一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3D打印制品的制备方法与流程

一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法
技术领域
1.本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法。


背景技术：

2.聚芳醚酮(paek)是一种耐高温热塑性塑料，具有较高的玻璃化转变温度和熔点，经玻璃纤维或碳纤维改性后负载热变型温度高达325℃，可在高温下长期使用，与其他耐高温塑料如pi、pps、ppo等材料相比，使用温度上限高出近50℃。除了上述的耐高温性能之外相比于其他塑料还具有如下优势：1、paek树脂的刚性较大，尺寸稳定性较好，线胀系数较小，非常接近于金属铝材料；2、具有优异的耐化学药品性，在常规的化学药品中，只有浓硫酸能溶解或者破坏它，它的耐腐蚀性与镍钢相近，同时其自身具有阻燃性，在火焰条件下释放烟和有毒气体少，抗辐射能力强；3、paek树脂的韧性好，对交变应力的优良耐疲劳性是所有塑料中最出众的，可与合金材料媲美；4、具有突出的摩擦学特性，耐滑动磨损和微动磨损性能优异，尤其是在高温下仍能保持高的耐磨性和低的摩擦系数；5、易于挤出和注射成型，加工性能优异，成型效率较高；6、具有自润滑性好、易加工、绝缘性稳定、耐水解等。paek材料因其优异的综合性能使之成为最通用的高性能工程塑料。传统paek制品的制造方式主要以注塑成型为主，但是注塑模具的制作时间较长，成本较高，这对于小批量产品的开发是非常不利的。
3.而3d打印技术(也称为快速成型技术)出现在上世纪80年代末至90年代初，至今也就30多年的时间。其原理为：以3d数字模型文件为输入，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。与传统的减材制造(如机加工)和等材制造(如铸锻焊)工艺相比，3d打印增材制造将传统的复杂制造系统缩小到一台制造装备中，具有设计自由度高、小批量生产经济性高、生产可预测性强、工作效率高等不可替代的优势，将成为产品个性化定制、复杂结构件制造等方面的唯一实现手段。但是现有技术中采用3d打印技术制备paek制品时在固化过程中很容易产生翘曲的问题，从而严重影响制品的成型精确度，无法满足人们的要求。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有技术中采用3d打印技术制备paek制品时在固化过程中很容易产生翘曲的技术问题；提出了一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，以制备出具有低翘曲高尺寸精度特征的paek类制品。
5.本发明的目的之一是为了提供一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，具体采用如下技术方案：
6.一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，包括如下步骤：
7.步骤1、将peek树脂、pekk树脂、碳纤维混合均匀后经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，
得共混颗粒；
8.步骤2、将步骤1中获得的共混颗粒通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到3d打印线材；
9.步骤3、通过3d打印设备对步骤2中获得的3d打印线材进行热打印，以获得制品毛坯件；
10.步骤4、通过精密数控铣床对步骤3中获得的制品毛坯件进行机加工获得制品半成品；
11.步骤5、通过工装夹具对步骤4中获得的制品半成品进行定位夹持并将所述制品半成品加热至200-230℃后保持2小时，接着让制品半成品自然冷却至150-170℃后继续保持2小时，最后让制品半成品自然冷却至室温即可得成品。
12.进一步的，所述步骤1中所述peek树脂、pekk树脂和碳纤维的重量百分比为(40-60)％：(30-50)％：10％。
13.进一步的，所述peek树脂的熔点为343℃，所述pekk树脂的熔点为332℃。
14.进一步的，所述步骤2中所述3d打印线材的直径为1.75mm。
15.进一步的，所述步骤3中在通过3d打印设备对步骤2中获得的3d打印线材进行热打印之前先对3d打印线材、3d打印设备的打印喷头以及热床进行预热处理。
16.进一步的，所述步骤3中热打印的过程中3d打印设备的打印喷头温度为400℃，腔室温度不低于200℃。
17.进一步的，所述步骤3中在热打印过程中控制制品毛坯件的尺寸精确度在
±
0.1mm范围内。
18.进一步的，所述步骤4中所述机加工的走刀方式为小进给、高转速。
19.进一步的，所述步骤5中成品尺寸精确度≤
±
0.03mm，平面度≤0.1。
20.本发明的目的之二是为了提供一种支架产品，具体采用的技术方案为：
21.一种支架产品，采用上述任一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法制成。
22.本发明的有益效果是：
23.1、本发明采用不同熔融温度的半结晶将peek树脂和pekk树脂与碳纤维混合造粒以制备3d打印线材，能够有效调控3d打印线的结晶速度，从而改善材料的翘曲变形，同时由于采用的树脂均为聚芳醚酮体系，使得制成的3d打印产品的线膨胀系数与金属接近，从而保证3d打印产品后续能够进行金属化处理，提高其后续处理的兼容性。
24.2、本发明采用热打印的方式对3d打印线材进行打印，能够有效保证在后续机加工过程中不会发生层间剥离的现象，保证制品后续机加工的效果。
25.3、本发明机加工的走刀方式采用小进给、高转速的工艺能够有效降低制品在进行机加工时产生的内应力，从而减小了在机加工阶段制品变形的情况；同时再配合二次退火热处理，能够进一步消除paek制品的残余内应力，有效控制了制品的变形量，制得了具有低翘曲高尺寸精度特征的paek类制品。
具体实施方式
26.本发明实施例通过提供一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制
备方法，以解决现有技术中采用3d打印技术制备paek制品时在固化过程中很容易产生翘曲的技术问题。
27.本发明采用的总体思路如下：
28.本发明实施例首先在组分原料上采用不同熔融温度的半结晶将peek树脂和pekk树脂与碳纤维混合造粒以制备3d打印线材，能够有效调控3d打印线的结晶速度，从而改善材料的翘曲变形。在工艺上首先采用热打印的方式对3d打印线材进行打印，以有效保证在后续机加工过程中不会发生层间剥离的现象，保证制品后续机加工的效果。其次在机加工的走刀方式采用小进给、高转速的工艺以有效降低制品在进行机加工时产生的内应力，减小了在机加工阶段制品变形的情况；最后再配合二次退火热处理，能够进一步消除paek制品的残余内应力，有效控制了制品的变形量，制得了具有低翘曲高尺寸精度特征的paek类制品。具体技术方案如下：
29.一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，包括如下步骤：
30.步骤1、将peek树脂、pekk树脂、碳纤维混合均匀后经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得共混颗粒；
31.步骤2、将步骤1中获得的共混颗粒通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到3d打印线材；所述3d打印线材的直径为1.75mm；
32.步骤3、通过3d打印设备对步骤2中获得的3d打印线材进行热打印，以获得制品毛坯件；其中在进行热打印之前先对3d打印线材、3d打印设备的打印喷头以及热床进行预热处理；在热打印的过程中3d打印设备的打印喷头温度为400℃，腔室温度不低于200℃；在热打印过程中控制制品毛坯件的尺寸精确度在
±
0.1mm范围内；
33.步骤4、通过精密数控铣床对步骤3中获得的制品毛坯件进行机加工获得制品半成品；所述机加工的走刀方式为小进给、高转速；
34.步骤5、通过工装夹具对步骤4中获得的制品半成品进行定位夹持并将所述制品半成品加热至200-230℃后保持2小时，接着让制品半成品自然冷却至150-170℃后继续保持2小时，最后让制品半成品自然冷却至室温即可得成品。
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例的技术方案进行更加清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
36.本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件,并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
37.实施例1
38.一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印支架类制品的制备方法，包括如下步骤：
39.步骤1、按重量百分比称取45％的peek树脂、45％的pekk树脂和10％的碳纤维，混合均匀后经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得共混颗粒。其中，所述peek树脂的熔点为343℃，所述pekk树脂的熔点为332℃。
40.步骤2、将步骤1中获得的共混颗粒通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到直径为1.75mm的3d打印线材；
41.步骤3、启动3d打印设备，并将3d打印设备的打印喷头温度设定为400℃，腔室温度设定为不低于200℃。先对3d打印线材、3d打印设备的打印喷头以及热床进行预热处理。然后根据图纸打印支架制品的毛坯件，且为了在后续机加工过程中便于工装夹具的夹持在支架制品毛坯件的四边外部轮廓分别打印一个小凸台。在热打印过程中控制支架制品毛坯件的尺寸精确度在
±
0.1mm范围内。
42.步骤4、通过精密数控铣床对步骤3中获得的支架类制品毛坯件进行机加工获得支架类制品半成品；具体为，利用精密数控铣床上的夹具分别固定支架类制品毛坯件的四个凸台，然后以小进给、高转速的走刀方式对支架类制品毛坯件的正反面逐步进行机加工，切去多余尺寸。
43.步骤5、采用工装夹具对步骤4中获得的支架类制品半成品上的四个凸台进行定位夹持并将所述支架类制品半成品加热至200℃后保持2小时，接着让支架类制品半成品自然冷却至150℃后继续保持2小时，最后让支架类制品半成品自然冷却至室温后切除四个小凸台即可获得支架类制品。
44.实施例2
45.一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印支架类制品的制备方法，包括如下步骤：
46.步骤1、按重量百分比称取55％的peek树脂、35％的pekk树脂和10％的碳纤维，混合均匀后经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得共混颗粒。其中，所述peek树脂的熔点为343℃，所述pekk树脂的熔点为332℃。
47.步骤2、将步骤1中获得的共混颗粒通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到直径为1.75mm的3d打印线材；
48.步骤3、启动3d打印设备，并将3d打印设备的打印喷头温度设定为400℃，腔室温度设定为不低于200℃。先对3d打印线材、3d打印设备的打印喷头以及热床进行预热处理。然后根据图纸打印支架制品的毛坯件，且为了在后续机加工过程中便于工装夹具的夹持在支架制品毛坯件的四边外部轮廓分别打印一个小凸台。在热打印过程中控制支架制品毛坯件的尺寸精确度在
±
0.1mm范围内。
49.步骤4、通过精密数控铣床对步骤3中获得的支架类制品毛坯件进行机加工获得支架类制品半成品；具体为，利用精密数控铣床上的夹具分别固定支架类制品毛坯件的四个凸台，然后以小进给、高转速的走刀方式对支架类制品毛坯件的正反面逐步进行机加工，切去多余尺寸。
50.步骤5、采用工装夹具对步骤4中获得的支架类制品半成品上的四个凸台进行定位
夹持并将所述支架类制品半成品加热至230℃后保持2小时，接着让支架类制品半成品自然冷却至170℃后继续保持2小时，最后让支架类制品半成品自然冷却至室温后切除四个小凸台即可获得支架类制品。
51.实施例3
52.一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印支架类制品的制备方法，包括如下步骤：
53.步骤1、按重量百分比称取50％的peek树脂、40％的pekk树脂和10％的碳纤维，混合均匀后经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得共混颗粒。其中，所述peek树脂的熔点为343℃，所述pekk树脂的熔点为332℃。
54.步骤2、将步骤1中获得的共混颗粒通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到直径为1.75mm的3d打印线材；
55.步骤3、启动3d打印设备，并将3d打印设备的打印喷头温度设定为400℃，腔室温度设定为不低于200℃。先对3d打印线材、3d打印设备的打印喷头以及热床进行预热处理。然后根据图纸打印支架制品的毛坯件，且为了在后续机加工过程中便于工装夹具的夹持在支架制品毛坯件的四边外部轮廓分别打印一个小凸台。在热打印过程中控制支架制品毛坯件的尺寸精确度在
±
0.1mm范围内。
56.步骤4、通过精密数控铣床对步骤3中获得的支架类制品毛坯件进行机加工获得支架类制品半成品；具体为，利用精密数控铣床上的夹具分别固定支架类制品毛坯件的四个凸台，然后以小进给、高转速的走刀方式对支架类制品毛坯件的正反面逐步进行机加工，切去多余尺寸。
57.步骤5、采用工装夹具对步骤4中获得的支架类制品半成品上的四个凸台进行定位夹持并将所述支架类制品半成品加热至220℃后保持2小时，接着让支架类制品半成品自然冷却至150℃后继续保持2小时，最后让支架类制品半成品自然冷却至室温后切除四个小凸台即可获得支架类制品。
58.对比例1
59.一种3d打印支架类制品的制备方法，包括如下步骤：
60.步骤1、按重量百分比称取90％的peek树脂和10％的碳纤维，混合均匀后经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得共混颗粒。其中，所述peek树脂的熔点为343℃，所述pekk树脂的熔点为332℃。
61.步骤2、将步骤1中获得的共混颗粒通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到直径为1.75mm的3d打印线材；
62.步骤3、启动3d打印设备，并将3d打印设备的打印喷头温度设定为400℃，腔室温度设定为不低于200℃。先对3d打印线材、3d打印设备的打印喷头以及热床进行预热处理。然后根据图纸打印支架制品的毛坯件，且为了在后续机加工过程中便于工装夹具的夹持在支架制品毛坯件的四边外部轮廓分别打印一个小凸台。在热打印过程中控制支架制品毛坯件的尺寸精确度在
±
0.1mm范围内。
63.步骤4、通过精密数控铣床对步骤3中获得的支架类制品毛坯件进行机加工获得支架类制品半成品；具体为，利用精密数控铣床上的夹具分别固定支架类制品毛坯件的四个凸台，然后以小进给、高转速的走刀方式对支架类制品毛坯件的正反面逐步进行机加工，切
去多余尺寸。
64.步骤5、采用工装夹具对步骤4中获得的支架类制品半成品上的四个凸台进行定位夹持并将所述支架类制品半成品加热至220℃后保持2小时，接着让支架类制品半成品自然冷却至150℃后继续保持2小时，最后让支架类制品半成品自然冷却至室温后切除四个小凸台即可获得支架类制品。
65.本对比例与上述实施例1的区别在于原料组分上仅采用peek树脂和碳纤维混合。
66.对比例2
67.一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印支架类制品的制备方法，包括如下步骤：
68.步骤1、按重量百分比称取45％的peek树脂、45％的pekk树脂和10％的碳纤维，混合均匀后经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得共混颗粒。其中，所述peek树脂的熔点为343℃，所述pekk树脂的熔点为332℃。
69.步骤2、将步骤1中获得的共混颗粒通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到直径为1.75mm的3d打印线材；
70.步骤3、启动3d打印设备，并将3d打印设备的打印喷头温度设定为400℃，腔室温度为室温。先对3d打印线材、3d打印设备的打印喷头以及热床进行预热处理。然后根据图纸打印支架制品的毛坯件，且为了在后续机加工过程中便于工装夹具的夹持在支架制品毛坯件的四边外部轮廓分别打印一个小凸台。在热打印过程中控制支架制品毛坯件的尺寸精确度在
±
0.1mm范围内。
71.步骤4、通过精密数控铣床对步骤3中获得的支架类制品毛坯件进行机加工获得支架类制品半成品；具体为，利用精密数控铣床上的夹具分别固定支架类制品毛坯件的四个凸台，然后以小进给、高转速的走刀方式对支架类制品毛坯件的正反面逐步进行机加工，切去多余尺寸。
72.步骤5、采用工装夹具对步骤4中获得的支架类制品半成品上的四个凸台进行定位夹持并将所述支架类制品半成品加热至220℃后保持2小时，接着让支架类制品半成品自然冷却至150℃后继续保持2小时，最后让支架类制品半成品自然冷却至室温后切除四个小凸台即可获得支架类制品。
73.本对比例与上述实施例1的区别在于3d打印机的腔室温度为室温。
74.对比例3
75.一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印支架类制品的制备方法，包括如下步骤：
76.步骤1、按重量百分比称取45％的peek树脂、45％的pekk树脂和10％的碳纤维，混合均匀后经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得共混颗粒。其中，所述peek树脂的熔点为343℃，所述pekk树脂的熔点为332℃。
77.步骤2、将步骤1中获得的共混颗粒通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到直径为1.75mm的3d打印线材；
78.步骤3、启动3d打印设备，并将3d打印设备的打印喷头温度设定为400℃，腔室温度设定为不低于200℃。先对3d打印线材、3d打印设备的打印喷头以及热床进行预热处理。然后根据图纸打印支架制品的毛坯件，且为了在后续机加工过程中便于工装夹具的夹持在支
架制品毛坯件的四边外部轮廓分别打印一个小凸台。在热打印过程中控制支架制品毛坯件的尺寸精确度在
±
0.1mm范围内。
79.步骤4、通过精密数控铣床对步骤3中获得的支架类制品毛坯件进行机加工获得支架类制品半成品；具体为，利用精密数控铣床上的夹具分别固定支架类制品毛坯件的四个凸台，然后以小进给、高转速的走刀方式对支架类制品毛坯件的正反面逐步进行机加工，切去多余尺寸。
80.步骤5、采用工装夹具对步骤4中获得的支架类制品半成品上的四个凸台进行定位夹持并将所述支架类制品半成品加热至150℃后继续保持2小时，最后让支架类制品半成品自然冷却至室温后切除四个小凸台即可获得支架类制品。
81.本对比例与上述实施例1的区别在于仅进行一次退火处理。
82.制品尺寸精确度检测试验
83.为了验证本发明实施例1-3与对比例1-3的制备方法之间的差异性，按照上述实施例与对比例的方法分别制备出标准尺寸为：长150mm、宽70mm、高5mm的样品，然后对各个样品的尺寸进行测量，结果如下表所示：
84.表1实施例与对比例各样品尺寸检验数据(单位：cm)
85.标准尺寸150705平面度实施例一150.0270.014.990.07实施例二150.0170.004.980.07实施例三149.9870.025.010.08对比例一149.8970.135.080.17对比例二149.9370.065.050.12对比例三149.8469.925.100.23
86.由表1检验结果可知，采用本发明制备方法获得的支架类制品的长宽高尺寸精度均≤
±
0.03mm，且支架类制品的平面度≤0.1。说明通过本发明实施例一制备的peak支架类制品具有低翘曲高尺寸精度的特点。而对比例1-3制得的支架类制品精确度均大于
±
0.03mm，且平面度也均高于0.1。
87.最后应说明的是：这些实施方式仅用于说明本发明而不限制本发明的范围。此外，对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、将peek树脂、pekk树脂、碳纤维混合均匀后经双螺杆挤出机熔融挤出造粒，得共混颗粒；步骤2、将步骤1中获得的共混颗粒通过线材机进行挤出定型和牵引收卷，得到3d打印线材；步骤3、通过3d打印设备对步骤2中获得的3d打印线材进行热打印，以获得制品毛坯件；步骤4、通过精密数控铣床对步骤3中获得的制品毛坯件进行机加工获得制品半成品；步骤5、通过工装夹具对步骤4中获得的制品半成品进行定位夹持并将所述制品半成品加热至200-230℃后保持2小时，接着让制品半成品自然冷却至150℃-170℃后继续保持2小时，最后让制品半成品自然冷却至室温即可得成品。2.根据权利要求1所述的一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，其特征在于：所述步骤1中所述peek树脂、pekk树脂和碳纤维的重量百分比为(40-60)％：(30-50)％：10％。3.根据权利要求1所述的一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，其特征在于：所述peek树脂的熔点为343℃，所述pekk树脂的熔点为332℃。4.根据权利要求1所述的一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，其特征在于：所述步骤2中所述3d打印线材的直径为1.75mm。5.根据权利要求1所述的一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，其特征在于：所述步骤3中在通过3d打印设备对步骤2中获得的3d打印线材进行热打印之前先对3d打印线材、3d打印设备的打印喷头以及热床进行预热处理。6.根据权利要求1所述的一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，其特征在于：所述步骤3中热打印的过程中3d打印设备的打印喷头温度为400℃，腔室温度不低于200℃。7.根据权利要求1所述的一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，其特征在于：所述步骤3中在热打印过程中控制制品毛坯件的尺寸精确度在
±
0.1mm范围内。8.根据权利要求1所述的一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，其特征在于：所述步骤4中所述机加工的走刀方式为小进给、高转速。9.根据权利要求1所述的一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法，其特征在于：所述步骤5中成品尺寸精确度≤
±
0.03mm，平面度≤0.1。10.一种支架类制品，其特征在于：采用如权利要求1-9中的任一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3d打印制品的制备方法制成。

技术总结
本发明公开了一种基于聚芳醚酮材料的低翘曲高精度3D打印制品的制备方法，其制备过程包括：首先，以PEEK树脂与PEKK树脂为基体树脂，碳纤维为增强相构建一种具有熔融温度梯度的3D打印线材；其次，根据制品的三维图纸，利用高温3D打印设备打印制品的毛坯件，毛坯件的尺寸精度控制在


技术研发人员：孟祥军 李兰军 李茂彦 刘曙阳
受保护的技术使用者：南京聚隆科技股份有限公司
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/8/1