D打印喷嘴保持在400°C的恒定温度下。
在测试期间收集的数据被整理成一张详细的 2D 地图，显示材料随时间推移的结晶方式和位置。
研究结果表明，PEEK的结晶首先发生在最接近3D打印床的层上。然后，该过程逐渐垂直向上移动挤出材料，直到其完全硬化。
这些数据还强调了3D打印床温度升高与结晶开始之间的明显相关性。实际上，当在较高的3D打印床温度下进行3D打印时，材料的硬化过程需要更长的时间才能开始。
更重要的是，研究人员发现，在较高打印床温度下3D打印的材料具有更高的最终结晶度，从而提高了硬度和密度。
最终，研究人员声称，这些发现可以让那些利用PEEK更好地控制3D打印参数的人，以准确确定3D打印部件的机械性能。
这并不是研究人员第一次寻求在3D打印中实现对零件属性的更大控制，早在 2020 年，南特大学的一个团队就发表了一项研究，研究了 FFF 3D 打印中层之间的传热和粘附。
通过这个项目，研究人员试图理解、建模和量化3D打印过程中的热交换。希望这将有助于确定最大化3D打印零件机械性能所需的最佳3D打印参数。
在整个研究过程中，南特的研究人员使用了带有ABS和碳纤维增强PEKK的Creality CR-10 3D打印机。使用红外相机对整个3D打印过程的传热进行精确的温度测量，并与预测数值模型进行比较。
最终发现数值模型正确地预测了3D打印中的传热。然而，“对流变特性的了解不足”使该团队无法准确预测层附着力，而层附着力是确定最终零件特性的关键因素。
除了FFF，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员还开发了一种新方法，用于确定喷墨3D打印中的材料特性。该研究被称为“性能潘通”，强调了如何在多材料喷墨3D打印中组合不同的树脂材料，以确定特定的材料性能。这些不同的材料包括软弹性体、刚性塑料和液体成分。
据研究人员称，这些发现为3D打印用于医疗应用的机械合理的合成生物组织提供了潜力。
