聚芳醚酮 (PAEK) 因其優(yōu)異的機械性能、良好的生物相容性和高溫穩(wěn)定性而成為增材制造領(lǐng)域重要的高性能聚合物材料。3D打印技術(shù)能夠制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和定制功能的獨特優(yōu)勢促進PAEK產(chǎn)品的快速開發(fā)，從而促進了其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。然而長時間以來，此類材料幾乎只能采用熔融擠出工藝進行3D打印。

當前國內(nèi)外絕大多數(shù)商業(yè)化的激光燒結(jié)（SLS）3D打印設(shè)備腔體最高粉床預(yù)熱溫度通常為200℃左右，主要用于成形較低熔點的熱塑性聚合物材料。PA12及其復(fù)合材料(熔點在180℃左右)目前仍是SLS技術(shù)用的最多、也是最成功的成形材料，占SLS商品化材料的90％以上。

EOS P810激光燒結(jié)碳纖維增強PEEK

超高溫SLS 3D打印

而對于高性能聚芳醚酮、聚芳酰胺這類特種聚合物材料來說，熔點較高。以聚醚醚酮PEEK材料為例，其熔點約為340℃，為防止成形過程中的零件翹曲變形，要求SLS成形過程中預(yù)熱溫度設(shè)置在330-337℃的(激光燒結(jié)窗口)范圍內(nèi)。而老化的PEEK粉末熔點更高，燒結(jié)窗口更窄，預(yù)熱溫度設(shè)置更是接近400℃，對溫度場穩(wěn)定性和均勻性要求更加嚴格。

3D打印技術(shù)參考查詢的華科團隊的相關(guān)專利指出，現(xiàn)有技術(shù)中的SLS設(shè)備通常采用紅外輻射加熱管對成形臺面進行加熱，這種單純紅外輻射加熱的方式難以達到400℃高溫，因此亟待需要研發(fā)另外一種穩(wěn)定可控的加熱方式來實現(xiàn)諸如PEEK之類的高性能特種聚合物材料的高溫激光選區(qū)燒結(jié)要求，尤其是滿足嚴苛工藝條件下的均勻性預(yù)熱需求。

史玉升教授團隊開發(fā)出的能夠打印PAEK聚合物的激光燒結(jié)3D打印機，可以有效實現(xiàn)400℃的高溫預(yù)熱，因而適用于高熔點聚合物如PEEK的激光燒結(jié)成形。

（a）第一代HT-LPBF裝備HK PK125，（b）第二代HT-LPBF裝備HK PK350，（c）PEEK粉末材料，（d）PEEK材料成形過程

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷或改進需求，華中科技大學(xué)團隊發(fā)明了用于高溫激光選區(qū)燒結(jié)的框架結(jié)構(gòu)、缸體預(yù)熱方法、相應(yīng)的光學(xué)熱力防護及冷卻系統(tǒng)。通過結(jié)合高溫下的激光選區(qū)燒結(jié)工藝特征尤其是高精度預(yù)熱的需求，對送粉缸體及成形缸體的內(nèi)部組成構(gòu)造重新進行了設(shè)計，同時還對具備獨立空間的送粉系統(tǒng)和成形系統(tǒng)及其絕熱功能組件等進行優(yōu)化，不僅能有效實現(xiàn)送粉與成形兩個關(guān)鍵操作的獨立預(yù)熱與控溫，還能有效實現(xiàn)激光燒結(jié)溫度場400℃的高溫精準預(yù)熱，由此順利解決高性能聚合物材料在高溫激光燒結(jié)成形時的翹曲問題，且不需預(yù)鋪粉過程、降低激光燒結(jié)延遲時間，從而得到較高的加工效率和更高的加工精度。

此外，研究團隊還制備了適用于激光燒結(jié)工藝的PEEK粉末材料，可同時滿足粉末高溫流動性、燒結(jié)窗口與堆積密度等關(guān)鍵指標的要求。制備的粉末整體形貌均一，堆積密度達0.37±0.01g/cm3，燒結(jié)窗口達27.26℃。

更為關(guān)鍵的是，史玉升教授團隊與華中科技大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院楊操教授團隊合作，在國家重點研發(fā)計劃項目的支持下，使用所開發(fā)的高溫激光燒結(jié)設(shè)備開展了PEEK的臨床應(yīng)用研究，實現(xiàn)了椎間融合器臨床應(yīng)用。術(shù)后定期跟蹤隨訪，進行功能評估，病人各項指標正常，術(shù)后恢復(fù)良好。

超高溫SLS 3D打印商業(yè)化案例

在很長一段時間內(nèi)，公開宣傳可以進行PEEK激光燒結(jié)的商業(yè)化3D打印機只有EOS。其所推出的EOS P800系統(tǒng)內(nèi)部操作溫度為385攝氏度，在此溫度下，PEEK材料所成型的部件與產(chǎn)品性能優(yōu)良。由于不同的溫度、新舊粉末混合比例以及冷卻過程都會導(dǎo)致燒結(jié)部件與產(chǎn)品的性能不同。為了達到PEEK材料的優(yōu)良性能，EOS在P800系統(tǒng)采用了OLPC（激光功率在線控制）模塊，在升溫降溫過程中由OLPC模塊通過實施檢測對激光功率進行控制，保障所燒結(jié)的部件性能優(yōu)勢且品質(zhì)穩(wěn)定。

EOS P810打印的碳纖維增強PEEK零件（來自EOS）

除EOS之外，3D打印技術(shù)參考注意到華曙高科的一則消息：成功開發(fā)出全新超高溫高分子材料3D打印解決方案，并已成功燒結(jié)某知名PEEK等高溫特種材料。該公司指出，全新的超高溫高分子材料3D打印解決方案，采用滾筒鋪粉方式，對材料的適用性非常強，打印成功率高，同時用戶體驗非常人性化，活塞清潔位置設(shè)計科學(xué)合理，粉末清理十分便捷。

華曙高科超高溫高分子材料3D打印的相關(guān)醫(yī)療產(chǎn)品

（來自華曙高科）

END

高溫激光選區(qū)燒結(jié)是粉末床增材制造技術(shù)的重要分支，其與通常情況下的激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)最大的不同在于其可以加工高性能特種工程塑料，例如聚芳醚酮、聚酰亞胺等。對于這些高性能特種工程塑料而言，其通常具有非常高的熔點，通常高于300℃。為了避免成形過程中制件翹曲，同時保證制件精度，需將成形腔預(yù)熱到非常高的溫度(接近材料熔點)，這對設(shè)備和粉末材料提出了非常高的要求。

史玉升教授團隊此前還發(fā)表了綜述文章，從材料性質(zhì)、成形工藝、力學(xué)性能和產(chǎn)品應(yīng)用等方面闡述了增材制造高性能PAEK材料的最新研究進展，系統(tǒng)介紹了它們在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、電子等領(lǐng)域的代表性應(yīng)用。最后，討論了高性能增材制造聚合物未來發(fā)展的當前挑戰(zhàn)和可能的解決方案。